玉米冠层光合有效辐射三维空间分布模型的构建与验证

【摘要】：植物冠层内的辐射分布特征是影响植物生长及田间生态活动的重要环境因素,变化非常活跃,并且这种变化是在三维空间上发生的。在三维空间上,依据光传播的物理原理,进行植物冠层内光传输与分布的模拟,可以建立机理性的植物冠层内辐射分布模型,模拟结果比传统的一维模型更精确、更丰富。随着植物冠层的三维结构及植物功能与结构互作方面研究的发展,这种三维的植物冠层内辐射分布模型在植物生长的生理生态模拟和分析、植被遥感解译和虚拟植物模型研究等领域,具有强大的生命力和应用前景。 本文的主要研究目的是建立玉米冠层内光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)三维空间分布的模拟模型。主要内容如下: (1)利用三维数字化仪在田间测定玉米冠层内植株的三维空间坐标,建立了玉米冠层三维空间结构的分析方法和面元划分方法。根据光的直线传播原理,计算辐射在冠层内三维空间上传播和受冠层内面元截获的过程,建立了PAR 在玉米冠层内三维空间上分布的模拟模型。其中,利用投影和Z-buffer 算法建立了玉米冠层内太阳直射辐射(光斑)的三维空间模拟模型;利用Turtle天空可见率计算方法建立了冠层内入射散射辐射的三维空间模拟模型;并建立了冠层内PAR 入射总辐射的合成方法。 (2)建立三维虚拟再现模型,实现了玉米冠层内PAR 直射辐射、散射辐射和总辐射的三维空间分布模拟结果的三维可视化显示,增强了模型的表达能力。 (3)利用模拟结果对冠层内辐射组成的变化进行了初步分析。在PAR 波段,晴天条件下,玉米冠层内总辐射的分布主要决定于太阳直接辐射的分布;作物冠层内直射辐射强度变化比较剧烈,散射辐射变化则平缓得多。 (4)设计实施了玉米冠层内PAR 三维空间分布的测定试验,实现了玉米冠层内PAR 三维空间分布模型的试验检验。结果表明,用冠层内PAR 入射总辐射代替PAR 总辐射,本文所建立的模型对平均PAR 光量子通量密度(PPFD)、透光率和光斑面积变化等冠层辐射分布特征具有很好的模拟效果。 (5)本文还根据实测数据对玉米冠层内PAR 三维空间分布特征进行了分析,结果表明:在生长中后期,玉米冠层底部PAR 透光率很低,冠层PAR 透光率遵从随LAI 指数递减的变化规律,但在不同日照时间和天气条件下指数系数不同;光斑内的PAR 透光率在不同冠层深度变化较小,但光斑面积在冠层中下部很低;阴天时冠层深处PAR 强度大大降低。 玉米冠层内PAR 三维空间分布模型具有明确的物理依据,其计算过程和输入输出变量均为确定性的。该模型系统在短波辐射波段(绿色植物的反射率和透射率低)具有普适性,即只要有某一植物的三维冠层结构作为输入,就可以实现某一时刻(太阳位置)植物冠层内光分布的模拟。