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基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法

閱讀：1027發(fā)布：2020-08-30

專利匯可以提供基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務。并且本 發(fā)明 涉及一種基于虛擬 植物 的冠層對光合有效 輻射 截獲能 力 分析方法，包括以下步驟：建立自然生長形的植物精細三維模型，并對其進行整型 修剪 ，形成不同冠型的植物精細三維模型；采用天文參數計 算法 ，得出冠頂輻射強度；分別采用 光線 跟蹤 算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉的PAR值，得到不同時刻冠層PAR空間分布和平均PAR值；結合光合作用模型計算不同冠層的凈光合速率；反復進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率分析冠層對PAR的截獲能力。該方法有利于對植物冠型的科學合理性進行定量分析，進而實現科學合理地對植物進行整型修剪或株型設計。，下面是基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法專利的具體信息內容。

1.一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：包括以下步驟：
步驟10：采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；
步驟11：根據生長區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度；
步驟12：分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
步驟13：結合單葉光合作用模型，計算不同冠層的凈光合速率；
步驟14：反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力。
2.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：在步驟10中，建立植物精細三維模型包括以下步驟：
步驟101：輸入待分析冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息；
步驟102：根據所述葉幾何信息，采用NURBS參數曲面進行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細三維模型；
步驟103：根據所述冠層特征參數和枝干系統拓撲結構信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統三維模型，并把葉精細三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統上，形成自然生長形的植物精細三維模型；
步驟104：采用ParaTree單樹建模工具軟件，對自然生長形的植物精細三維模型進行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型。
3.根據權利要求2所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：所述冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息包括全局參數、主干參數、枝條參數和葉片參數，所述全局參數包括樹高和冠幅，所述主干參數包括基徑、長度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數包括分支級數、半徑、半徑變化、長度、分支角度，所述葉片參數包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。
4.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：在步驟11中，計算冠頂輻射強度包括以下步驟：
步驟111：根據生長區(qū)地理位置，采用太陽天文參數計算公式得出太陽幾何參數，即太陽高度角和太陽方位角；
步驟112：根據太陽幾何參數、生長區(qū)氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計算公式，計算冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度；
步驟113：求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。
5.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：在步驟12中，計算冠層光合有效輻射強度包括以下步驟：
步驟121：以所述植物精細三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值；
步驟122：以所述植物精細三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值；
步驟123：將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值；
步驟124：計算并分析得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值。
6.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：在步驟13中，計算冠層凈光合速率包括以下步驟：
步驟131：根據每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計算每片葉總光合速率；
步驟132：對冠層每片葉總光合速率進行累加，得到整個冠層光合速率；
步驟133：所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數，得到冠層凈光合速率。
7.根據權利要求1所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：在步驟14中，計算冠層對PAR截獲能力包括以下步驟：
步驟141：建立一系列不同冠形的植物精細三維模型；
步驟142：計算各冠層各時刻每片葉截獲的PAR值，從而計算日尺度內冠層平均PAR值；
步驟143：在計算得到每片葉截獲的PAR值基礎上，將冠層按一定高度間隔進行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內葉對PAR截獲的平均值；然后對一天各時刻每層截獲PAR的平均值，再次進行平圴，求日尺度冠層PAR空間分布情況；
步驟144：計算各冠層各時刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時刻冠層凈光合速率求平均值；
步驟145：把各冠層日尺度冠層平圴PAR、冠層平均凈光合速率進行排序，結合冠層內各層PAR分布的均勻性，得出冠層對PAR的截獲能力的大小。
8.根據權利要求7所述的基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于：步驟142中日尺度內冠層平均PAR值計算過程為：白天每隔一定時間計算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內各模擬時刻的模擬值進行平均得到日尺度冠層平均PAR。

說明書全文

基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法

技術領域

[0001] 本發(fā)明涉及農業(yè)信息化和現代農業(yè)技術領域，特別是一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法。

背景技術

[0002] 植物整型修剪是生產栽培與經營管理中非常重要的操作環(huán)節(jié)。整型修剪能夠合理利用空間，提高冠層通風透光以及抗逆能力，保證植物健康生長；整型通過對植株施行相應的修剪措施使之形成符合特定需求的植物形態(tài)結構，構建冠型美觀、姿態(tài)優(yōu)良的觀賞樹形，以此營造錯落有致、渾然天成的園林景觀；修剪能夠調節(jié)植物體內的營養(yǎng)元素，使之種類齊全，比例適當，以滿足植物生長需要，提高花果數量和質量。一般來說，整型修剪貫穿于植物的生長全過程，因此，對植物整型修剪的計算機模擬也成為了數字農業(yè)與數字林業(yè)的重要研究內容之一。植物的整型修剪不僅僅依賴于經驗，還具有很強的科學性與技巧，模擬現實植物的整型修剪操作，需要以相應的科學數據為支撐。近年來，不同樹形對光合有效輻射的吸收、利用也逐漸成為了植物生理生態(tài)學、樹木學、果樹栽培等農、林學科的研究熱點。
[0003] 光合有效輻射（Photosynthetic Active Radiation, PAR）是太陽輻射光譜中能夠被綠色植物的質體色素吸收、轉化以實現物質積累的那部分輻射，其輻射波長介于400-700nm之間。它約占太陽總能量的40%。PAR是植物光合作用的基礎、最重要的資源，是影響生態(tài)系統物質生產和能量轉化的重要生態(tài)因子。PAR在植物冠層分布的模擬研究有助于分析冠形整型修剪的科學性和深入理解植物與光環(huán)境之間的交互。
[0004] 目前，研究植物冠層光合有效輻射分布的主要方法有三種：地面實測法、數學模型法、三維模擬法。其中，地面實測法主要是通過具有光電傳感器的冠層分析儀實現，但是由于各種實測客觀條件的限制，不能同時保證實測的空間分辨率和時間分辨率。數學模型法是以輻射在植物冠層的傳播規(guī)律以及植物冠層形態(tài)結構等假設條件為基礎，建立冠層結構參數與生態(tài)因子相結合的輻射傳輸模型，由于實際模型構建參數實時變化且難以獲取，因此數學模型法至今多數局限于理論研究層面。近年來，隨著計算機三維建模與虛擬現實研究的不斷深入，三維模擬法逐漸成為了研究植物冠層光合有效輻射分布的有力工具。
[0005] 植物精細三維模型是冠層對光合有效輻射截獲能力分析的基礎。葉是植物光合作用的主要器官，葉子的位置和方向是影響光分布的主要因子，所以虛擬冠層葉的精細建模是關鍵。目前葉的三維建模方法主要有：基于圖像生成三維模型、基于參數曲面生成三維模型、基于三維幾何造型系統建模。后兩種方法均可生成精細的三維模型，能滿足冠層輻射模擬的需要。植被或森林生長的計算機建模和可視化研究可以追溯到上個世紀六十年代。自上個世紀九十年代末以來，國際上掀起了一股以數字化技術為核心的現代農業(yè)高技術研究與開發(fā)熱潮，特別是以農業(yè)生物-環(huán)境信息獲取、農業(yè)過程數字模型與虛擬仿真技術、農業(yè)的數字化設計、管理與控制技術為主要內容的國際數字農業(yè)發(fā)展前沿技術，引起了各國政府、領域專家、技術人員等廣泛關注，一些成果在農業(yè)發(fā)達國家逐漸走向示范和推廣應用階段。目前，有一定影響力的虛擬植物系統軟件有：SpeedTree、Bionatics公司的虛擬植物系列產品、Xfrog、OnyxTree、LMS 以及主要用于學術研究的AMAP系列模塊和L-Studio等。我國虛擬植物研究始于20世紀90年代，比較有代表性的有趙春江研究團隊開發(fā)的農作物生長模擬三維場景整合平臺，自動化所中法聯合實驗室LIAMA的青園GreenLab、福建省空間信息工程研究中心陳崇成研究團隊開發(fā)的OntoPlant。目前具有國產背景虛擬植物軟件尚未形成產品化與商業(yè)化應用，與國際同類研究相比還有一定差距。ParaTree交互式單樹建模工具軟件是OntoPlant系列軟件的單樹建模軟件。它是一款面向專業(yè)用戶和普通用戶使用的全參數化單樹幾何建模工具。系統可參數化、交互式地定制不同樹種、年齡、物候階段、形態(tài)結構的真實感單株植物三維模型，還可形象地模擬枝條修剪過程。
[0006] 植物冠層截獲PAR瞬時能量即為某一時刻冠層葉子截獲PAR的總和，單位為μmol* s-1，而植物冠層獲得PAR平均能量為冠層所截獲的瞬時能量除以總葉面積，單位為μmol*m-2*s-1。植物對PAR的吸收與葉面積相關，冠層頂部葉子越多，光合有效輻射吸收的面積也越大，冠層截獲的太陽PAR瞬時能量也越大；但是，冠層外部的葉子將會對冠層內部葉子形成遮擋，導致冠層內部葉子的光合作用弱而呼吸作用強（消耗能量），影響植物生長與生產。因此，需采用植物冠層獲得PAR平均值與單位面積凈光合速率作為光合有效輻射截獲能力的評價指標。
[0007] 由于太陽位置實時變化，導致各時刻的太陽光合有效輻射強度值也各不相同，即冠層在某一時刻截獲的太陽PAR平均能量并不能全面解釋冠層對PAR的截獲能力，因此，需對比分析某一時間段內的多組實驗數據才能說明冠層對光合有效輻射的截獲能力。

發(fā)明內容

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，該方法有利于對植物冠型的科學合理性進行定量分析，進而實現科學合理地對植物進行整型修剪或株型設計。
[0009] 本發(fā)明的目的是這樣實現的：一種基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，包括以下步驟：步驟10：采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；
步驟11：根據生長區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度；
步驟12：分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
步驟13：結合單葉光合作用模型，計算一定時段內不同冠層的凈光合速率；
步驟14：反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力，追尋一種通風透光的科學合理的冠型。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是提供了一種定量分析植物冠型的科學合理性的方法，克服了傳統植物整型修剪或株型設計中存在的只能通過長期野外觀測、實驗或經驗知識來定性說明冠型修剪合理性的問題，不僅有利于減小不合理修剪帶來的損失，而且以三維形式直觀表示修剪后的株型，可以精確預見修剪的效果。附圖說明
[0011] 圖1是本發(fā)明實施例的實現流程示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明實施例中采用ParaTree單樹建模工具軟件建立植物精細三維模型的流程圖。

具體實施方式

[0013] 本發(fā)明基于虛擬植物的冠層對光合有效輻射截獲能力分析方法，如圖1所示，包括以下步驟：步驟10：采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長形的植物精細三維模型，其實現流程如圖2所示，并對自然生長形的植物精細三維模型進行整型修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型；
步驟11：根據生長區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關天文參數計算算法，計算得出不同時刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強度；
步驟12：分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
步驟13：結合單葉光合作用模型，計算一定時段內不同冠層的凈光合速率；
步驟14：反復對植物模型進行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對PAR的截獲能力，追尋一種通風透光的科學合理的冠型。
[0014] 在步驟10中，建立植物精細三維模型包括以下步驟：步驟101：輸入待分析冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息；
步驟102：根據所述葉幾何信息，采用NURBS參數曲面進行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細三維模型，以多邊形形式（三角形或四邊形）表示并轉化為常用三維模型格式，如.obj等；
步驟103：根據所述冠層特征參數和枝干系統拓撲結構信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統三維模型，并把葉精細三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統上，形成自然生長形的植物精細三維模型；
步驟104：采用ParaTree單樹建模工具軟件，對自然生長形的植物精細三維模型進行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細三維模型。
[0015] 上述冠層特征參數、枝干系統拓撲結構信息和葉幾何信息包括全局參數、主干參數、枝條參數和葉片參數，所述全局參數包括樹高和冠幅，所述主干參數包括基徑、長度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數包括分支級數、半徑、半徑變化、長度、分支角度，所述葉片參數包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。
[0016] 在步驟11中，計算冠頂輻射強度包括以下步驟：步驟111：根據生長區(qū)地理位置，即經度緯度，采用太陽天文參數計算公式得出太陽幾何參數，即太陽高度角和太陽方位角；
步驟112：根據太陽幾何參數、生長區(qū)氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計算公式，計算冠頂太陽直射輻射強度和天空散射輻射強度；
步驟113：求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。
[0017] 在步驟12中，計算冠層光合有效輻射強度包括以下步驟：步驟121：以所述植物精細三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值；
步驟122：以所述植物精細三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值；
步驟123：將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值；
步驟124：計算并分析得到不同時刻冠層PAR空間分布和整個冠層平均PAR值；
在步驟13中，計算冠層凈光合速率包括以下步驟：
步驟131：根據每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計算每片葉總光合速率；
步驟132：對冠層每片葉總光合速率進行累加，得到整個冠層光合速率；
步驟133：所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數，得到冠層凈光合速率；
在步驟14中，計算冠層對PAR截獲能力包括以下步驟：
步驟141：根據上述步驟10，建立一系列不同冠形的植物精細三維模型；
步驟142：根據上述步驟12，計算各冠層各時刻每片葉截獲的PAR值，從而計算日尺度內冠層平均PAR值；
步驟143：在計算得到每片葉截獲的PAR值基礎上，將冠層按一定高度間隔進行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內葉對PAR截獲的平均值；然后對一天各時刻每層截獲PAR的平均值，再次進行平圴，求日尺度冠層PAR空間分布情況；
步驟144：根據上述步驟13，計算各冠層各時刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時刻冠層凈光合速率求平均值；
步驟145：把各冠層日尺度冠層平圴PAR、冠層平均凈光合速率進行排序，結合冠層內各層PAR分布的均勻性，得出冠層對PAR的截獲能力的大小。從而分析冠層對PAR的截獲能力，定量分析這些經驗冠型的科學合理性。
[0018] 步驟142中日尺度內冠層平均PAR值計算過程為：白天每隔一定時間計算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內各模擬時刻的模擬值進行平均得到日尺度冠層平均PAR。
[0019] 下面結合具體實施例對上述一些模型的建立及分析方法作進一步的說明。
[0020] 1、冠層精細三維模型構建植物整型修剪或株型設計是在自然生長形的樹形基礎上進行的。1）根據參數化建模所需的植物形態(tài)結構參數要求，通過野外實測數據、拍攝的照片和經典文獻的收集，獲取自然生長形冠型的形態(tài)結構參數，主要包括樹高、冠幅、主干基徑、主干半徑變化、主干長度、枝條級數，每級枝條的參數包括枝條長度、半徑變化、分支角度、枝條分布，葉大小、形狀、分布位置、分布密度等；2）器官紋理處理，采用PhotoShop這類圖像處理軟件，生成具有Alpha通道的透明效果的器官紋理；3）采用3ds MAX這類幾何造系統建立葉三維模型，轉為通用三維模型格式；4）采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件，首先生成一個默認三維模型，然后根據上述各種參數，調整模型形態(tài)，掛接葉的精細三維模型，映射上器官紋理，生成自然生長形植物精細的三維模型；5）在自然生長形模型基礎上，根據整型修剪的經驗知識，利用ParaTree交互式單樹建模工具軟件編輯功能，對枝條、枝段進行編輯，形成各種冠型的精細三維模型。采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件建立植物精細三維模型流程如圖2所示。
[0021] 以3年生桃樹整型修剪及冠層對PAR截獲能力分析為實施例。
[0022] 自然生長形的形態(tài)結構參數如表1所示。先通過參數約束生成模型基本骨架，然后采用各枝干長度分布曲線、半徑分布曲線、彎曲控制曲線、密度分布曲線進一步調整，形成自然長生形枝干系統。
[0023] 表1 桃樹自然生長形模型的枝干系統參數表
本實施例中桃樹葉精細三維建模采用3ds MAX軟件，首先創(chuàng)建一個長方形平面，設置長和寬；然后確定葉主軸點和邊緣點，調整各控制點，將葉調整成桃樹葉形狀，同時對葉進行彎曲操作，形成精細的葉三維模型。葉用三角形網表示，轉化為.obj格式。根據對冠型分析精度要求不同，選擇不同的三角形數量。本實施例每片葉采用10個三角形表示，同時為了簡化計算復雜度，整株模型采用相同的葉三維模型。然后把葉三維模型導入ParaTree軟件中，掛接于枝干系統上，同時根據野外觀測的相關數據，具體參數如表2所示，調整葉的數量、懸掛位置、角度、分布密度以及葉大小等等，葉分布還采用密度分布曲線、距離分布曲線、大小控制曲線、角度分布曲線來調整葉的分布與形態(tài)，最后形成自然生長形的精細三維模型。
[0024] 表2 葉器官參數表本實施例在自然生長形桃樹模型基礎上，利用ParaTree軟件交互式編輯功能，設計2種自然開心形和2種Y字形的，共5種植物三維模型，分析各種冠型的冠層對光合有效輻射的截獲能力。其中自然開心型1模型由自然生長形模型留4支開張的主枝，疏除冠層的多余主枝與密生枝條獲得；自然開心型2模型由自然生長形模型剪除分支角度小的主枝，留3支角度適宜的主枝；Y字形1模型為自然生長形模型剪枝保留2大主枝獲得，而Y字形2所保留的主枝與Y字形1的2大主枝不同。此5種不同冠型模型基本參數如表3所示。
[0025] 表3 不同樹形模型的基本參數2、冠頂光合有效輻射強度計算
本實施例以福州（東經119度18分，北緯26度5分，高程100米）為生長區(qū)位置，以
2011年9月23日為模擬時段，假設天氣晴朗，模擬時間點從早晨6：00至傍晚17：00，時間間隔1小時，共模擬12次，分別計算各時刻太陽高度角、太陽直射PAR與天空散射PAR。具體參數及計算結果如表4所示。
[0026] 表4 福州2011年9月23日，各時刻光合有效輻射強度模擬數值3、冠層對光合有效輻射截獲能力分析
冠層對光資源利用包括太陽直射和天空散射兩部分。本實施例以上述的5種桃樹冠型為分析對象，以上述冠頂PAR為光進入冠層前的光強，模擬冠層PAR分布并估算日尺度冠層平均PAR和平均凈光合速率。
[0027] 1）冠層對太陽直射PAR截獲能力分析太陽直射PAR采用光線跟蹤算法模擬計算，5種不同樹形模型不同時刻，冠層截獲的平均太陽直射PAR數據結果如表5所示。從表中數據分析可知，自然生長形模型獲得的平均太陽直射PAR最小，而自然開心形2模型與Y字形1模型獲得的平均太陽直射PAR相對較為接近，總體表現為：Y字形 > 自然開心形 > 自然生長形。由于桃樹自然生形模型樹冠呈開張形，且葉數（面片數）較多，接受太陽直射PAR的面積大，因此，自然開心形模型冠層截獲的太陽直射PAR瞬時能量相對較大，但是其獲得的平均太陽直射PAR最小。由于自然生長表模型冠層頂部的葉對冠層中下部葉的遮擋，影響了透光性，導致自然生長形模型對太陽直射PAR平均截獲能力并不高。相對的，自然開心形模型與Y字形模型由于修剪，提高冠層的空間利用率與透光性，所獲得平均直射PAR要高于自然生長形模型。
[0028] 表5 不同樹形模型在不同時刻獲得的平均直射PAR（單位：μmol*m-2*s -1）2）冠層對天空散射PAR截獲能力分析
天空散射采用龜殼算法進行模擬計算，5種不同樹形模型不同時刻，冠層截獲的平均天空散射PAR數據結果如表6所示。對比實驗結果可知，自然生長形模型所獲得的平均天空散射PAR最小，模型獲得的平均天空散射PAR表現為：Y字形2 > Y字形1 >自然開心形2 >自然開心形1 >自然生長形。與太陽直射PAR模擬結果相似，由于桃樹形態(tài)的自然開張，以及自然生長形模型的葉數量相對較多，其冠層截獲的天空散射PAR瞬時能量相對較大。
但是，自然生長形模型冠層的最外層葉對冠層內部的葉的遮擋，導致天穹各方向投射而來的天空散射輻射無法進入冠層內部，自然生長形模型獲得的平均天空散射PAR量也相對較小。因此，不同樹形對天空散射PAR的截獲能力表現為：Y字形 > 自然開心形 > 自然生長形。
-2 -1
[0029] 表6不同樹形模型在不同時刻截獲的平均散射PAR量數值表（單位：μmol*m *s ）3）冠層對PAR截獲能力分析
在上述冠層對太陽直射PAR和天空散射PAR模擬計算結果，可以計算不同樹形模型在一天內截獲的平均PAR值。具體計算結果如表7所示。由表中數據可知，不同樹形模型在一天內截獲的平均光合有效輻射PAR表現為：Y字形2 > 自然開心形2 > Y字形1 > 自然開心形1 > 自然生長形。因此，Y字形模型與自然開心形模型獲得的平均PAR高于自然生長形。
[0030] 表7不同樹形模型一天內獲得的平均光合有效輻射PAR量數據（單位：μmol*m-2*s -1）4）冠層凈光合速率分析
虛擬冠層PAR輻射模擬可以計算每片葉單元（三角形）PAR值，結合單葉光合作用模型，計算冠層凈光合速率。本實施例采用Higgins（1992）提出的單葉凈光合速率公式（公式1）計算單位面積的凈光合速率。不同樹形模型的冠層凈光合速率采用公式2計算。
[0031] （公式1）（公式2）
-2 -1
公式1中Pn為凈光合速率，單位為μmol*m *s ；I為入射的光子能量密度即PAR值；PMax為最大凈光合速率即Pn的最大值；Q為指數曲線的初始斜率；D為暗呼吸速率。
本實施例采用Higgins（1992）等人的研究成果，公式1中，桃樹的相關參數PMax=17.58-2 -1 -2 -1
（μmol*m *s ），Q=0.058，D=2.205（μmol*m *s ）。
[0032] 公式2中Pn為冠層凈光合速率；n為冠層內的葉數量；Pi為葉i的凈光合速率，可由公式1計算獲得；Si為葉片i的葉面積。
[0033] 本實施例采用單位面積的凈光合速率描述冠層對PAR的截獲能力。具體計算結果如表8與表9所示。由表8數據可知，5種不同樹形桃樹在清晨6:00與7:00之間的凈光合速率幾乎都為負值，即此時冠層的呼吸作用要強于光合作用；之后逐漸升高，約在中午12:00到13:00之間達到最大值；最后逐漸減小，在傍晚17:00時回歸負值。對比不同樹形桃樹之間一天內的冠層凈光合速率平均值可知，自然開心形模型的凈光合速率平均值要高于自然生長形模型和Y字形模型。由表9數據可知，不同樹形模型的單位面積凈光合速率表現為：Y字形2 >自然開心形2 > Y字形1 > 自然開心形1 > 自然生長形。因此，合理的整形修剪有利于提高桃樹的單位面積凈光合速率即提高桃樹的光合有效輻射截獲能力。
[0034] 表8 不同樹形模型在不同時刻的冠層凈光合速率結果（單位：μmol*s -1）自然開心形和Y字形都屬于適應桃樹自然特性的樹形，枝干開張、通風良好，光截獲能力強且光照在冠層內分布均勻，十分有利于光合有效輻射吸收利用，桃樹的生產推廣與栽培多涉及這2種樹形。本實施例分析表明，對于不同樹形桃樹模型對光合有效輻射的截獲能力，Y字形模型與自然開心形模型要優(yōu)于自然生長形模型，表現為Y字形 > 自然開心形 > 自然生長形。
[0035] 表9 不同樹形模型在一天內的平均單位面積凈光合速率結果（單位：μmol*m-2*s -1）以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發(fā)明技術方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
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