[发明专利]基于冠层光分布计算的品种分析方法

说明书

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，更具体地涉及一种基于冠层光分布计算的品种分析方法。

背景技术

冠层结构涉及群体光能利用、光合产物分配和库源关系等过程，与产量形成息息相关。比如以冬小麦为例，多年来对冠层上部，特别是旗叶节以上的绿色器官与产量性状的关系，已经有不少研究，较多报道认为穗大小、旗叶鞘和旗叶片性状(包括长、宽、面积、干重等)与穗部生产力有较密切的正相关。另外，光合产量也会因基因型、环境条件和栽培管理措施而异，在栽培措施中，种植密度和株行距的影响更为明显，而种植密度、株行距可以改变群体作物的冠层结构。近年来对叶角、叶姿的效应也有一些研究。多数认为直叶型植株下部叶片光合作用比披叶型强，叶片衰老慢，这在叶面积指数值大时尤为明显，所以高产品种的直立叶比重大。但是，达到光能的充分截获更为重要，在叶面积较小时，只有适度倾斜的叶片才能达到最好的光能截获。小麦在子粒灌浆期间完全暴露在强太阳辐射下，当叶片逐渐衰老和被穗子遮挡时，极端直立的叶片似乎没有多大益处，这与玉米和水稻不同。对水稻来说，不仅上部直立叶的确提供了产量优势，而且某些同时有直立和卷曲叶子的品系也具有较高的辐射利用效率、较大的作物生长速率和较高的产量。因此改良冠层的光能截获是增加产量的重要途径。

但是对于不同作物之间、同一作物不同品种而言，能够影响作物冠层结构的因素很多，比如果实个数、大小、分蘖数、穗粒数、节间长短、粗细、叶片大小、叶倾角等等，这造成了冠层的差异性。有些研究者认为，这些差异性的因素可以分为基本型和生态型两个部分。所谓基本型，是所有理想株型所具有的共性性状，比如水稻的理想株型是基部节间短而粗壮，上位叶直立等。所谓生态型，也可谓条件型，是指因气候生态等环境条件和栽培因素的影响而与之相适应的株型性状，如植株的高度，叶片长宽度等。此外，一些实验证实，不同生长阶段适宜株型的要求也有差别。以水稻为例，分蘖期叶片薄而披散，利于早期的叶面积扩展和快速生长；拔节后至成熟期叶片厚而挺直，群体光合生态生理较优，益于中后期群体生长，最终生物产量和结实率高，易获高产。因此，针对某一作物品种的某一特定时期的冠层结构或者株型，如何量化分析性状因素与最终的光截获或者光合产量之间的关系是个重要的问题，需要考虑的因素很多。但是传统的育种的方法费时费力，且具有一定的盲目性，无法针对某一品种在某一特定的生长环境下做结构与产量之间的量化分析，故需要新的品种分析方法给人们以提供指导。

虚拟植物是近二十年来发展的较为迅速的研究热点之一。植物建模和可视化技术相结合使得人们可以直观的在计算机的数字世界中观察、认识真实世界的植物。虚拟植物的生成有两种方式，可以通过基于植物生长规律的能够体现植物周期性动态生长的动态建模获取，比较有代表性的有法国de Reffye研究员提出的GreenLab模型、美国Lindenmayer提出的L系统；或者通过植物静态模型获得，常见的有三维数字扫描仪获取点云数据重建树木结构、基于图像的树木建模、基于手工交互的建模。这种虚拟植物技术已在农林业科研、计算机游戏设计、三维电影制作等领域有着成功的应用。因此，对于这种具有空间地域性、时间动态变化慢的复杂生命体而言，使用虚拟植物的手段可以在计算机上开展多次虚拟实验，降低实验成本。同时，借助于虚拟植物的手段，分析这些差异性因素与最终光截获或者光合产量之间的关系，可以帮助人们理解品种的差异性，以便改良这些性状因素从而获得最优品种或者理想株型。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于，针对现实世界中品种分析的复杂性问题，提供一种基于冠层光分布计算的品种定量分析评估方法，即量化分析冠层的性状因素与冠层截获的光强之间的关系，从而体现品种结构的差异性，为改良冠层的性状因素以获得高产的品种提供指导。

为实现上述目的，本发明提供一种基于冠层光分布计算的品种分析方法，包括以下步骤：

步骤1：生成或者获取具有三维形态结构的作物结构；

步骤2：模拟所述作物冠层的光环境；

步骤3：计算所述具有三维形态结构的作物对光的截获，从而分析所述作物冠层内各个位置的光强分布；

步骤4：结合叶片层次的光合模型，将所述作物截获的光强转换为所述作物的光合产量，并基于得到的所述光合产量来分析所述作物是否属于最优或理想株型。

其中，步骤1中所述生成或者获取具有三维形态结构的作物结构的步骤是通过三维数字化仪器或基于图像方法进行静态三维重建得到，或者通过植物模型动态生成得到。