[发明专利]基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业信息化和现代农业技术领域，特别是一种基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法。

背景技术

植物整型修剪是生产栽培与经营管理中非常重要的操作环节。整型修剪能够合理利用空间，提高冠层通风透光以及抗逆能力，保证植物健康生长；整型通过对植株施行相应的修剪措施使之形成符合特定需求的植物形态结构，构建冠型美观、姿态优良的观赏树形，以此营造错落有致、浑然天成的园林景观；修剪能够调节植物体内的营养元素，使之种类齐全，比例适当，以满足植物生长需要，提高花果数量和质量。一般来说，整型修剪贯穿于植物的生长全过程，因此，对植物整型修剪的计算机模拟也成为了数字农业与数字林业的重要研究内容之一。植物的整型修剪不仅仅依赖于经验，还具有很强的科学性与技巧，模拟现实植物的整型修剪操作，需要以相应的科学数据为支撑。近年来，不同树形对光合有效辐射的吸收、利用也逐渐成为了植物生理生态学、树木学、果树栽培等农、林学科的研究热点。

光合有效辐射（Photosynthetic Active Radiation, PAR）是太阳辐射光谱中能够被绿色植物的质体色素吸收、转化以实现物质积累的那部分辐射，其辐射波长介于400-700nm之间。它约占太阳总能量的40%。PAR是植物光合作用的基础、最重要的资源，是影响生态系统物质生产和能量转化的重要生态因子。PAR在植物冠层分布的模拟研究有助于分析冠形整型修剪的科学性和深入理解植物与光环境之间的交互。

目前，研究植物冠层光合有效辐射分布的主要方法有三种：地面实测法、数学模型法、三维模拟法。其中，地面实测法主要是通过具有光电传感器的冠层分析仪实现，但是由于各种实测客观条件的限制，不能同时保证实测的空间分辨率和时间分辨率。数学模型法是以辐射在植物冠层的传播规律以及植物冠层形态结构等假设条件为基础，建立冠层结构参数与生态因子相结合的辐射传输模型，由于实际模型构建参数实时变化且难以获取，因此数学模型法至今多数局限于理论研究层面。近年来，随着计算机三维建模与虚拟现实研究的不断深入，三维模拟法逐渐成为了研究植物冠层光合有效辐射分布的有力工具。

植物精细三维模型是冠层对光合有效辐射截获能力分析的基础。叶是植物光合作用的主要器官，叶子的位置和方向是影响光分布的主要因子，所以虚拟冠层叶的精细建模是关键。目前叶的三维建模方法主要有：基于图像生成三维模型、基于参数曲面生成三维模型、基于三维几何造型系统建模。后两种方法均可生成精细的三维模型，能满足冠层辐射模拟的需要。植被或森林生长的计算机建模和可视化研究可以追溯到上个世纪六十年代。自上个世纪九十年代末以来，国际上掀起了一股以数字化技术为核心的现代农业高技术研究与开发热潮，特别是以农业生物-环境信息获取、农业过程数字模型与虚拟仿真技术、农业的数字化设计、管理与控制技术为主要内容的国际数字农业发展前沿技术，引起了各国政府、领域专家、技术人员等广泛关注，一些成果在农业发达国家逐渐走向示范和推广应用阶段。目前，有一定影响力的虚拟植物系统软件有：SpeedTree、Bionatics公司的虚拟植物系列产品、Xfrog、OnyxTree、LMS 以及主要用于学术研究的AMAP系列模块和L-Studio等。我国虚拟植物研究始于20世纪90年代，比较有代表性的有赵春江研究团队开发的农作物生长模拟三维场景整合平台，自动化所中法联合实验室LIAMA的青园GreenLab、福建省空间信息工程研究中心陈崇成研究团队开发的OntoPlant。目前具有国产背景虚拟植物软件尚未形成产品化与商业化应用，与国际同类研究相比还有一定差距。ParaTree交互式单树建模工具软件是OntoPlant系列软件的单树建模软件。它是一款面向专业用户和普通用户使用的全参数化单树几何建模工具。系统可参数化、交互式地定制不同树种、年龄、物候阶段、形态结构的真实感单株植物三维模型，还可形象地模拟枝条修剪过程。

植物冠层截获PAR瞬时能量即为某一时刻冠层叶子截获PAR的总和，单位为μmol* s-1，而植物冠层获得PAR平均能量为冠层所截获的瞬时能量除以总叶面积，单位为μmol*m-2*s-1。植物对PAR的吸收与叶面积相关，冠层顶部叶子越多，光合有效辐射吸收的面积也越大，冠层截获的太阳PAR瞬时能量也越大；但是，冠层外部的叶子将会对冠层内部叶子形成遮挡，导致冠层内部叶子的光合作用弱而呼吸作用强（消耗能量），影响植物生长与生产。因此，需采用植物冠层获得PAR平均值与单位面积净光合速率作为光合有效辐射截获能力的评价指标。