玉米冠層光合有效輻射三維空間分布模型的構建與驗證.pdf

1、植物冠層內的輻射分布特征是影響植物生長及田間生態(tài)活動的重要環(huán)境因素,變化非常活躍,并且這種變化是在三維空間上發(fā)生的.在三維空間上,依據光傳播的物理原理,進行植物冠層內光傳輸與分布的模擬,可以建立機理性的植物冠層內輻射分布模型,模擬結果比傳統(tǒng)的一維模型更精確、更豐富.隨著植物冠層的三維結構及植物功能與結構互作方面研究的發(fā)展,這種三維的植物冠層內輻射分布模型在植物生長的生理生態(tài)模擬和分析、植被遙感解譯和虛擬植物模型研究等領域,具有強大的生命

2、力和應用前景.該文的主要研究目的是建立玉米冠層內光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)三維空間分布的模擬模型.主要內容如下: (1)利用三維數字化儀在田間測定玉米冠層內植株的三維空間坐標,建立了玉米冠層三維空間結構的分析方法和面元劃分方法.根據光的直線傳播原理,計算輻射在冠層內三維空間上傳播和受冠層內面元截獲的過程,建立了PAR在玉米冠層內三維空間上分布的模擬模型.其中,利用投影和

3、Z-buffer算法建立了玉米冠層內太陽直射輻射(光斑)的三維空間模擬模型;利用Turtle天空可見率計算方法建立了冠層內入射散射輻射的三維空間模擬模型;并建立了冠層內PAR入射總輻射的合成方法. (2)建立三維虛擬再現模型,實現了玉米冠層內PAR直射輻射、散射輻射和總輻射的三維空間分布模擬結果的三維可視化顯示,增強了模型的表達能力. (3)利用模擬結果對冠層內輻射組成的變化進行了初步分析.在PAR波段,晴天條件下,玉米冠層內總輻射的分

4、布主要決定于太陽直接輻射的分布;作物冠層內直射輻射強度變化比較劇烈,散射輻射變化則平緩得多. (4)設計實施了玉米冠層內PAR三維空間分布的測定試驗,實現了玉米冠層內PAR三維空間分布模型的試驗檢驗.結果表明,用冠層內PAR入射總輻射代替PAR總輻射,該文所建立的模型對平均PAR光量子通量密度(PPFD)、透光率和光斑面積變化等冠層輻射分布特征具有很好的模擬效果. (5)該文還根據實測數據對玉米冠層內PAR三維空間分布特征進行了分析,結

5、果表明:在生長中后期,玉米冠層底部PAR透光率很低,冠層PAR透光率遵從隨LAI指數遞減的變化規(guī)律,但在不同日照時間和天氣條件下指數系數不同;光斑內的PAR透光率在不同冠層深度變化較小,但光斑面積在冠層中下部很低;陰天時冠層深處PAR強度大大降低.玉米冠層內PAR三維空間分布模型具有明確的物理依據,其計算過程和輸入輸出變量均為確定性的.該模型系統(tǒng)在短波輻射波段(綠色植物的反射率和透射率低)具有普適性,即只要有某一植物的三維冠層結構作為輸