專利名稱：基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法
技術領域：
本發明涉及虛擬植物及全球環境變化技術領域，特別是一種基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法。
背景技術：
虛擬植物即應用計算機模擬植物在三維空間中的生長發育狀況，是近20年來隨著信息技術進步而迅速發展起來的研究領域。隨著全球溫室效應的日益加劇，森林系統在全球碳循環中的作用日益顯著，而生物量則是森林系統固碳能力的重要標志。目前森林生物量三種估算方法中遙感技術手段可快速、無損、相對準確地估算生物量，并可對生態系統長期、無間斷地宏觀觀測，因而在全球碳循環研究中應用最為廣泛。森林機理模型作為遙感手段的一種技術方式，其可描述不同時空尺度下植被生長過程，如光合過程、呼吸作用、植物的分解與氧分循環等，它是根據植物生理、生態學原理，通過對太陽能轉化為化學能的過程和植物冠層蒸散與光合作用相伴隨的植物體及土壤水分散失的過程進行模擬，從而實現對陸地植被生產力的估算。機理模型僅側重描述植物生理生態過程，而森林生物量積累的過程中其幾何形態變化與生理生態過程變化相輔相成，因此森林生物量變化估算應將其幾何形態與生理生態過程無縫結合以提高估算精度。虛擬植物即應用計算機模擬植物在三維空間中的生長發育狀況，是近20年來隨著信息技術進步而迅速發展起來的研究領域，因而利用虛擬植物技術可在計算機中模擬各種不同樹種、樹齡、樹木的森林環境。因此，采用虛擬植物技術手段將森林幾何模型和機理模型結合并應用于生物量變化估算可提高現有方法的測量精度。1.國內研究水平
森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%以上，它是森林固碳能力的重要標志，也是評估森林碳收支的重要參數。森林生物量的變化反映了森林的演替、人類活動、自然干擾、氣候變化和大氣污染等影響，是量度森林結構和功能變化的重要指標。目前森林生物量及凈生長測量方法主要分為三種地面實測法、材積轉換法、遙感估算法。地面實測法通常采用皆伐法、標準木法、標準枝法確定實地測量的目標，之后通過測量其干、莖、枝、葉生物量推算森林生物量。地面實測法費時費力，但測量精度較高，僅適宜于小范圍林分的測量。 材積轉換法是一種利用林分生物量與木材材積比值的平均值乘以該森林類型的總蓄積量得到森林總生物量的方法。材積轉換法可將森林生物量測量從樣地尺度到區域尺度轉換提供技術支撐，其技術手段也日趨成熟，但針對部分森林的估算模型還有待更為深入的驗證和探討。森林區遙感圖像信息是由其反射光譜特征決定的，而植物光譜特性可反映植物葉綠素含量和生長狀況。通過建立葉綠素含量與生物量的關系可估算植物及群落生物量，因此，采用遙感技術手段可用來估算森林植物生物量。遙感技術手段在大尺度森林生物量及凈生長量估算上有著其他方法不可替代的優勢，同時可以實現對特定區域森林生物量生產力和碳循環狀況長期、動態、連續估算和預測。2.存在的問題目前常見的三種森林生物量估算方法中，地面實測法費時費力，且具有破壞性；材積轉換法需以森林資產調查數據為基礎，且材積與生物量間的轉換關系與樹木的年齡、種類、林分密度、立地條件等因素有關，因此應用時難以同時保證效率及精度。遙感方法精度受數據源、建模方法影響較大，且通常僅考慮植被機理模型，而忽略植被結構模型與功能模型之間的聯動關系。
發明內容
針對現有森林生物量估算方法忽略植被結構模型與機理模型間聯動關系的缺陷， 本發明的目的是提供一種基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法。本發明的一種基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實現步驟10 獲取模擬植物形態參數、紋理，以植物生長規律和參數化L-系統為基礎建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結構模型為基礎，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應用于植物生物量積累，建立植物結構-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計算得到的參數值反饋于植物結構模型，開展某一生長周期或若干個生長周期的植物生長發育模擬；將生長發育之后的植物幾何結構模型再次進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復，動態地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內植物體的生長生物量。在本發明一實施例中，上述步驟11的具體實現流程如下步驟111 利用模擬區域經緯度、高程及大氣參數計算某一時刻冠層頂部的直射光強和散射光強；步驟112 以所述的植物幾何模型、直射光強和散射光強為基礎，采用光線跟蹤法模擬冠層任意三維位置太陽直射及天空散射分布規律，統計冠層中各葉片太陽輻射強度值；步驟113 確定植物對象的光合特性參數，并計算模擬周期內環境因子瞬時值，采用非直角雙曲線單葉光合作用方程計算單葉光合作用速率，并通過對虛擬冠層內所有葉片累加得到虛擬冠層光合作用速率；步驟114 在一個生長周期內的多個時間節點依據步驟112計算各葉片太陽輻射強度值，同時采用步驟113得到冠層總光合作用速率，之后結合植物的暗呼吸模型估算植物同化物產生量；步驟115 在樹木內同化物分配模型的基礎上構建植物結構-功能模型。在本發明一實施例中，上述步驟10中建立植物幾何結構模型包括以下步驟步驟 101 通過文獻查找或野外實測收集輻射實驗樹種的枝條拓撲與幾何結構信息；步驟102 根據所述枝干拓撲與幾何結構信息，提取L-系統規則；步驟103 對葉片進行曲面精細建模，獲取葉片點位與索引坐標，并同L-系統規則結合，使之按一定分布規律掛接在枝干上， 生成植物幾何結構模型。在本發明一實施例中，上述述的枝干拓撲與幾何結構信息包括枝下高、分枝模式、 分枝角度、枝條增長率與增粗率、葉片方位角、葉片傾角以及葉片在枝干上分布密度。在本發明一實施例中，上述述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射直射包括以下步驟步驟51 利用八叉樹數據結構對樹木三維幾何模型空間剖分，并確定太陽直射光線的投射數量、能量及方向；步驟52 植物幾何模型三角面片化；步驟53 遍歷跟蹤光線集合， 采用光線跟蹤法判斷與光線相交的樹木體元模型體元；步驟M 遍歷相交體元內的三角面片，判斷與光線相交的三角面片并將其光合有效輻射直射能量值設為步驟111所確定的能量值；步驟55 重復步驟51至步驟M，直至完成生長周期內所有時間節點的太陽光合有效輻射直射模擬計算。在本發明一實施例中，上述述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射天空散射包括以下步驟步驟61 確定冠層頂部太陽光合有效輻射天空散射能量值；步驟62 遍歷虛擬植物結構模型中的三角面元，并在葉器官面元正上方創建半球穹頂；步驟63 計算葉器官面元穹頂天空可見率，結合冠頂太陽光合有效輻射天空散射能量值計算葉器官面元天空散射輻射值；步驟64 遍歷虛擬植物幾何結構模型中的每個葉器官面元，重復步驟61至步驟 64。在本發明一實施例中，上述步驟113中虛擬冠層光合作用速率的計算包括以下步驟
步驟71 通過權利要求5和6中的方法計算虛擬冠層內單葉光合有效輻射能量值，該能量值包括太陽直接輻射和天空散射輻射；步驟72 利用非直角雙曲線單葉光合作用模型計算單葉光合作用速率；步驟73 建立以時間為因變量的單葉光合作用速率變化曲線；步驟74 通過對冠層中所有單葉累加得到虛擬冠層總光合作用速率。在本發明一實施例中，上述步驟115中的同化物在植物內的分配方法包括以下步驟步驟81 確定植物各類型器官匯強值及擴展率；步驟82 計算某生長周期內植物的同化物需求量及供給量；步驟83 當植物同化物需求量大于供給量時，植物模型中以F為代表的基本節點單元對象按潛在擴展率進行擴展，并進行同化物分配，該同化物分配是以節點總的同化物需求量為權重參與分配；步驟84 以植物某生長周期為時間單位，對植物各節點內器官逐一進行同化物分配，計算植物器官體積變化值，并生成新的植物器官。在本發明一實施例中，上述步驟115中構建植物結構-功能互反饋模型包括以下步驟以虛擬植物結構模型和功能模型為基礎，在每一個生長周期時間單位內進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，以估算植物同化物積累量，并進行分配得到虛擬植物幾何模型，從而引起植物幾何結構上的變化，之后將變化參數傳入并更新植物的L-系統規則，最終生成生長后的植物結構模型并估算植物生物量的變化值。
圖1基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法技術流程示意圖。圖2太陽直射PAR模擬技術流程圖。圖3太陽散射PAR模擬技術流程圖。圖4生長周期內生物量分配技術流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。如圖1所示，本發明提供一種基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實現步驟10 獲取模擬植物形態參數、紋理，以植物生長規律和參數化L-系統為基礎建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結構模型為基礎，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應用于植物生物量積累， 建立植物結構-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計算得到的參數值反饋于植物結構模型，開展某一生長周期或若干個生長周期的植物生長發育模擬；將生長發育之后的植物幾何結構模型再次進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復，動態地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內植物體的生長生物量。下面為了讓一般技術人員更好的理解本發明，我們對上述的一些模的建立方法做簡單介紹 (1)基于L-系統的植物結構模型構建
虛擬植物即應用計算機模擬植物在三維空間中的生長發育狀況，其目前主要有2種建模方法參數化、L-系統。基于L-系統的植物建模方法強調蘊涵在樹木生長發育背后的驅動過程或內部因子，因而其適宜于模擬自然植物或森林的生長發育過程。基于L-系統的植物結構模型構建方法通過總結出自然界生長的植物形態結構規律，采用L-系統字符迭代衍生虛擬植物模型，其建模過程如下
在L-系統公理中規則表達枝下高和主干的輪枝結構，并對各分枝規則描述。f精確量測模擬植物對象各分枝的半徑和長度信息，總結各級枝條增粗率及增長率，通過設置各級分枝的分枝角度參數實現植物模型枝干的形態控制。f開展單葉片精細建模，以葉片分布密度、分布規律為基礎設置矩陣變換函數并進行葉片分布模擬。S依據實測的植物高度，冠幅進行模型大小尺度控制，生成植物幾何結構模型。(2)基于虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射直射模擬
植物冠層內葉片光合作用效率的計算是植物生長動力學研究的基礎，而冠層內光的截獲與分布是植物光合作用模型的關鍵變量。目前植物冠層太陽輻射截獲模擬方法主要分為三種，包括比爾定律、光線跟蹤法和輻射度方法。由于冠層結構是影響太陽輻射分布和冠層光合作用的主要因素，所以冠層三維模型的精度決定了植物冠層光能截獲模擬的精度。 比爾定律方法假設植物冠層組分為混濁介質，且空間隨機分布，因而冠層模型與真實植物冠層差異顯著。采用參數化L-系統建立的虛擬植物模型可逼真地模擬植物在三維空間上的形態分布情況，因而適宜應用于植物冠層太陽直射光合有效輻射模擬。光線跟蹤算法原理簡單，適用范圍廣泛，能應用于各種植物冠層輻射模擬，但該算法與輻射度算法均存在計算量大的缺點，其算法中存在大量的遞歸和求交運算，因而需通過限制光線投放條數或減少光線跟蹤次數以減少算法運算時間。虛擬植物冠層太陽光合有效輻射直射模擬基于虛擬植物冠層真實三維模型，采用計算機圖形學光線跟蹤算法模擬太陽直射光合有效輻射在虛擬植物冠層內傳播過程，以構建虛擬冠層光合有效輻射三維分布傳輸模型。首先根據日期和時間計算對應地區太陽高度角，并結合赤緯角、經度和緯度計算相應太陽方位角。之后以太陽高度角和天頂角為輸入參數計算冠層頂部晴天天氣條件下太陽直接輻射。采用自適應八叉樹方法剖分冠層三維模型，以冠層三維模型為基礎確定與最小太陽投射平面，并進一步確定光線平面上光線的數量、方向及能量。逐一對光線投射平面上的光線實施光線跟蹤算法，判斷光線與冠層三維模型相交的情況，當光線與冠層三維模型中三角面片第一次相交時則將光線能量賦給相交的三角面片。太陽光合有效輻射直射模擬技術流程如圖2所示。(3)基于虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射散射模擬
太陽入射于植物冠層內的太陽光合有效輻射可分為直射、天空散射及葉片散射三部分，其中直接輻射及天空散射輻射是冠層輻射光的主要來源，而綠色植物由于其冠層內光合有效輻射的反射率和透射率都較低，故冠層內部散射輻射較小，冠層內光合有效輻射模式時常將葉片散射忽略。天空散射輻射的分布模式受所處區域天氣狀況的影響很大，具體可以分成三種類型，即各向異性分布、環日式分布、晴空各向異性分布。太陽散射輻射半球分布模式外業實地測量十分困難，且陰天天氣條件下太陽天空散射輻射在半球方向變化相對較小，因此研究時常將太陽散射輻射分布模式假設為各向同性分布。天空散射輻射從天空半球各方向入射至植物冠層，冠層內各葉片的天空散射輻射該葉片上半球各方向天空散射輻射總和。影響植物冠層內天空散射輻射分布的因素包括植物冠層組分的結構(包括葉傾角分布、葉密度等)以及天空散射在天空不同方向上的分布模式。虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射散射模擬基于虛擬植物冠層真實三維模型，采用TurtL-e算法模擬太陽散射光合有效輻射在虛擬冠層內傳播過程，以構建虛擬冠層光合有效輻射三維分布傳輸模型。首先根據日期和時間計算對應地區太陽高度角，并結合赤緯角、經度和緯度計算相應太陽方位角。之后以太陽高度角和天頂角為輸入參數計算冠層頂部晴天天氣條件下太陽天空散射輻射。采用自適應八叉樹方法剖分虛擬冠層三維模型，逐一對冠層三維模型中所有三角面片進行循環，當三角面片為葉器官面片時以面片中心為中心點創建半球穹頂，判斷半球中心平面上方所有冠層三角面片對葉器官面片的遮蔽率，遮蔽率與冠層頂部的乘積即為相應葉器官面片的太陽天空散射輻射值。太陽光合有效輻射散射模擬技術流程如圖3所示。(4)基于虛擬植物的冠層光合作用速率計算
植物冠層的光合作用模型可分為大葉模型和多層模型，前者是將冠層簡化為一個伸展的葉子，后者則在單葉尺度上充分考慮環境因子及葉片生理特性垂直差異。傳統的冠層光合作用模型中引入了葉面積指數、葉片分布函數等參數，因為冠層光合作用與太陽入射輻射分布密切相關。采用數學函數和相關參數(如葉面積指數)等方法描述植物幾何結構內太陽輻射三維空間分布誤差較大，而基于光線跟蹤算法可準確計算冠層三維結構內單葉片尺度上太陽輻射光強，因而可提高冠層光合作用估算精度。虛擬植物冠層光合作用速率計算基于太陽光合有效輻射直射、散射模擬結果，首先逐一循環冠層三維模型各葉器官，葉片直射輻射和散射輻射之和即為葉片輻射總量。以日長、地方時、最高氣溫時刻為自變量模擬指定區域氣溫日變量正弦曲線。以氣溫、露點溫度為輸入變量計算指定區域絕對濕度、相對濕度和飽和水汽壓差。以凌晨、清晨、下午5點樹冠頂部C02濃度為基礎，分別采用正弦曲線、余弦曲線模擬0點至8點、8點至次日凌晨兩個時間段內冠層頂部C02濃度值。以單葉片光合有效輻射總量、氣溫、空氣濕度及C02濃度為自變量，采用非直角雙曲線單葉光合作用模型計算葉片量子效率和理論最大光合作用速率。逐一對冠層內所有單葉片計算光合作用速率，累計平均后即為冠層平均光合作用速率。 在不同的時間循環上述過程，即可模擬虛擬植物不同時刻冠層光合作用速率。(5)基于虛擬植物的結構-功能互反饋模型構建
植物幾何結構變化的內在驅動因子為其生理生態過程，而對植物生理生態過程建模的方法即為功能模型。植物結構模型與功能模型相互影響，相互關聯，因而植物結構模型和功能模型的耦合模型可真實地模擬植物生長發育的全過程。因為L-系統的字符迭代過程與植物生長過程相符，節點符號能作為模擬植物結構模型的合理基本單元，且為過程化的模型，所以適合將其作為虛擬植物拓撲結構的構建方法。在其基礎上建立以基于虛擬冠層PAR模擬的冠層光合作用模型為核心的虛擬植物功能模型，模型強調光合作用對碳的同化和呼吸作用對碳的分解作用。將植物的生物量積累量同植物的生長相關聯，建立起結構-功能模型間的信息收集與反饋模塊，從而構建出基于L-系統的植物結構-功能模型。基于虛擬植物的結構-功能互反饋模型構建首先在結構模型中將L-系統中的字符‘F’解釋為葉元(包括枝條、葉片和芽)，其包括生命年齡、匯強、擴展率等功能模型參數信息，葉元為虛擬植物結構-功能模型中信息交流的基本單元。將植物的生長發育過程在時間上離散化，并將其分為多個生長周期，在每個離散的生長周期內開展光合作用積累量計算。進入下個生長周期之前進行生物量的分配，首先進行節點尺度的分配，即根據節點的生命年齡、匯強值、器官擴展率等參數信息計算某一節點的生物量需求量。將節點生物量需求量作為生物量分配權重，求得其生物量的實際分配量。其次，在節點內進行基于器官尺度的生物量分配時，將分配量轉化為植物器官的幾何結構參數變化值，之后傳入L-系統規則集合中進行規則更新，以用于生成新的植物結構模型。下一生長周期的功能參數計算則基于新的植物結構模型，如此循環即形成了一個基于L-系統的植物結構-功能互反饋模型，生長周期內生物量分配技術流程圖如圖4所示。更具體的，本實施例我們總結基于虛擬植物的生物量變化估算方法具體步驟如下
1)獲取一定年齡階段模擬植物對象的形態結構參數。2)設計模擬植物對象的L-系統規則，隨著迭代步長的增大，其規則能忠實于植物分枝模式和器官出現先后順序。3)利用建模軟件(如3ds max等)對葉片等特殊器官精細建模，獲取器官模型點位坐標與構網坐標索引并進行歸一化處理。在L-系統規則解析過程中，將建模獲得的器官與枝條組合，生成植物幾何結構模型。4)根據模擬的精度要求，將模擬周期分段離散化，確定各周期內輻射點時刻值。5)根據模擬區域的經緯度、高程和大氣透明系數計算某時刻太陽光合有效輻射的直射光強和散射光強，并以其作為冠層頂部太陽輻射強度。6)在各模擬周期時間節點上開展虛擬冠層光合有效輻射直射模擬，確定葉片尺度的太陽有效輻射(PAR)的直射輻射在冠層內的三維分布。7)植物幾何結構模型保持不變的情況下，通過推算單葉上的天空可見率以計算單葉上太陽光合有效輻射散射強度，結合單葉上的直射光強，可獲得某時間節點虛擬冠層中葉片總輻射強度值。8)設置模擬植物對象的光合作用特性參數，獲取模擬各周期內環境因子瞬時數值。采用非直角雙曲線單葉光合作用方程對單葉光合作用速率進行計算，并將虛擬冠層中所有葉片的光合作用速率進行累加，得到虛擬冠層光合作用速率。9)依據7)中某時間節點太陽輻射強度值，在生命周期內多個時間節點多次模擬， 通過積分估算該生長周期內植物生長生物量變化。10)在植物生長周期結束時，利用基于L-系統的結構-功能模型對植物生長生物量進行分配，通過修改植物L-系統規則中的參數，并將其反饋于植物幾何結構結構模型， 得到新的植物幾何結構模型。11)在新周期內重復第4)至第10)步。
12)重復第11)步，直到進行了所有生長周期的模擬，估算模擬周期內植物生物量
變化值。以下是使用說明
權利要求
1.一種基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實現步驟10 獲取模擬植物形態參數、紋理，以植物生長規律和參數化L-系統為基礎建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結構模型為基礎，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應用于植物生物量積累，建立植物結構-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計算得到的參數值反饋于植物結構模型，開展某一生長周期或若干個生長周期的植物生長發育模擬；將生長發育之后的植物幾何結構模型再次進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復，動態地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內植物體的生長生物量。
2.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟11的具體實現流程如下步驟111 利用模擬區域經緯度、高程及大氣參數計算某一時刻冠層頂部的直射光強和散射光強；步驟112 以所述的植物幾何模型、直射光強和散射光強為基礎，采用光線跟蹤法模擬冠層任意三維位置太陽直射及天空散射分布規律，統計冠層中各葉片太陽輻射強度值；步驟113 確定植物對象的光合特性參數，并計算模擬周期內環境因子瞬時值，采用非直角雙曲線單葉光合作用方程計算單葉光合作用速率，并通過對虛擬冠層內所有葉片累加得到虛擬冠層光合作用速率；步驟114 在一個生長周期內的多個時間節點依據步驟112計算各葉片太陽輻射強度值，同時采用步驟113得到冠層總光合作用速率，之后結合植物的暗呼吸模型估算植物同化物產生量；步驟115 在樹木內同化物分配模型的基礎上構建植物結構-功能模型。
3.根據權利要求2所述的基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟10中建立植物幾何結構模型包括以下步驟步驟101 通過文獻查找或野外實測收集實驗樹種的枝條拓撲與幾何結構信息； 步驟102 根據所述枝干拓撲與幾何結構信息，提取L-系統規則； 步驟103 對葉片進行曲面精細建模，獲取葉片點位與索引坐標，并同L-系統規則結合，使之按一定分布規律掛接在枝干上，生成植物幾何結構模型。
4.根據權利要求3所述的基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法，其特征在于所述的枝干拓撲與幾何結構信息包括枝下高、分枝模式、分枝角度、枝條增長率與增粗率、葉片方位角、葉片傾角以及葉片在枝干上分布密度。
5.根據權利要求2所述的基于虛擬植物生物量變化估算方法，其特征在于，所述步驟 11中虛擬冠層光合有效輻射直射包括以下步驟步驟51 利用八叉樹數據結構對樹木三維幾何模型空間剖分，并確定太陽直射光線的投射數量、能量及方向；步驟52 植物幾何模型三角面片化；步驟53 遍歷跟蹤光線集合，采用光線跟蹤法判斷與光線相交的樹木體元模型體元； 步驟M 遍歷相交體元內的三角面片，判斷與光線相交的三角面片并將其光合有效輻射直射能量值設為步驟111所確定的能量值；步驟55 重復步驟51至步驟M，直至完成生長周期內所有時間節點的太陽光合有效輻射直射模擬計算。
6.根據權利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射天空散射包括以下步驟步驟61 確定冠層頂部太陽光合有效輻射天空散射能量值；步驟62 遍歷虛擬植物結構模型中的三角面元，并在葉器官面元正上方創建半球穹頂；步驟63 計算葉器官面元穹頂天空可見率，結合冠頂太陽光合有效輻射天空散射能量值計算葉器官面元天空散射輻射值；步驟64 遍歷虛擬植物幾何結構模型中的每個葉器官面元，重復步驟61至步驟63。
7.根據權利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟113中虛擬冠層光合作用速率的計算包括以下步驟步驟71 通過權利要求5和6中的方法計算虛擬冠層內單葉光合有效輻射能量值，該能量值包括太陽直接輻射和天空散射輻射；步驟72 利用非直角雙曲線單葉光合作用模型計算單葉光合作用速率；步驟73 建立以時間為因變量的單葉光合作用速率變化曲線；步驟74 通過對冠層中所有單葉累加得到虛擬冠層總光合作用速率。
8.根據權利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于，所述步驟115中的同化物在植物內的分配方法包括以下步驟步驟81 確定植物各類型器官匯強值及擴展率；步驟82 計算某生長周期內植物的同化物需求量及供給量；步驟83:當植物同化物需求量大于供給量時，植物模型中以F為代表的基本節點單元對象按潛在擴展率進行擴展，并進行同化物分配，該同化物分配是以節點總的同化物需求量為權重參與分配，其中F解釋為葉元，其包括枝條、葉片和芽；步驟84:以植物某生長周期為時間單位，對植物各節點內器官逐一進行同化物分配， 計算植物器官體積變化值，并生成新的植物器官。
9.根據權利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟115中構建植物結構-功能互反饋模型包括以下步驟以虛擬植物結構模型和功能模型為基礎，在每一個生長周期時間單位內進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，以估算植物同化物積累量，并進行分配得到虛擬植物幾何模型，從而引起植物幾何結構上的變化，之后將變化參數傳入并更新植物的L-系統規則，最終生成生長后的植物結構模型并估算植物生物量的變化值。
全文摘要
本發明針對現有森林生物量估算方法忽略植被結構模型與機理模型間聯動關系的缺陷，公開了一種基于虛擬植物的植物生長生物量變化估算方法首先獲取模擬植物形態參數、紋理，以植物生長規律和參數化L-系統為基礎建立植物幾何模型；然后，以植物幾何結構模型為基礎，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射，并將其應用于植物生物量積累，建立植物結構-功能反饋模型；之后將功能模型計算得到的參數值反饋于植物結構模型，開展某一生長周期或若干個生長周期的植物生長發育模擬。將生長發育之后的植物幾何結構模型再次進行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復，動態地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內植物生長的生物量。
文檔編號G06F19/00GK102314546SQ201110146120
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年6月1日
發明者唐麗玉, 林郁欣, 鄒杰, 陳剛, 陳崇成 申請人:福州大學