專利名稱：基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及虛擬植物及全球環(huán)境變化技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法。
背景技術(shù)：
虛擬植物即應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，是近20年來隨著信息技術(shù)進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的研究領(lǐng)域。隨著全球溫室效應(yīng)的日益加劇，森林系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的作用日益顯著，而生物量則是森林系統(tǒng)固碳能力的重要標(biāo)志。目前森林生物量三種估算方法中遙感技術(shù)手段可快速、無損、相對(duì)準(zhǔn)確地估算生物量，并可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期、無間斷地宏觀觀測(cè)，因而在全球碳循環(huán)研究中應(yīng)用最為廣泛。森林機(jī)理模型作為遙感手段的一種技術(shù)方式，其可描述不同時(shí)空尺度下植被生長(zhǎng)過程，如光合過程、呼吸作用、植物的分解與氧分循環(huán)等，它是根據(jù)植物生理、生態(tài)學(xué)原理，通過對(duì)太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程和植物冠層蒸散與光合作用相伴隨的植物體及土壤水分散失的過程進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陸地植被生產(chǎn)力的估算。機(jī)理模型僅側(cè)重描述植物生理生態(tài)過程，而森林生物量積累的過程中其幾何形態(tài)變化與生理生態(tài)過程變化相輔相成，因此森林生物量變化估算應(yīng)將其幾何形態(tài)與生理生態(tài)過程無縫結(jié)合以提高估算精度。虛擬植物即應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，是近20年來隨著信息技術(shù)進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的研究領(lǐng)域，因而利用虛擬植物技術(shù)可在計(jì)算機(jī)中模擬各種不同樹種、樹齡、樹木的森林環(huán)境。因此，采用虛擬植物技術(shù)手段將森林幾何模型和機(jī)理模型結(jié)合并應(yīng)用于生物量變化估算可提高現(xiàn)有方法的測(cè)量精度。1.國(guó)內(nèi)研究水平
森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%以上，它是森林固碳能力的重要標(biāo)志，也是評(píng)估森林碳收支的重要參數(shù)。森林生物量的變化反映了森林的演替、人類活動(dòng)、自然干擾、氣候變化和大氣污染等影響，是量度森林結(jié)構(gòu)和功能變化的重要指標(biāo)。目前森林生物量及凈生長(zhǎng)測(cè)量方法主要分為三種地面實(shí)測(cè)法、材積轉(zhuǎn)換法、遙感估算法。地面實(shí)測(cè)法通常采用皆伐法、標(biāo)準(zhǔn)木法、標(biāo)準(zhǔn)枝法確定實(shí)地測(cè)量的目標(biāo)，之后通過測(cè)量其干、莖、枝、葉生物量推算森林生物量。地面實(shí)測(cè)法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但測(cè)量精度較高，僅適宜于小范圍林分的測(cè)量。 材積轉(zhuǎn)換法是一種利用林分生物量與木材材積比值的平均值乘以該森林類型的總蓄積量得到森林總生物量的方法。材積轉(zhuǎn)換法可將森林生物量測(cè)量從樣地尺度到區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換提供技術(shù)支撐，其技術(shù)手段也日趨成熟，但針對(duì)部分森林的估算模型還有待更為深入的驗(yàn)證和探討。森林區(qū)遙感圖像信息是由其反射光譜特征決定的，而植物光譜特性可反映植物葉綠素含量和生長(zhǎng)狀況。通過建立葉綠素含量與生物量的關(guān)系可估算植物及群落生物量，因此，采用遙感技術(shù)手段可用來估算森林植物生物量。遙感技術(shù)手段在大尺度森林生物量及凈生長(zhǎng)量估算上有著其他方法不可替代的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域森林生物量生產(chǎn)力和碳循環(huán)狀況長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、連續(xù)估算和預(yù)測(cè)。2.存在的問題目前常見的三種森林生物量估算方法中，地面實(shí)測(cè)法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且具有破壞性；材積轉(zhuǎn)換法需以森林資產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，且材積與生物量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系與樹木的年齡、種類、林分密度、立地條件等因素有關(guān)，因此應(yīng)用時(shí)難以同時(shí)保證效率及精度。遙感方法精度受數(shù)據(jù)源、建模方法影響較大，且通常僅考慮植被機(jī)理模型，而忽略植被結(jié)構(gòu)模型與功能模型之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有森林生物量估算方法忽略植被結(jié)構(gòu)模型與機(jī)理模型間聯(lián)動(dòng)關(guān)系的缺陷， 本發(fā)明的目的是提供一種基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法。本發(fā)明的一種基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟10 獲取模擬植物形態(tài)參數(shù)、紋理，以植物生長(zhǎng)規(guī)律和參數(shù)化L-系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應(yīng)用于植物生物量積累，建立植物結(jié)構(gòu)-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計(jì)算得到的參數(shù)值反饋于植物結(jié)構(gòu)模型，開展某一生長(zhǎng)周期或若干個(gè)生長(zhǎng)周期的植物生長(zhǎng)發(fā)育模擬；將生長(zhǎng)發(fā)育之后的植物幾何結(jié)構(gòu)模型再次進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復(fù)，動(dòng)態(tài)地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內(nèi)植物體的生長(zhǎng)生物量。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述步驟11的具體實(shí)現(xiàn)流程如下步驟111 利用模擬區(qū)域經(jīng)緯度、高程及大氣參數(shù)計(jì)算某一時(shí)刻冠層頂部的直射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)；步驟112 以所述的植物幾何模型、直射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬冠層任意三維位置太陽直射及天空散射分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)冠層中各葉片太陽輻射強(qiáng)度值；步驟113 確定植物對(duì)象的光合特性參數(shù)，并計(jì)算模擬周期內(nèi)環(huán)境因子瞬時(shí)值，采用非直角雙曲線單葉光合作用方程計(jì)算單葉光合作用速率，并通過對(duì)虛擬冠層內(nèi)所有葉片累加得到虛擬冠層光合作用速率；步驟114 在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)的多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)依據(jù)步驟112計(jì)算各葉片太陽輻射強(qiáng)度值，同時(shí)采用步驟113得到冠層總光合作用速率，之后結(jié)合植物的暗呼吸模型估算植物同化物產(chǎn)生量；步驟115 在樹木內(nèi)同化物分配模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建植物結(jié)構(gòu)-功能模型。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述步驟10中建立植物幾何結(jié)構(gòu)模型包括以下步驟步驟 101 通過文獻(xiàn)查找或野外實(shí)測(cè)收集輻射實(shí)驗(yàn)樹種的枝條拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息；步驟102 根據(jù)所述枝干拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息，提取L-系統(tǒng)規(guī)則；步驟103 對(duì)葉片進(jìn)行曲面精細(xì)建模，獲取葉片點(diǎn)位與索引坐標(biāo)，并同L-系統(tǒng)規(guī)則結(jié)合，使之按一定分布規(guī)律掛接在枝干上， 生成植物幾何結(jié)構(gòu)模型。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述述的枝干拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息包括枝下高、分枝模式、 分枝角度、枝條增長(zhǎng)率與增粗率、葉片方位角、葉片傾角以及葉片在枝干上分布密度。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射直射包括以下步驟步驟51 利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)樹木三維幾何模型空間剖分，并確定太陽直射光線的投射數(shù)量、能量及方向；步驟52 植物幾何模型三角面片化；步驟53 遍歷跟蹤光線集合， 采用光線跟蹤法判斷與光線相交的樹木體元模型體元；步驟M 遍歷相交體元內(nèi)的三角面片，判斷與光線相交的三角面片并將其光合有效輻射直射能量值設(shè)為步驟111所確定的能量值；步驟55 重復(fù)步驟51至步驟M，直至完成生長(zhǎng)周期內(nèi)所有時(shí)間節(jié)點(diǎn)的太陽光合有效輻射直射模擬計(jì)算。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射天空散射包括以下步驟步驟61 確定冠層頂部太陽光合有效輻射天空散射能量值；步驟62 遍歷虛擬植物結(jié)構(gòu)模型中的三角面元，并在葉器官面元正上方創(chuàng)建半球穹頂；步驟63 計(jì)算葉器官面元穹頂天空可見率，結(jié)合冠頂太陽光合有效輻射天空散射能量值計(jì)算葉器官面元天空散射輻射值；步驟64 遍歷虛擬植物幾何結(jié)構(gòu)模型中的每個(gè)葉器官面元，重復(fù)步驟61至步驟 64。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述步驟113中虛擬冠層光合作用速率的計(jì)算包括以下步驟
步驟71 通過權(quán)利要求5和6中的方法計(jì)算虛擬冠層內(nèi)單葉光合有效輻射能量值，該能量值包括太陽直接輻射和天空散射輻射；步驟72 利用非直角雙曲線單葉光合作用模型計(jì)算單葉光合作用速率；步驟73 建立以時(shí)間為因變量的單葉光合作用速率變化曲線；步驟74 通過對(duì)冠層中所有單葉累加得到虛擬冠層總光合作用速率。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述步驟115中的同化物在植物內(nèi)的分配方法包括以下步驟步驟81 確定植物各類型器官匯強(qiáng)值及擴(kuò)展率；步驟82 計(jì)算某生長(zhǎng)周期內(nèi)植物的同化物需求量及供給量；步驟83 當(dāng)植物同化物需求量大于供給量時(shí)，植物模型中以F為代表的基本節(jié)點(diǎn)單元對(duì)象按潛在擴(kuò)展率進(jìn)行擴(kuò)展，并進(jìn)行同化物分配，該同化物分配是以節(jié)點(diǎn)總的同化物需求量為權(quán)重參與分配；步驟84 以植物某生長(zhǎng)周期為時(shí)間單位，對(duì)植物各節(jié)點(diǎn)內(nèi)器官逐一進(jìn)行同化物分配，計(jì)算植物器官體積變化值，并生成新的植物器官。在本發(fā)明一實(shí)施例中，上述步驟115中構(gòu)建植物結(jié)構(gòu)-功能互反饋模型包括以下步驟以虛擬植物結(jié)構(gòu)模型和功能模型為基礎(chǔ)，在每一個(gè)生長(zhǎng)周期時(shí)間單位內(nèi)進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，以估算植物同化物積累量，并進(jìn)行分配得到虛擬植物幾何模型，從而引起植物幾何結(jié)構(gòu)上的變化，之后將變化參數(shù)傳入并更新植物的L-系統(tǒng)規(guī)則，最終生成生長(zhǎng)后的植物結(jié)構(gòu)模型并估算植物生物量的變化值。


圖1基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法技術(shù)流程示意圖。圖2太陽直射PAR模擬技術(shù)流程圖。圖3太陽散射PAR模擬技術(shù)流程圖。圖4生長(zhǎng)周期內(nèi)生物量分配技術(shù)流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟10 獲取模擬植物形態(tài)參數(shù)、紋理，以植物生長(zhǎng)規(guī)律和參數(shù)化L-系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應(yīng)用于植物生物量積累， 建立植物結(jié)構(gòu)-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計(jì)算得到的參數(shù)值反饋于植物結(jié)構(gòu)模型，開展某一生長(zhǎng)周期或若干個(gè)生長(zhǎng)周期的植物生長(zhǎng)發(fā)育模擬；將生長(zhǎng)發(fā)育之后的植物幾何結(jié)構(gòu)模型再次進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復(fù)，動(dòng)態(tài)地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內(nèi)植物體的生長(zhǎng)生物量。下面為了讓一般技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，我們對(duì)上述的一些模的建立方法做簡(jiǎn)單介紹 (1)基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建
虛擬植物即應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，其目前主要有2種建模方法參數(shù)化、L-系統(tǒng)?；贚-系統(tǒng)的植物建模方法強(qiáng)調(diào)蘊(yùn)涵在樹木生長(zhǎng)發(fā)育背后的驅(qū)動(dòng)過程或內(nèi)部因子，因而其適宜于模擬自然植物或森林的生長(zhǎng)發(fā)育過程?；贚-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法通過總結(jié)出自然界生長(zhǎng)的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律，采用L-系統(tǒng)字符迭代衍生虛擬植物模型，其建模過程如下
在L-系統(tǒng)公理中規(guī)則表達(dá)枝下高和主干的輪枝結(jié)構(gòu)，并對(duì)各分枝規(guī)則描述。f精確量測(cè)模擬植物對(duì)象各分枝的半徑和長(zhǎng)度信息，總結(jié)各級(jí)枝條增粗率及增長(zhǎng)率，通過設(shè)置各級(jí)分枝的分枝角度參數(shù)實(shí)現(xiàn)植物模型枝干的形態(tài)控制。f開展單葉片精細(xì)建模，以葉片分布密度、分布規(guī)律為基礎(chǔ)設(shè)置矩陣變換函數(shù)并進(jìn)行葉片分布模擬。S依據(jù)實(shí)測(cè)的植物高度，冠幅進(jìn)行模型大小尺度控制，生成植物幾何結(jié)構(gòu)模型。(2)基于虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射直射模擬
植物冠層內(nèi)葉片光合作用效率的計(jì)算是植物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，而冠層內(nèi)光的截獲與分布是植物光合作用模型的關(guān)鍵變量。目前植物冠層太陽輻射截獲模擬方法主要分為三種，包括比爾定律、光線跟蹤法和輻射度方法。由于冠層結(jié)構(gòu)是影響太陽輻射分布和冠層光合作用的主要因素，所以冠層三維模型的精度決定了植物冠層光能截獲模擬的精度。 比爾定律方法假設(shè)植物冠層組分為混濁介質(zhì)，且空間隨機(jī)分布，因而冠層模型與真實(shí)植物冠層差異顯著。采用參數(shù)化L-系統(tǒng)建立的虛擬植物模型可逼真地模擬植物在三維空間上的形態(tài)分布情況，因而適宜應(yīng)用于植物冠層太陽直射光合有效輻射模擬。光線跟蹤算法原理簡(jiǎn)單，適用范圍廣泛，能應(yīng)用于各種植物冠層輻射模擬，但該算法與輻射度算法均存在計(jì)算量大的缺點(diǎn)，其算法中存在大量的遞歸和求交運(yùn)算，因而需通過限制光線投放條數(shù)或減少光線跟蹤次數(shù)以減少算法運(yùn)算時(shí)間。虛擬植物冠層太陽光合有效輻射直射模擬基于虛擬植物冠層真實(shí)三維模型，采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)光線跟蹤算法模擬太陽直射光合有效輻射在虛擬植物冠層內(nèi)傳播過程，以構(gòu)建虛擬冠層光合有效輻射三維分布傳輸模型。首先根據(jù)日期和時(shí)間計(jì)算對(duì)應(yīng)地區(qū)太陽高度角，并結(jié)合赤緯角、經(jīng)度和緯度計(jì)算相應(yīng)太陽方位角。之后以太陽高度角和天頂角為輸入?yún)?shù)計(jì)算冠層頂部晴天天氣條件下太陽直接輻射。采用自適應(yīng)八叉樹方法剖分冠層三維模型，以冠層三維模型為基礎(chǔ)確定與最小太陽投射平面，并進(jìn)一步確定光線平面上光線的數(shù)量、方向及能量。逐一對(duì)光線投射平面上的光線實(shí)施光線跟蹤算法，判斷光線與冠層三維模型相交的情況，當(dāng)光線與冠層三維模型中三角面片第一次相交時(shí)則將光線能量賦給相交的三角面片。太陽光合有效輻射直射模擬技術(shù)流程如圖2所示。(3)基于虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射散射模擬
太陽入射于植物冠層內(nèi)的太陽光合有效輻射可分為直射、天空散射及葉片散射三部分，其中直接輻射及天空散射輻射是冠層輻射光的主要來源，而綠色植物由于其冠層內(nèi)光合有效輻射的反射率和透射率都較低，故冠層內(nèi)部散射輻射較小，冠層內(nèi)光合有效輻射模式時(shí)常將葉片散射忽略。天空散射輻射的分布模式受所處區(qū)域天氣狀況的影響很大，具體可以分成三種類型，即各向異性分布、環(huán)日式分布、晴空各向異性分布。太陽散射輻射半球分布模式外業(yè)實(shí)地測(cè)量十分困難，且陰天天氣條件下太陽天空散射輻射在半球方向變化相對(duì)較小，因此研究時(shí)常將太陽散射輻射分布模式假設(shè)為各向同性分布。天空散射輻射從天空半球各方向入射至植物冠層，冠層內(nèi)各葉片的天空散射輻射該葉片上半球各方向天空散射輻射總和。影響植物冠層內(nèi)天空散射輻射分布的因素包括植物冠層組分的結(jié)構(gòu)(包括葉傾角分布、葉密度等)以及天空散射在天空不同方向上的分布模式。虛擬植物冠層的太陽光合有效輻射散射模擬基于虛擬植物冠層真實(shí)三維模型，采用TurtL-e算法模擬太陽散射光合有效輻射在虛擬冠層內(nèi)傳播過程，以構(gòu)建虛擬冠層光合有效輻射三維分布傳輸模型。首先根據(jù)日期和時(shí)間計(jì)算對(duì)應(yīng)地區(qū)太陽高度角，并結(jié)合赤緯角、經(jīng)度和緯度計(jì)算相應(yīng)太陽方位角。之后以太陽高度角和天頂角為輸入?yún)?shù)計(jì)算冠層頂部晴天天氣條件下太陽天空散射輻射。采用自適應(yīng)八叉樹方法剖分虛擬冠層三維模型，逐一對(duì)冠層三維模型中所有三角面片進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)三角面片為葉器官面片時(shí)以面片中心為中心點(diǎn)創(chuàng)建半球穹頂，判斷半球中心平面上方所有冠層三角面片對(duì)葉器官面片的遮蔽率，遮蔽率與冠層頂部的乘積即為相應(yīng)葉器官面片的太陽天空散射輻射值。太陽光合有效輻射散射模擬技術(shù)流程如圖3所示。(4)基于虛擬植物的冠層光合作用速率計(jì)算
植物冠層的光合作用模型可分為大葉模型和多層模型，前者是將冠層簡(jiǎn)化為一個(gè)伸展的葉子，后者則在單葉尺度上充分考慮環(huán)境因子及葉片生理特性垂直差異。傳統(tǒng)的冠層光合作用模型中引入了葉面積指數(shù)、葉片分布函數(shù)等參數(shù)，因?yàn)楣趯庸夂献饔门c太陽入射輻射分布密切相關(guān)。采用數(shù)學(xué)函數(shù)和相關(guān)參數(shù)(如葉面積指數(shù))等方法描述植物幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)太陽輻射三維空間分布誤差較大，而基于光線跟蹤算法可準(zhǔn)確計(jì)算冠層三維結(jié)構(gòu)內(nèi)單葉片尺度上太陽輻射光強(qiáng)，因而可提高冠層光合作用估算精度。虛擬植物冠層光合作用速率計(jì)算基于太陽光合有效輻射直射、散射模擬結(jié)果，首先逐一循環(huán)冠層三維模型各葉器官，葉片直射輻射和散射輻射之和即為葉片輻射總量。以日長(zhǎng)、地方時(shí)、最高氣溫時(shí)刻為自變量模擬指定區(qū)域氣溫日變量正弦曲線。以氣溫、露點(diǎn)溫度為輸入變量計(jì)算指定區(qū)域絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和飽和水汽壓差。以凌晨、清晨、下午5點(diǎn)樹冠頂部C02濃度為基礎(chǔ)，分別采用正弦曲線、余弦曲線模擬0點(diǎn)至8點(diǎn)、8點(diǎn)至次日凌晨?jī)蓚€(gè)時(shí)間段內(nèi)冠層頂部C02濃度值。以單葉片光合有效輻射總量、氣溫、空氣濕度及C02濃度為自變量，采用非直角雙曲線單葉光合作用模型計(jì)算葉片量子效率和理論最大光合作用速率。逐一對(duì)冠層內(nèi)所有單葉片計(jì)算光合作用速率，累計(jì)平均后即為冠層平均光合作用速率。 在不同的時(shí)間循環(huán)上述過程，即可模擬虛擬植物不同時(shí)刻冠層光合作用速率。(5)基于虛擬植物的結(jié)構(gòu)-功能互反饋模型構(gòu)建
植物幾何結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因子為其生理生態(tài)過程，而對(duì)植物生理生態(tài)過程建模的方法即為功能模型。植物結(jié)構(gòu)模型與功能模型相互影響，相互關(guān)聯(lián)，因而植物結(jié)構(gòu)模型和功能模型的耦合模型可真實(shí)地模擬植物生長(zhǎng)發(fā)育的全過程。因?yàn)長(zhǎng)-系統(tǒng)的字符迭代過程與植物生長(zhǎng)過程相符，節(jié)點(diǎn)符號(hào)能作為模擬植物結(jié)構(gòu)模型的合理基本單元，且為過程化的模型，所以適合將其作為虛擬植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。在其基礎(chǔ)上建立以基于虛擬冠層PAR模擬的冠層光合作用模型為核心的虛擬植物功能模型，模型強(qiáng)調(diào)光合作用對(duì)碳的同化和呼吸作用對(duì)碳的分解作用。將植物的生物量積累量同植物的生長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，建立起結(jié)構(gòu)-功能模型間的信息收集與反饋模塊，從而構(gòu)建出基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)-功能模型?；谔摂M植物的結(jié)構(gòu)-功能互反饋模型構(gòu)建首先在結(jié)構(gòu)模型中將L-系統(tǒng)中的字符‘F’解釋為葉元(包括枝條、葉片和芽)，其包括生命年齡、匯強(qiáng)、擴(kuò)展率等功能模型參數(shù)信息，葉元為虛擬植物結(jié)構(gòu)-功能模型中信息交流的基本單元。將植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程在時(shí)間上離散化，并將其分為多個(gè)生長(zhǎng)周期，在每個(gè)離散的生長(zhǎng)周期內(nèi)開展光合作用積累量計(jì)算。進(jìn)入下個(gè)生長(zhǎng)周期之前進(jìn)行生物量的分配，首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)尺度的分配，即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的生命年齡、匯強(qiáng)值、器官擴(kuò)展率等參數(shù)信息計(jì)算某一節(jié)點(diǎn)的生物量需求量。將節(jié)點(diǎn)生物量需求量作為生物量分配權(quán)重，求得其生物量的實(shí)際分配量。其次，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行基于器官尺度的生物量分配時(shí)，將分配量轉(zhuǎn)化為植物器官的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化值，之后傳入L-系統(tǒng)規(guī)則集合中進(jìn)行規(guī)則更新，以用于生成新的植物結(jié)構(gòu)模型。下一生長(zhǎng)周期的功能參數(shù)計(jì)算則基于新的植物結(jié)構(gòu)模型，如此循環(huán)即形成了一個(gè)基于L-系統(tǒng)的植物結(jié)構(gòu)-功能互反饋模型，生長(zhǎng)周期內(nèi)生物量分配技術(shù)流程圖如圖4所示。更具體的，本實(shí)施例我們總結(jié)基于虛擬植物的生物量變化估算方法具體步驟如下
1)獲取一定年齡階段模擬植物對(duì)象的形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)。2)設(shè)計(jì)模擬植物對(duì)象的L-系統(tǒng)規(guī)則，隨著迭代步長(zhǎng)的增大，其規(guī)則能忠實(shí)于植物分枝模式和器官出現(xiàn)先后順序。3)利用建模軟件(如3ds max等)對(duì)葉片等特殊器官精細(xì)建模，獲取器官模型點(diǎn)位坐標(biāo)與構(gòu)網(wǎng)坐標(biāo)索引并進(jìn)行歸一化處理。在L-系統(tǒng)規(guī)則解析過程中，將建模獲得的器官與枝條組合，生成植物幾何結(jié)構(gòu)模型。4)根據(jù)模擬的精度要求，將模擬周期分段離散化，確定各周期內(nèi)輻射點(diǎn)時(shí)刻值。5)根據(jù)模擬區(qū)域的經(jīng)緯度、高程和大氣透明系數(shù)計(jì)算某時(shí)刻太陽光合有效輻射的直射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)，并以其作為冠層頂部太陽輻射強(qiáng)度。6)在各模擬周期時(shí)間節(jié)點(diǎn)上開展虛擬冠層光合有效輻射直射模擬，確定葉片尺度的太陽有效輻射(PAR)的直射輻射在冠層內(nèi)的三維分布。7)植物幾何結(jié)構(gòu)模型保持不變的情況下，通過推算單葉上的天空可見率以計(jì)算單葉上太陽光合有效輻射散射強(qiáng)度，結(jié)合單葉上的直射光強(qiáng)，可獲得某時(shí)間節(jié)點(diǎn)虛擬冠層中葉片總輻射強(qiáng)度值。8)設(shè)置模擬植物對(duì)象的光合作用特性參數(shù)，獲取模擬各周期內(nèi)環(huán)境因子瞬時(shí)數(shù)值。采用非直角雙曲線單葉光合作用方程對(duì)單葉光合作用速率進(jìn)行計(jì)算，并將虛擬冠層中所有葉片的光合作用速率進(jìn)行累加，得到虛擬冠層光合作用速率。9)依據(jù)7)中某時(shí)間節(jié)點(diǎn)太陽輻射強(qiáng)度值，在生命周期內(nèi)多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)多次模擬， 通過積分估算該生長(zhǎng)周期內(nèi)植物生長(zhǎng)生物量變化。10)在植物生長(zhǎng)周期結(jié)束時(shí)，利用基于L-系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)-功能模型對(duì)植物生長(zhǎng)生物量進(jìn)行分配，通過修改植物L(fēng)-系統(tǒng)規(guī)則中的參數(shù)，并將其反饋于植物幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型， 得到新的植物幾何結(jié)構(gòu)模型。11)在新周期內(nèi)重復(fù)第4)至第10)步。
12)重復(fù)第11)步，直到進(jìn)行了所有生長(zhǎng)周期的模擬，估算模擬周期內(nèi)植物生物量
變化值。以下是使用說明
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于，包括以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟10 獲取模擬植物形態(tài)參數(shù)、紋理，以植物生長(zhǎng)規(guī)律和參數(shù)化L-系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立植物幾何模型；步驟11 然后以植物幾何結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射直射和天空散射，并將其應(yīng)用于植物生物量積累，建立植物結(jié)構(gòu)-功能反饋模型；步驟12 將功能模型計(jì)算得到的參數(shù)值反饋于植物結(jié)構(gòu)模型，開展某一生長(zhǎng)周期或若干個(gè)生長(zhǎng)周期的植物生長(zhǎng)發(fā)育模擬；將生長(zhǎng)發(fā)育之后的植物幾何結(jié)構(gòu)模型再次進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復(fù)，動(dòng)態(tài)地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內(nèi)植物體的生長(zhǎng)生物量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟11的具體實(shí)現(xiàn)流程如下步驟111 利用模擬區(qū)域經(jīng)緯度、高程及大氣參數(shù)計(jì)算某一時(shí)刻冠層頂部的直射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)；步驟112 以所述的植物幾何模型、直射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬冠層任意三維位置太陽直射及天空散射分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)冠層中各葉片太陽輻射強(qiáng)度值；步驟113 確定植物對(duì)象的光合特性參數(shù)，并計(jì)算模擬周期內(nèi)環(huán)境因子瞬時(shí)值，采用非直角雙曲線單葉光合作用方程計(jì)算單葉光合作用速率，并通過對(duì)虛擬冠層內(nèi)所有葉片累加得到虛擬冠層光合作用速率；步驟114 在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)的多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)依據(jù)步驟112計(jì)算各葉片太陽輻射強(qiáng)度值，同時(shí)采用步驟113得到冠層總光合作用速率，之后結(jié)合植物的暗呼吸模型估算植物同化物產(chǎn)生量；步驟115 在樹木內(nèi)同化物分配模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建植物結(jié)構(gòu)-功能模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟10中建立植物幾何結(jié)構(gòu)模型包括以下步驟步驟101 通過文獻(xiàn)查找或野外實(shí)測(cè)收集實(shí)驗(yàn)樹種的枝條拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息； 步驟102 根據(jù)所述枝干拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息，提取L-系統(tǒng)規(guī)則； 步驟103 對(duì)葉片進(jìn)行曲面精細(xì)建模，獲取葉片點(diǎn)位與索引坐標(biāo)，并同L-系統(tǒng)規(guī)則結(jié)合，使之按一定分布規(guī)律掛接在枝干上，生成植物幾何結(jié)構(gòu)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法，其特征在于所述的枝干拓?fù)渑c幾何結(jié)構(gòu)信息包括枝下高、分枝模式、分枝角度、枝條增長(zhǎng)率與增粗率、葉片方位角、葉片傾角以及葉片在枝干上分布密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于虛擬植物生物量變化估算方法，其特征在于，所述步驟 11中虛擬冠層光合有效輻射直射包括以下步驟步驟51 利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)樹木三維幾何模型空間剖分，并確定太陽直射光線的投射數(shù)量、能量及方向；步驟52 植物幾何模型三角面片化；步驟53 遍歷跟蹤光線集合，采用光線跟蹤法判斷與光線相交的樹木體元模型體元； 步驟M 遍歷相交體元內(nèi)的三角面片，判斷與光線相交的三角面片并將其光合有效輻射直射能量值設(shè)為步驟111所確定的能量值；步驟55 重復(fù)步驟51至步驟M，直至完成生長(zhǎng)周期內(nèi)所有時(shí)間節(jié)點(diǎn)的太陽光合有效輻射直射模擬計(jì)算。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟11中虛擬冠層光合有效輻射天空散射包括以下步驟步驟61 確定冠層頂部太陽光合有效輻射天空散射能量值；步驟62 遍歷虛擬植物結(jié)構(gòu)模型中的三角面元，并在葉器官面元正上方創(chuàng)建半球穹頂；步驟63 計(jì)算葉器官面元穹頂天空可見率，結(jié)合冠頂太陽光合有效輻射天空散射能量值計(jì)算葉器官面元天空散射輻射值；步驟64 遍歷虛擬植物幾何結(jié)構(gòu)模型中的每個(gè)葉器官面元，重復(fù)步驟61至步驟63。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟113中虛擬冠層光合作用速率的計(jì)算包括以下步驟步驟71 通過權(quán)利要求5和6中的方法計(jì)算虛擬冠層內(nèi)單葉光合有效輻射能量值，該能量值包括太陽直接輻射和天空散射輻射；步驟72 利用非直角雙曲線單葉光合作用模型計(jì)算單葉光合作用速率；步驟73 建立以時(shí)間為因變量的單葉光合作用速率變化曲線；步驟74 通過對(duì)冠層中所有單葉累加得到虛擬冠層總光合作用速率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于，所述步驟115中的同化物在植物內(nèi)的分配方法包括以下步驟步驟81 確定植物各類型器官匯強(qiáng)值及擴(kuò)展率；步驟82 計(jì)算某生長(zhǎng)周期內(nèi)植物的同化物需求量及供給量；步驟83:當(dāng)植物同化物需求量大于供給量時(shí)，植物模型中以F為代表的基本節(jié)點(diǎn)單元對(duì)象按潛在擴(kuò)展率進(jìn)行擴(kuò)展，并進(jìn)行同化物分配，該同化物分配是以節(jié)點(diǎn)總的同化物需求量為權(quán)重參與分配，其中F解釋為葉元，其包括枝條、葉片和芽；步驟84:以植物某生長(zhǎng)周期為時(shí)間單位，對(duì)植物各節(jié)點(diǎn)內(nèi)器官逐一進(jìn)行同化物分配， 計(jì)算植物器官體積變化值，并生成新的植物器官。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的基于虛擬植物的植物生物量變化估算方法，其特征在于所述步驟115中構(gòu)建植物結(jié)構(gòu)-功能互反饋模型包括以下步驟以虛擬植物結(jié)構(gòu)模型和功能模型為基礎(chǔ)，在每一個(gè)生長(zhǎng)周期時(shí)間單位內(nèi)進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，以估算植物同化物積累量，并進(jìn)行分配得到虛擬植物幾何模型，從而引起植物幾何結(jié)構(gòu)上的變化，之后將變化參數(shù)傳入并更新植物的L-系統(tǒng)規(guī)則，最終生成生長(zhǎng)后的植物結(jié)構(gòu)模型并估算植物生物量的變化值。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有森林生物量估算方法忽略植被結(jié)構(gòu)模型與機(jī)理模型間聯(lián)動(dòng)關(guān)系的缺陷，公開了一種基于虛擬植物的植物生長(zhǎng)生物量變化估算方法首先獲取模擬植物形態(tài)參數(shù)、紋理，以植物生長(zhǎng)規(guī)律和參數(shù)化L-系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立植物幾何模型；然后，以植物幾何結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤法模擬虛擬冠層光合有效輻射，并將其應(yīng)用于植物生物量積累，建立植物結(jié)構(gòu)-功能反饋模型；之后將功能模型計(jì)算得到的參數(shù)值反饋于植物結(jié)構(gòu)模型，開展某一生長(zhǎng)周期或若干個(gè)生長(zhǎng)周期的植物生長(zhǎng)發(fā)育模擬。將生長(zhǎng)發(fā)育之后的植物幾何結(jié)構(gòu)模型再次進(jìn)行虛擬冠層光合有效輻射模擬，如此反復(fù)，動(dòng)態(tài)地開展輻射模擬，最后估算模擬周期內(nèi)植物生長(zhǎng)的生物量。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102314546SQ201110146120
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者唐麗玉, 林郁欣, 鄒杰, 陳剛, 陳崇成 申請(qǐng)人:福州大學(xué)