專利名稱：基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法
技術領域：
本發明涉及農業信息化和現代農業技術領域，特別是一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法。
背景技術：
植物整型修剪是生產栽培與經營管理中非常重要的操作環節。整型修剪能夠合理利用空間，提高冠層通風透光以及抗逆能力，保證植物健康生長；整型通過對植株施行相應的修剪措施使之形成符合特定需求的植物形態結構，構建冠型美觀、姿態優良的觀賞樹形，以此營造錯落有致、渾然天成的園林景觀；修剪能夠調節植物體內的營養元素，使之種類齊全，比例適當，以滿足植物生長需要，提高花果數量和質量。一般來說，整型修剪貫穿于植物 的生長全過程，因此，對植物整型修剪的計算機模擬也成為了數字農業與數字林業的重要研究內容之一。植物的整型修剪不僅僅依賴于經驗，還具有很強的科學性與技巧，模擬現實植物的整型修剪操作，需要以相應的科學數據為支撐。近年來，不同樹形對光合有效輻射的吸收、利用也逐漸成為了植物生理生態學、樹木學、果樹栽培等農、林學科的研究熱點。光合有效福射(Photosynthetic Active Radiation, PAR)是太陽福射光譜中能夠被綠色植物的質體色素吸收、轉化以實現物質積累的那部分輻射，其輻射波長介于400-700nm之間。它約占太陽總能量的40%。PAR是植物光合作用的基礎、最重要的資源，是影響生態系統物質生產和能量轉化的重要生態因子。PAR在植物冠層分布的模擬研究有助于分析冠形整型修剪的科學性和深入理解植物與光環境之間的交互。目前，研究植物冠層光合有效輻射分布的主要方法有三種地面實測法、數學模型法、三維模擬法。其中，地面實測法主要是通過具有光電傳感器的冠層分析儀實現，但是由于各種實測客觀條件的限制，不能同時保證實測的空間分辨率和時間分辨率。數學模型法是以輻射在植物冠層的傳播規律以及植物冠層形態結構等假設條件為基礎，建立冠層結構參數與生態因子相結合的輻射傳輸模型，由于實際模型構建參數實時變化且難以獲取，因此數學模型法至今多數局限于理論研究層面。近年來，隨著計算機三維建模與虛擬現實研究的不斷深入，三維模擬法逐漸成為了研究植物冠層光合有效輻射分布的有力工具。植物精細三維模型是冠層對光合有效輻射截獲能力分析的基礎。葉是植物光合作用的主要器官，葉子的位置和方向是影響光分布的主要因子，所以虛擬冠層葉的精細建模是關鍵。目前葉的三維建模方法主要有基于圖像生成三維模型、基于參數曲面生成三維模型、基于三維幾何造型系統建模。后兩種方法均可生成精細的三維模型，能滿足冠層輻射模擬的需要。植被或森林生長的計算機建模和可視化研究可以追溯到上個世紀六十年代。自上個世紀九十年代末以來，國際上掀起了一股以數字化技術為核心的現代農業高技術研究與開發熱潮，特別是以農業生物-環境信息獲取、農業過程數字模型與虛擬仿真技術、農業的數字化設計、管理與控制技術為主要內容的國際數字農業發展前沿技術，引起了各國政府、領域專家、技術人員等廣泛關注，一些成果在農業發達國家逐漸走向示范和推廣應用階段。目前，有一定影響力的虛擬植物系統軟件有SpeedTree、Bionatics公司的虛擬植物系列產品、Xfrog、OnyxTree、LMS以及主要用于學術研究的AMAP系列模塊和L-Studio等。我國虛擬植物研究始于20世紀90年代，比較有代表性的有趙春江研究團隊開發的農作物生長模擬三維場景整合平臺，自動化所中法聯合實驗室LIAMA的青園GreenLab、福建省空間信息工程研究中心陳崇成研究團隊開發的OntoPlant。目前具有國產背景虛擬植物軟件尚未形成產品化與商業化應用，與國際同類研究相比還有一定差距。ParaTree交互式單樹建模工具軟件是OntoPlant系列軟件的單樹建模軟件。它是一款面向專業用戶和普通用戶使用的全參數化單樹幾何建模工具。系統可參數化、交互式地定制不同樹種、年齡、物候階段、形態結構的真實感單株植物三維模型，還可形象地模擬枝條修剪過程。植物冠層截獲PAR瞬時能量即為某一時刻冠層葉子截獲PAR的總和，單位為μπιο * s-1，而植物冠層獲得PAR平均能量為冠層所截獲的瞬時能量除以總葉面積，單位為μ mol*m-2*s_l。植物對PAR的吸收與葉面積相關,冠層頂部葉子越多，光合有效福射吸收的面積也越大，冠層截獲的太陽PAR瞬時能量也越大；但是，冠層外部的葉子將會對冠層內部葉子形成遮擋，導致冠層內部葉子的光合作用弱而呼吸作用強(消耗能量)，影響植物生長與生產。因此，需采用植物冠層獲得PAR平均值與單位面積凈光合速率作為光合有效輻 射截獲能力的評價指標。由于太陽位置實時變化，導致各時刻的太陽光合有效輻射強度值也各不相同，SP冠層在某一時刻截獲的太陽PAR平均能量并不能全面解釋冠層對PAR的截獲能力，因此，需對比分析某一時間段內的多組實驗數據才能說明冠層對光合有效輻射的截獲能力。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，該方法有利于對植物冠型的科學合理性進行定量分析，進而實現科學合理地對植物進行整型修剪或株型設計。本發明的目的是這樣實現的一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，包括以下步驟
步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；
步驟11:根據生長區地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度；
步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
步驟13 :結合單葉光合作用模型，計算一定時段內不同冠層的凈光合速率；
步驟14 :反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力，追尋一種通風透光的科學合理的冠型。本發明的有益效果是提供了一種定量分析植物冠型的科學合理性的方法，克服了傳統植物整型修剪或株型設計中存在的只能通過長期野外觀測、實驗或經驗知識來定性說明冠型修剪合理性的問題，不僅有利于減小不合理修剪帶來的損失，而且以三維形式直觀表示修剪后的株型，可以精確預見修剪的效果。
圖I是本發明實施例的實現流程示意圖。圖2是本發明實施例中采用ParaTree單樹建模工具軟件建立植物精細三維模型的流程圖。
具體實施例方式本發明基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，如圖I所示，包括以下步驟
步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，其實現流程如圖2所示，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；
步驟11 :根據生長區地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度；
步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
步驟13 :結合單葉光合作用模型，計算一定時段內不同冠層的凈光合速率；
步驟14 :反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力，追尋一種通風透光的科學合理的冠型。在步驟10中，建立植物精細三維模型包括以下步驟
步驟101 :輸入待分析冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息；
步驟102 :根據所述葉幾何信息，采用NURBS參數曲面進行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細三維模型，以多邊形形式(三角形或四邊形)表示并轉化為常用三維模型格式，如.ob j等；
步驟103 :根據所述冠層特征參數和枝干系統拓撲結構信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統三維模型，并把葉精細三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統上，形成自然生長形的植物精細三維模型；
步驟104 :采用ParaTree單樹建模工具軟件，對自然生長形的植物精細三維模型進行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型。上述冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息包括全局參數、主干參數、枝條參數和葉片參數，所述全局參數包括樹高和冠幅，所述主干參數包括基徑、長度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數包括分支級數、半徑、半徑變化、長度、分支角度，所述葉片參數包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。在步驟11中，計算冠頂輻射強度包括以下步驟
步驟111 :根據生長區地理位置，即經度緯度，采用太陽天文參數計算公式得出太陽幾何參數，即太陽高度角和太陽方位角；步驟112 :根據太陽幾何參數、生長區氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計算公式，計算冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度；
步驟113 :求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。在步驟12中，計算冠層光合有效輻射強度包括以下步驟
步驟121 :以所述植物精細三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值；
步驟122 :以所述植物精細三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值；
步驟123 :將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值； 步驟124 :計算并分析得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值； 在步驟13中，計算冠層凈光合速率包括以下步驟
步驟131 :根據每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計算每片葉總光合速率； 步驟132 :對冠層每片葉總光合速率進行累加，得到整個冠層光合速率；
步驟133 :所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數，得到冠層凈光合速率；
在步驟14中，計算冠層對PAR截獲能力包括以下步驟
步驟141 :根據上述步驟10，建立一系列不同冠形的植物精細三維模型；
步驟142 :根據上述步驟12，計算各冠層各時刻每片葉截獲的PAR值，從而計算日尺度內冠層平均PAR值；
步驟143 :在計算得到每片葉截獲的PAR值基礎上，將冠層按一定高度間隔進行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內葉對PAR截獲的平均值；然后對一天各時刻每層截獲PAR的平均值，再次進行平均，求日尺度冠層PAR空間分布情況；
步驟144 :根據上述步驟13，計算各冠層各時刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時刻冠層凈光合速率求平均值；
步驟145 :把各冠層日尺度冠層平均PAR、冠層平均凈光合速率進行排序，結合冠層內各層PAR分布的均勻性，得出冠層對PAR的截獲能力的大小。從而分析冠層對PAR的截獲能力，定量分析這些經驗冠型的科學合理性。步驟142中日尺度內冠層平均PAR值計算過程為白天每隔一定時間計算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內各模擬時刻的模擬值進行平均得到日尺度冠層平均PAR。下面結合具體實施例對上述一些模型的建立及分析方法作進一步的說明。I、冠層精細三維模型構建
植物整型修剪或株型設計是在自然生長形的樹形基礎上進行的。I)根據參數化建模所需的植物形態結構參數要求，通過野外實測數據、拍攝的照片和經典文獻的收集，獲取自然生長形冠型的形態結構參數，主要包括樹高、冠幅、主干基徑、主干半徑變化、主干長度、枝條級數，每級枝條的參數包括枝條長度、半徑變化、分支角度、枝條分布，葉大小、形狀、分布位置、分布密度等；2 )器官紋理處理，采用Photoshop這類圖像處理軟件，生成具有Alpha通道的透明效果的器官紋理；3)采用3ds MAX這類幾何造系統建立葉三維模型，轉為通用三維模型格式；4)采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件，首先生成一個默認三維模型，然后根據上述各種參數，調整模型形態，掛接葉的精細三維模型，映射上器官紋理，生成自然生長形植物精細的三維模型；5)在自然生長形模型基礎上，根據整型修剪的經驗知識，利用ParaTree交互式單樹建模工具軟件編輯功能，對枝條、枝段進行編輯，形成各種冠型的精細三維模型。采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件建立植物精細三維模型流程如圖2所示。以3年生桃樹整型修剪及冠層對PAR截獲能力分析為實施例。自然生長形的形態結構參數如表I所示。先通過參數約束生成模型基本骨架，然后采用各枝干長度分布曲線、半徑分布曲線、彎曲控制曲線、密度分布曲線進一步調整，形成自然長生形枝干系統。表I桃樹自然生長形模型的枝干系統參數表
權利要求
1.一種基于虛擬植物的冠層對光合有效福射截獲能力分析方法，其特征在于包括以下步驟 步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型； 步驟11:根據生長區地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度； 步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值； 步驟13 :結合單葉光合作用模型，計算不同冠層的凈光合速率； 步驟14 :反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力。
2.根據權利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟10中，建立植物精細三維模型包括以下步驟 步驟101 :輸入待分析冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息； 步驟102 :根據所述葉幾何信息，采用NURBS參數曲面進行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細三維模型； 步驟103 :根據所述冠層特征參數和枝干系統拓撲結構信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統三維模型，并把葉精細三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統上，形成自然生長形的植物精細三維模型； 步驟104 :采用ParaTree單樹建模工具軟件，對自然生長形的植物精細三維模型進行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型。
3.根據權利要求2所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于所述冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息包括全局參數、主干參數、枝條參數和葉片參數，所述全局參數包括樹高和冠幅，所述主干參數包括基徑、長度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數包括分支級數、半徑、半徑變化、長度、分支角度，所述葉片參數包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。
4.根據權利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟11中，計算冠頂輻射強度包括以下步驟 步驟111 :根據生長區地理位置，采用太陽天文參數計算公式得出太陽幾何參數，即太陽高度角和太陽方位角； 步驟112 :根據太陽幾何參數、生長區氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計算公式，計算冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度； 步驟113 :求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。
5.根據權利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟12中，計算冠層光合有效輻射強度包括以下步驟 步驟121 :以所述植物精細三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值； 步驟122 :以所述植物精細三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值； 步驟123 :將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值； 步驟124 :計算并分析得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值。
6.根據權利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟13中，計算冠層凈光合速率包括以下步驟 步驟131 :根據每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計算每片葉總光合速率； 步驟132 :對冠層每片葉總光合速率進行累加，得到整個冠層光合速率； 步驟133 :所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數，得到冠層凈光合速率。
7.根據權利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟14中，計算冠層對PAR截獲能力包括以下步驟 步驟141 :建立一系列不同冠形的植物精細三維模型； 步驟142 :計算各冠層各時刻每片葉截獲的PAR值，從而計算日尺度內冠層平均PAR值； 步驟143 :在計算得到每片葉截獲的PAR值基礎上，將冠層按一定高度間隔進行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內葉對PAR截獲的平均值；然后對一天各時刻每層截獲PAR的平均值，再次進行平均，求日尺度冠層PAR空間分布情況； 步驟144 :計算各冠層各時刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時刻冠層凈光合速率求平均值； 步驟145 :把各冠層日尺度冠層平均PAR、冠層平均凈光合速率進行排序，結合冠層內各層PAR分布的均勻性，得出冠層對PAR的截獲能力的大小。
8.根據權利要求7所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于步驟142中日尺度內冠層平均PAR值計算過程為白天每隔一定時間計算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內各模擬時刻的模擬值進行平均得到日尺度冠層平均PAR。
全文摘要
本發明涉及一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，包括以下步驟建立自然生長形的植物精細三維模型，并對其進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；采用天文參數計算法，得出冠頂輻射強度；分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉的PAR值，得到不同時刻冠層PAR空間分布和平均PAR值；結合光合作用模型計算不同冠層的凈光合速率；反復進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率分析冠層對PAR的截獲能力。該方法有利于對植物冠型的科學合理性進行定量分析，進而實現科學合理地對植物進行整型修剪或株型設計。
文檔編號G06F17/50GK102708254SQ20121015493
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者唐麗玉, 林定, 林榮錕, 鄒杰, 陳崇成, 黃洪宇 申請人:福州大學