玉米冠層光合有效輻射三維空間分布模型的構(gòu)建與驗證.pdf

1、植物冠層內(nèi)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(jù)光傳播的物理原理,進行植物冠層內(nèi)光傳輸與分布的模擬,可以建立機理性的植物冠層內(nèi)輻射分布模型,模擬結(jié)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(jié)構(gòu)及植物功能與結(jié)構(gòu)互作方面研究的發(fā)展,這種三維的植物冠層內(nèi)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(lǐng)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(nèi)光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)三維空間分布的模擬模型.主要內(nèi)容如下: (1)利用三維數(shù)字化儀在田間測定玉米冠層內(nèi)植株的三維空間坐標,建立了玉米冠層三維空間結(jié)構(gòu)的分析方法和面元劃分方法.根據(jù)光的直線傳播原理,計算輻射在冠層內(nèi)三維空間上傳播和受冠層內(nèi)面元截獲的過程,建立了PAR在玉米冠層內(nèi)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(nèi)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(nèi)入射散射輻射的三維空間模擬模型;并建立了冠層內(nèi)PAR入射總輻射的合成方法. (2)建立三維虛擬再現(xiàn)模型,實現(xiàn)了玉米冠層內(nèi)PAR直射輻射、散射輻射和總輻射的三維空間分布模擬結(jié)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(jié)果對冠層內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shè)計實施了玉米冠層內(nèi)PAR三維空間分布的測定試驗,實現(xiàn)了玉米冠層內(nèi)PAR三維空間分布模型的試驗檢驗.結(jié)果表明,用冠層內(nèi)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(jù)實測數(shù)據(jù)對玉米冠層內(nèi)PAR三維空間分布特征進行了分析,結(jié)

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(shù)遞減的變化規(guī)律,但在不同日照時間和天氣條件下指數(shù)系數(shù)不同;光斑內(nèi)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(nèi)PAR三維空間分布模型具有明確的物理依據(jù),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(jié)構(gòu)作為輸