[發(fā)明專利]一種單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710164446.1
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106815449A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發(fā)明（設計）人: 畢華興;許華森;蔡智才;王丹;常譯方;段航旗;孫于卜;王曉賢;魏小燕;肖聰穎;楊曉琪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京林業(yè)大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京彭麗芳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11407
• 代理人: 隋勤

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)領域，特別涉及一種單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法。

背景技術(shù)

農(nóng)林復合為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了一種新思路和新理念，在我國進行了大面積推廣和應用。其中，果農(nóng)間作系統(tǒng)是黃土高原地區(qū)主要的農(nóng)林復合模式和農(nóng)業(yè)土地利用方式，在協(xié)調(diào)黃土高原農(nóng)林用地矛盾、提高土地利用率和增加當?shù)剞r(nóng)民收入等方面發(fā)揮著重要作用，并成為水土保持、生態(tài)恢復與重建的有效途徑和技術(shù)措施。

但是，果農(nóng)間作系統(tǒng)往往由于對果樹樹冠投影邊界確定的困難，成為果農(nóng)間作系統(tǒng)在配置模式和配置間距實踐中的技術(shù)瓶頸。因為林內(nèi)太陽輻射是決定生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵，尤其是對與前期以農(nóng)為主的果農(nóng)間作系統(tǒng)。

為了進一步提高果農(nóng)間作系統(tǒng)的效益，這就需要建立一個關(guān)系簡明、精確性高的預測、評價林下太陽輻射時空動態(tài)的綜合性數(shù)學模型。建立樹冠投影模型，不僅可實現(xiàn)對樹冠在地面上投影范圍的可視化，還可用來計算林下遮蔭面積、樹冠投影重疊面積、遮蔭時間以及遮蔭范圍在任一時間段內(nèi)的移動軌跡。更重要的是，樹冠投影模型的建立為林下任一點的遮光鄰體范圍提供了判定方法，為計算林下某定點處的太陽輻射在所有樹冠冠層的傳輸路徑提供了精確的依據(jù)，進而準確計算林下任一點的太陽輻射強度，為研究林下作物的受光特征奠定研究基礎，可為合理規(guī)劃設計復合系統(tǒng)能夠提供科學依據(jù)，也可節(jié)省勞力物力，高效利用農(nóng)業(yè)資源和林業(yè)資源，使農(nóng)、林生產(chǎn)快速發(fā)展。

然而，在現(xiàn)有的樹冠投影模型技術(shù)中，通常將樹木的冠形概括成圓錐體、圓球體、圓柱體等形狀，根據(jù)幾何光學中光沿直線傳播的原理，認為圓柱形樹冠的投影為兩個半圓與矩形的組合，圓球形樹冠的投影為一個橢圓，圓錐體樹冠的投影為一個半圓與三角形的組合，初步模擬樹冠投影形狀，并發(fā)現(xiàn)樹冠投影邊界主要受冠長、冠幅和太陽高度角等影響。

而且，現(xiàn)有技術(shù)還存在以下缺點：(1)樹冠模型形狀單一，與實際樹形有所出入，導致模擬精度不夠高。(2)模型變量較多，存在計算復雜、工作量大的問題。(3)未能實現(xiàn)農(nóng)林復合系統(tǒng)林下太陽輻射空間分布與時間動態(tài)的有機結(jié)合，以及同時對單株林木的投影動態(tài)進行系統(tǒng)模擬分析，造成其在分析投影連續(xù)變化、鄰體干擾及農(nóng)林復合系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境模擬等方面的應用受到限制。(4)由于日出后、日落前半影效應明顯，模型在這段時期對實際陰影的模擬存在較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠準確確定單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法，所述單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法是將正常經(jīng)營的幼齡蘋果樹冠視為卵圓形，建立符合幼齡蘋果樹樹冠實際幾何形體特征的單株蘋果樹樹冠投影邊界模型。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法是根據(jù)單株幼齡蘋果樹樹冠幾何結(jié)構(gòu)，建立樹冠投影三維空間坐標系，并推導太陽入射光線的向量方程，求解樹冠上任一點投影至地面的坐標，結(jié)合太陽視運動規(guī)律可得出蘋果樹樹冠投影邊界在不同時刻的空間坐標，從而得單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界函數(shù)。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述建立樹冠投影三維空間坐標系是指以果樹樹冠結(jié)構(gòu)和冠形幾何特征為基礎進行建模分析。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述建立樹冠投影三維空間坐標系是以樹冠中心為坐標原點(O)建立空間坐標系，則樹冠上任一點的空間坐標為(x,y,z)，然后將坐標原點(O)移至樹干基部(O’)，則樹冠上任一點的坐標變?yōu)?x′,y′,z′)，且

式中，H_cd為樹冠的下半軸高度，H_b為干高。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述推導太陽入射光線的向量方程是根據(jù)太陽方位角和太陽天頂角來計算，而太陽方位角和天頂角則可通過球面三角學的計算來獲得，經(jīng)過代換運算，任意時刻的太陽入射向量S可表示為：

式中，h為太陽高度角，A為太陽方位角。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述求解樹冠上任一點投影至地面的坐標通過以下數(shù)學方程表達為：

式中，x＝[-W，+W]，y＝[-W，+W]，z＝[-Hcd,Hcu]，W為樹冠冠幅半徑，H_cd為樹冠的下半軸高度，H_cu為樹冠的上半軸高度，H_b為干高，h為太陽高度角，A為太陽方位角。