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基于辐射度的虚拟枇杷果园光合有效辐射分布模拟

杨怡斐  
【摘要】:光合有效辐射(Photosynthetic Active Radiation,PAR)为植物光合作用能量获取的主要方式。自太阳入射于植物冠层的PAR可分为太阳直射PAR、天空散射PAR及冠层多次散射PAR,其中太阳直射及天空散射PAR是冠层内PAR的主要组分。地形是果树的载体,地面反射光在冠层内的分布也影响光合作用。本文在利用枇杷三维几何模型构建虚拟枇杷果园的基础上,开展果园冠层内光合有效辐射分布模拟。主要研究内容和成果如下:(1)果园三维场景抽象为由果树和三维地形组成。使用距离倒数权重法(IDW,Inverse Distance Weighted)对地形点云数据进行空间插值,构建地形格网。果树三维模型首先利用点云数据构建枇杷叶精细线框模型,模拟真实叶片起伏与叶簇聚集状态;然后整株木采用研究团队自主研发的ParaTree参数化单树建模软件,根据枇杷形态结构特征参数,建立枝干系统,最后在枝系统上挂接叶器官模型,构建精细枇杷单树几何模型。根据枇杷树种植点位,采用实例化技术把单株木模型“种植”于地形表面,形成虚拟枇杷果园场景。(2)采用CUDA编程模型将果园冠层内光分布模拟并行化处理。采用三维体素遍历方法,线程块并行与线程并行两个层次计算单个树面元与单个光源面元间的遮挡系数。根据枇杷几何模型与光源几何信息,采用三维离散视角因子方法(3D-discrete view factor,3D-DVF),同样利用线程块并行与线程并行两个层次计算辐射能量,从而计算冠层内太阳直射PAR、天空散射PAR以及地形网格反射初始能量值。将地形网格作为光源,与枇杷几何模型再次构建辐射度模型并进行求解,计算枇杷果园冠层内地面反射PAR。将每个面元的以上各项PAR值进行叠加,即得到枇杷果园冠层内每个面元的辐射强度。(3)针对果园场景光辐射模拟计算数据量大,传输次数多的特点,利用Thrust库重新设计三角面元数据结构。CPU读取数据使用内存映射的方式,GPU读取数据使用虚拟统一寻址,从而优化CPU与GPU间的数据传输。(4)模拟不同种植密度、不同地形坡度与不同地形坡向条件下虚拟枇杷果园冠层内PAR分布,结果表明16株种植密度与12株种植密度果园群体冠层内部光分布区别不大;25°地形坡度下的果园群体冠层在一天中截获的光能更多;阴坡果园群体冠层在一日内的平均PAR截获约为阳坡果园群体冠层的65%。


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