CN103116694B - 作物光截获总量实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了作物光合作用技术领域中的一种作物光截获总量实时计算方法。本发明首先采集作物冠层数据并建立作物冠层几何模型；然后计算了作物冠层几何模型中面元的天空可见率；进而计算了面元的光强；最后通过所述面元的光强计算设定时间段内作物的光截获总量。本发明能够实时计算作物光截获总量；为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

Description

作物光截获总量实时计算方法

技术领域

本发明涉及作物光合作用技术领域，特别涉及一种作物光截获总量实时计算方法。

背景技术

采用精准农业模型定量化地研究农田物质循环与能量转化过程对指导精准农业实践具有重要意义。作物冠层光合有效辐射（PAR）分布的模拟是光合作用定量化模拟的关键。作物冠层PAR分布模拟主要分为太阳直射辐射模拟、天空散射辐射模拟以及冠层内部多次散射辐射的模拟三部分。太阳直射辐射模拟、天空散射辐射模拟结果的准确性直接关系到冠层内部多次散射辐射的计算以及最终结果的准确性，而实际上，一些研究已指出，第三部分的多重反射散射辐射计算相对直射辐射与散射辐射而言可忽略。

作物冠层光合有效辐射的日截获总量表示作物冠层内各器官在一天的时间单位内所截获的总的光合有效辐射的总量，进一步与光合效率等参数结合可进行指定冠层的光合作用产量并进行进一步的农业生产分析。

目前对作物冠层光合有效辐射的分析与模拟报道大多停留在光合有效辐射在冠层中分布模拟的准确性上，典型报道如：

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》，该发明建立自然生长形的植物精细三维模型，并对其进行整型修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型；采用天文参数计算法，得出冠顶辐射强度；分别采用光线跟踪算法和龟壳算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布和天空散射PAR空间分布，计算每片叶的PAR值，得到不同时刻冠层PAR空间分布和平均PAR值；结合光合作用模型计算不同冠层的净光合速率；反复进行整型修剪，从日尺度的冠层平均PAR值、PAR空间分布和平均净光合速率分析冠层对PAR的截获能力。该方法有利于对植物冠型的科学合理性进行定量分析，进而实现科学合理地对植物进行整型修剪或株型设计。

博士论文《玉米冠层光合有效辐射三维空间分布模型的构建与验证》给出了玉米冠层瞬时光合有效辐射的模拟方法，并根据模拟结果与实测数据对冠层内光分布进行了相关特征参数的分析。

目前相关报道都是模拟某个时间点的作物冠层光合有效辐射分布情况，其并没有指出如何进行一段时间内作物冠层光合有效辐射按器官/植株/冠层为单位的光截获总量计算方法。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种作物光截获量的计算方法，用来准确计算作物的冠层、作物器官等的光截获量。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了作物光截获总量实时计算方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物几何模型；

S2：计算所述作物几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时间段内作物的光截获总量。

所述步骤S3具体为：

S31：计算设定时刻作物外部的直射光和作物外部的散射光；

S32：通过所述作物外部的直射光计算所述面元上的直射光；

S33：通过所述作物外部的散射光和面元的天空可见率计算面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强。

所述作物外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{\mathrm{direct}}=\frac{R_i{\mathrm{\ρ}}_i}{{\sin \mathrm{\α}}_i}$

其中：

为i时刻的作物外部的直射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α_i为i时刻的太阳高度角。

所述作物外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{\mathrm{diffuse}}=R_i(1-{\mathrm{\ρ}}_i)$

其中：

为i时刻的作物外部的散射光。

所述面元上的直射光的计算公式为：

$I_i^k=R_i^{\mathrm{direct}}\×{\cos \mathrm{\θ}}_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角。

所述面元上的散射光的计算公式为：

$F_i^k=R_i^{\mathrm{diffuse}}\×r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率。

所述面元的光强的计算公式为：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强。

所述光截获总量的计算公式为：

$R=\frac{T}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i^k{s}_k$

其中：

R为光截获总量；

T为设定的时间；

N为将T均分的时间段数量；

s_k为面元k的面积。

（三）有益效果

本发明首先通过作物冠层的实际数据得到作物几何模型；在作物几何模型的基础上得到作物几何模型中各面元的天空可见率；计算了设定时刻作物外部的直射光和作物外部的散射光，进而计算了面元上的直射光和面元上的散射光；在此基础上计算了单位时间内作物的光截获总量。本发明可模拟作物指定部分（如器官、植株、冠层等）单位时间内的光截获总量，在建立几何模型并计算出各面元的天空可见率的前提下，可以实时计算作物光截获总量；为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了准确计算作物的冠层、作物器官等的光截获量，本发明提供了一种作物光截获总量实时计算方法。图1是本发明的流程图，可知，本发明的具体步骤为：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物几何模型；

S2：计算所述作物几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S31：计算设定时刻作物外部的直射光和作物外部的散射光；

S32：通过所述作物外部的直射光计算所述面元上的直射光；

S33：通过所述作物外部的散射光和面元的天空可见率计算面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时间段内作物的光截获总量。

本发明的实施方案具体为：

本发明的目的在于为指定的作物提供一种实时的、多尺度（器官尺度、植株尺度、冠层尺度）的一段时间内所截获的光合有效辐射的计算方法。

1根据实测数据建立作物几何模型

对预计算的实际作物，采用三维数据获取手段获取形态数据，并基于实测形态数据构造作物几何模型，模型中以几何面元为基本单位，作物的器官由面元组成，叶片面元要是双面面元。

玉米数据采集的方法是利用数字化仪将冠层内所有植株生长点，所有植株的叶脉曲线进行获取，基于叶脉曲线将叶片模板几何模型进行安装，最终生成玉米冠层几何模型。

在预研究的群体周围通过复制的方法在周围再建立若干植株，使得预研究群体削弱边际效应。

2作物各面元天空可见率预计算

利用所构造的几何模型，计算模型中各面元的天空可见率，其中叶片面元需计算双面各自的天空可见率r_k，其中k表示第k个面元，其中0<k≤M，M为作物某器官面元总量。

计算天空可见率的方法多以TURTLE模型为基础，如多分辨率半球方法等，冠层中某面元的天空可见率表示当前面元受冠层内其他面元遮挡情况下天空半球的可见比率。

3光截获总量实时计算

3.1设预测量的时间段总长为T，将总时间分为N个时间段，即N+1个时间节点，则每段时间长度为在每个时间节点获取实际的外部光环境数据：各时间节点的外部总辐射R_i与各时间节点的直射光比例ρ_i，i＝0,…,N，进而计算出各时间节点的作物外部直射辐射与散射辐射i=0,…,N；

$R_i^{\mathrm{diffuse}}=R_i(1-{\mathrm{\&rho;}}_i)$

$R_i^{\mathrm{direct}}=\frac{R_i{\mathrm{\&rho;}}_i}{\sin \mathrm{\&alpha;}}$

其中：

为i时刻的作物外部的直射光；

为i时刻的作物外部的散射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α为i时刻的太阳高度角。

3.2根据预模拟的各时间点（年月日时分秒）与地理位置（经纬度），计算太阳光入射方向，并结合各时间点的作物外部直射辐射，计算i时刻的作物内各面元上的直射辐射分布：

$I_i^k=R_i^{\mathrm{direct}}\&times;{\cos \mathrm{\&theta;}}_i^k,$

其中，

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角。

3.3计算时刻i的第k个面元的散射辐射：

$F_i^k=R_i^{\mathrm{diffuse}}\&times;r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率。

3.4将i时刻第k个面元的直射辐射与散射辐射相加即得到该面元该时刻的光合有效辐射值：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强。

4利用各时刻各面元的光强即可计算出作物内指定器官在该时间段T内的光截获总量：

$R=\frac{T}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_i^k{s}_k$

其中：

R为光截获总量；

T为设定的时间；

N为将T均分的时间段数量；

s_k为面元k的面积。

至此完成了时间T内的作物内指定器官的光强截获计算，由于先建立好了作物的几何模型，计算了面元的天空可见率，因此，实际计算中仅为有限项的乘积与求和，且直射光分布计算也可以达到实时，因此，整个计算也可以达到实时效果。

另外，若计算冠层内单个植株或整个冠层的光合有效辐射，将对应器官的光合有效辐射值相加即可。

本发明首先通过作物冠层的实际数据得到作物几何模型；在作物几何模型的基础上得到作物几何模型中各面元的天空可见率；计算了设定时刻作物外部的直射光和作物外部的散射光，进而计算了面元上的直射光和面元上的散射光；在此基础上计算了单位时间内作物的光截获总量。本发明可模拟作物指定部分（如器官、植株、冠层等）单位时间内的光截获总量，在建立几何模型并计算出各面元的天空可见率的前提下，可以实时计算作物光截获总量；为农业研究者进一步对作物的研究工作提供便利。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (1)

1.作物光截获总量实时计算方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：采集作物冠层形态数据并建立作物几何模型；

S2：计算所述作物几何模型的面元的天空可见率；

S3：在步骤S2的基础上计算所述面元的光强；

S4：通过所述面元的光强计算设定时间段内作物的光截获总量；

其中，所述步骤S3具体为：

S31：计算设定时刻作物外部的直射光和作物外部的散射光；

S32：通过所述作物外部的直射光计算所述面元上的直射光；

S33：通过所述作物外部的散射光和面元的天空可见率计算面元上的散射光；

S34：通过所述面元上的直射光和面元上的散射光得到面元的光强；

所述作物外部的直射光的计算公式为：

$R_i^{direct}=\frac{R_i{\mathrm{\&rho;}}_i}{{\mathrm{sin\&alpha;}}_i}$

其中：

为i时刻的作物外部的直射光；

R_i为i时刻的外部总光强；

ρ_i为i时刻的直射比例；

α_i为i时刻的太阳高度角；

所述作物外部的散射光的计算公式为：

$R_i^{diffuse}=R_i(1-{\mathrm{\&rho;}}_i)$

其中：

为i时刻的作物外部的散射光；

所述面元上的直射光的计算公式为：

$I_i^k=R_i^{direct}\&times;{\mathrm{cos\&theta;}}_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的直射光；

为i时刻的第k个面元法向与直射光入射方向的夹角；

所述面元上的散射光的计算公式为：

$F_i^k=R_i^{diffuse}\&times;r_k$

其中：

为i时刻的第k个面元上的散射光；

r_k为第k个面元上的天空可见率；

所述面元的光强的计算公式为：

$R_i^k=I_i^k+F_i^k$

其中：

为i时刻的第k个面元的光强；

所述光截获总量的计算公式为：

$R=\frac{T}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{R}_i^k{s}_k$

其中：

R为光截获总量；

T为设定的时间；

N为将T均分的时间段数量；

s_k为面元k的面积。