[發明專利]一種作物群體光能空間分布量化方法

有效

• 申請號: 201310405245.8
• 申請日: 2013-09-06
• 公開（公告）號: CN103439299A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 李亞兵;韓迎春;毛樹春;范正義;王國平;馮璐;楊北方
• 申請（專利權）人: 中國農業科學院棉花研究所
• 主分類號: G01N21/59
• 分類號: G01N21/59;G01N21/47
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

技術領域

本發明涉及農業種植業領域，特別是關于一種作物群體光能空間分布量化方法。

背景技術

由于作物群體光能空間分布的量化是一個古老而又未得到有效解決的科學技術問題，因此如何定量冠層內光分布，提高作物冠層受光能力，創造合理的群體結構己成為作物生產和生態系統研究的一個重要領域。Monsi和Saeki（1953）最早將隨機分布介質中的Beer-Lambert光傳播定律應用到植物冠層內的光傳輸研究，假設冠層內葉片隨機分布，按高度層切分成許多層，并測定每一層中的葉面積和光強，從實際測定和理論推導兩個方面建立了光強對葉面積的依賴關系，得到透光率隨向下累積葉面積指數的增加呈指數遞減。由于指數模型簡單、易行，參數易于獲得，在農、林、生態等各有關領域的研究中得到了廣泛的應用，消光系數成為判斷植物群體透光性好壞的經典指標。

隨著研究的不斷深入，人們對植物冠層內光分布的認識也越來越深刻。由于實際植物群體的葉片分布狀況與隨機分布假設不完全相符，許多學者對指數模型進行了不同的修訂和發展，試圖達到更加準確的模擬結果，基于植物冠層結構在空間上的異質性和時間上的動態性，建立了許多植物冠層光傳輸與光分布模型，特別是處理特定冠層結構的一些專用模型：例如將寬行行播作物群體假設成行內隨機分布，或將植物冠層內的單株植物視為葉片隨機分布的一定形狀的空間體，以便用指數模型模擬不同冠層的光分布。然而，在國外作物模型中應用比較廣泛的SAIL（verhoef，1984）模型則把水平分布較均勻的作物冠層沿垂直方向分成不同層次，假設每一層內葉片在水平方向上呈隨機分布，模擬冠層內的光分布。為了更加準確地模擬植株群體組分的非隨機分布對光分布的影響，Ross（1981）提出了葉方位角分布函數(G函數)，把植物的空間結構完全用葉片分布的形式來表達，并對植物群體組分的非隨機分布對冠層光分布的影響進行了詳細論述。上述模型主要是以單一植物群體為對象而建立的光分布模型。隨著研究的繼續深入，人們對復合群體光分布模型開展了拓展性研究；例如Marshall（1983）建立了花生與谷子間作輻射截獲模型，Tappeiner等建立了不同冠層結構植物復合群體的光合作用空間分布模型，Lantinga等（1999）模擬分析了黑麥草與三葉草復合群體中葉面積、光分布和光截獲的垂直分布。隨著計算機信息化技術的迅速發展，人們將現代三維圖形技術和虛擬現實技術中迅速發展起來的輻射度和光線跟蹤技術引進到植物群體內三維空間上的光模擬研究，在三維空間上實現植物群體內輻射分布的精確模擬：例如Wang等（2008）利用計算機圖形學中的投影和Z-buffer算法模擬太陽直接輻射的三維空間分布，用天空立體角積分的Turtle模型計算天空散射輻射的截獲，建立了玉米冠層內光合有效輻射三維空間分布模擬模型，也有學者利用魚眼鏡頭和彩色數字相機分層攝取冠層內葉片上的可見光強度，通過數字圖像分析，用閃光量計算光斑或陰影在冠層內的分布。

上述測定量化方法在冠層內光傳輸與光分布方面取得了很大的進步，為冠層光合生產力的精確模擬與量化奠定了理論基礎，并得到了廣泛的應用；但是以往的冠層光分布模型大都是一維或二維的，通常應用于假設水平均質的作物群體，這與實際作物株型結構的高度空間異質性相悖，不能準確描述空間的分布特點，繼而無法準確量化作物群體空間任意點的光能分布，往往得到偏差較大或者錯誤的結論，對評價作物品種特性、植被生態環境和作物長勢等評價造成錯誤影響。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠對作物群體內光合有效輻射進行精確定位定量分析的作物群體光能空間分布量化方法。