[发明专利]多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法

说明书

本发明涉及一种多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法，包括以下步骤：建立虚拟植物模型并创建高逼真度及复杂度的虚拟植物场景；采用相关天文参数法或实地测量法收集植被冠顶光合有效辐射强度值；采用启数据结构方法依次构建虚拟植被场景单株树木几何模型、场景及地形三个层级数据结构；创建太阳直射和天空散射PAR光线矢量平面，分别采用蒙特卡洛光线跟踪算法和龟壳算法依次跟踪光线平面上各光线矢量，并对场景、单树、及地形三级数据结构分别进行遍历，判断光线与三角面片是否相交，统计各三角面片天空可见率，计算各三角面片太阳直射PAR和天空散射PAR，得到虚拟植物冠层PAR三维空间分布模拟结果。

技术领域

本发明涉及地学、农学、林学和植物学等领域，具体涉及一种多层数据结构的虚植物冠层光合有效辐射分布模拟方法。

背景技术

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叶绿素吸收、转化为物质积累的那部分辐射，其辐射波长介于380nm-710nm之间，约占太阳总能量的40％。自太阳入射于植物冠层的PAR可分为太阳直射PAR、天空散射PAR及叶片多次散射PAR，其中太阳直射及天空散射PAR是冠层内PAR的主要组成部分。植物叶片在PAR波段具有高吸收率、低反射及透射率的特点，因而植物冠层内的叶片多次散射辐射较小。植物叶器官多次散射辐射占冠层总辐射的比例小于10％，植物冠层PAR分布模拟时常忽略植物冠层的多次散射辐射效应。PAR是植物光合作用的基础，植物冠层PAR截获及三维分布测量在农业生产管理、林业经营、科学研究等领域均有着广泛的应用。

目前植物冠层光合有效辐射三维分布测量方法主要有三种：地面实测法、数学模型法、三维模型模拟法。地面实测法采用光合有效辐射观测设备(如SunScan、AccuPAR、SunFleck、TRAC、光合有效辐射计(光量子计)等测量冠顶及冠层内多个位置瞬时或持续光合有效辐射值，并以此为基础计算植物冠层PAR三维分布，实地测量法由于受各种实测客观条件的限制，其测量空间分辨率和时间分辨率不高，因此该方法通常仅可在样地尺度或冠层各高度区间尺度实现植物冠层PAR三维分布测量。数学模型法则建立在经典的辐射传输模型基础上描述植物冠层内PAR分布规律，如比尔定律、一维模型等，由于数学模型法通常对植物冠层内PAR三维分布规律及树木冠层三维结构进行高度简化，因此其PAR三维分布模拟精度不高。近年来，随着虚拟植物技术研究的不断深入，高逼真度虚拟植物几何模型及虚拟植被场景建模成为可能，虚拟植物技术可真实再现植物冠层三维结构，采用光线跟踪法或辐射度方法可模拟跟踪太阳光线在植物冠层内的反射、吸收及透射全过程，因而其可精确计算冠层内任意三维位置的PAR分布量。与其它两种方法相比，三维模型模拟法具有计算结果精度高、可重复多次使用、可模拟多种植被冠层特征、投入小、产出大等优点。