本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(fù)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(jìn)行了大面積推廣和應(yīng)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(fù)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(dāng)?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(fù)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(duì)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(shí)踐中的技術(shù)瓶頸。因?yàn)榱謨?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(duì)與前期以農(nóng)為主的果農(nóng)間作系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高果農(nóng)間作系統(tǒng)的效益，這就需要建立一個(gè)關(guān)系簡明、精確性高的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)林下太陽輻射時(shí)空動(dòng)態(tài)的綜合性數(shù)學(xué)模型。建立樹冠投影模型，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)樹冠在地面上投影范圍的可視化，還可用來計(jì)算林下遮蔭面積、樹冠投影重疊面積、遮蔭時(shí)間以及遮蔭范圍在任一時(shí)間段內(nèi)的移動(dòng)軌跡。更重要的是，樹冠投影模型的建立為林下任一點(diǎn)的遮光鄰體范圍提供了判定方法，為計(jì)算林下某定點(diǎn)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(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算林下任一點(diǎn)的太陽輻射強(qiáng)度，為研究林下作物的受光特征奠定研究基礎(chǔ)，可為合理規(guī)劃設(shè)計(jì)復(fù)合系統(tǒng)能夠提供科學(xué)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(xué)中光沿直線傳播的原理，認(rèn)為圓柱形樹冠的投影為兩個(gè)半圓與矩形的組合，圓球形樹冠的投影為一個(gè)橢圓，圓錐體樹冠的投影為一個(gè)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(diǎn)：(1)樹冠模型形狀單一，與實(shí)際樹形有所出入，導(dǎo)致模擬精度不夠高。(2)模型變量較多，存在計(jì)算復(fù)雜、工作量大的問題。(3)未能實(shí)現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)林下太陽輻射空間分布與時(shí)間動(dòng)態(tài)的有機(jī)結(jié)合，以及同時(shí)對(duì)單株林木的投影動(dòng)態(tài)進(jìn)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(fù)合系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境模擬等方面的應(yīng)用受到限制。(4)由于日出后、日落前半影效應(yīng)明顯，模型在這段時(shí)期對(duì)實(shí)際陰影的模擬存在較大誤差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(biāo)系，并推導(dǎo)太陽入射光線的向量方程，求解樹冠上任一點(diǎn)投影至地面的坐標(biāo)，結(jié)合太陽視運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得出蘋果樹樹冠投影邊界在不同時(shí)刻的空間坐標(biāo)，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(biāo)系是指以果樹樹冠結(jié)構(gòu)和冠形幾何特征為基礎(chǔ)進(jìn)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(biāo)系是以樹冠中心為坐標(biāo)原點(diǎn)(O)建立空間坐標(biāo)系，則樹冠上任一點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(x,y,z)，然后將坐標(biāo)原點(diǎn)(O)移至樹干基部(O’)，則樹冠上任一點(diǎn)的坐標(biāo)變?yōu)?x′,y′,z′)，且式中，Hcd為樹冠的下半軸高度，Hb為干高。優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述推導(dǎo)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(jì)算，而太陽方位角和天頂角則可通過球面三角學(xué)的計(jì)算來獲得，經(jīng)過代換運(yùn)算，任意時(shí)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(diǎn)投影至地面的坐標(biāo)通過以下數(shù)學(xué)方程表達(dá)為：式中，x＝[-W，+W]，y＝[-W，+W]，z＝[-Hcd,Hcu]，W為樹冠冠幅半徑，Hcd為樹冠的下半軸高度，Hcu為樹冠的上半軸高度，Hb為干高，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，所述樹冠上任一點(diǎn)坐標(biāo)的向量在地面上的坐標(biāo)向量組由太陽光線入射向量決定。優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，根據(jù)所設(shè)定的樹冠上任一點(diǎn)投影至地面的坐標(biāo)，利用下列方程確定單株幼齡蘋果樹樹冠的投影邊界函數(shù)：式中，h為太陽高度角，α為樹冠上頂點(diǎn)至樹冠最大冠幅水平面邊界處構(gòu)成的直線與該平面的夾角，β為樹冠下頂點(diǎn)至樹冠最大冠幅水平面邊界處構(gòu)成的直線與該平面的夾角，a為樹冠中心在地面的投影點(diǎn)的橫坐標(biāo)，b為樹冠中心在地面的投影點(diǎn)的縱坐標(biāo)，k為卵圓的形狀參數(shù)，W為最大冠幅，y″＝l3″4″(x″)是卵圓上半部分和半圓的分界線。優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，所述h、α以及β三個(gè)角度之間的相互關(guān)系為：0≤h<β、β≤h<α或α≤h<90°。優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，在β≤h<α?xí)r，根據(jù)y”與l3”4”的情況，單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界分為兩種情況：當(dāng)y”小于l3”4”時(shí)，樹冠投影邊界為橢圓形；當(dāng)y”大于等于l3”4”時(shí)，樹冠投影邊界為圓形。本發(fā)明上述技術(shù)方案，具有如下有益效果：本發(fā)明的一種單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法，該方法可以科學(xué)確定單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界，可定量解析蘋果樹遮蔭范圍的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化、確定遮光鄰體的空間范圍和數(shù)量，進(jìn)而為蘋果樹下太陽輻射強(qiáng)度的模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，本發(fā)明的確認(rèn)方法模擬精度高，模型變量少，計(jì)算簡單。附圖說明圖1為根據(jù)本發(fā)明的幼齡蘋果樹樹冠冠形及其投影模擬示意圖。圖2A為根據(jù)本發(fā)明的單株幼齡蘋果樹樹冠投影的幾何邊界示意圖。圖2B為根據(jù)本發(fā)明的單株幼齡蘋果樹樹冠投影的幾何邊界投影延伸示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明的單株幼齡蘋果樹樹冠投影的又一幾何邊界示意圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明的單株幼齡蘋果樹樹冠投影的再一幾何邊界示意圖。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，以便于進(jìn)一步理解本發(fā)明。以下實(shí)施例中所有使用的實(shí)驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。本發(fā)明的單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法，現(xiàn)以山西省吉縣(35°53′-36°21′N，110°27′-117°07′E)4年生和6年生的幼齡蘋果樹為例介紹。具體實(shí)施方法：首先，在試驗(yàn)地采用高精度的GPS獲取相應(yīng)的海拔、經(jīng)度、緯度等地理參數(shù)；用樹高儀、米尺測(cè)定樹高、干高、冠幅、樹冠上半軸高、樹冠下半軸高等樹冠特征參數(shù)。間作系統(tǒng)內(nèi)作物在距樹行0.7m處開始種植，株行距為0.35m×0.40m，兩行樹間共種植10行作物，在間作作物開花期測(cè)得蘋果樹的基本參數(shù)如表1所示：表1：基本參數(shù)樹齡/a樹行走向株行距/(m×m)樹高/m冠高/m樹冠上半軸高/m樹冠下半軸高/m冠幅半徑/m4東-西4×53.372.551.850.701.206東-西4×53.822.972.130.841.67注：樹冠上半軸高指樹冠冠幅最寬處所在的水平面距樹冠上部頂點(diǎn)的距離，樹冠下半軸高指樹冠冠幅最寬處所在的水平面距樹冠下部頂點(diǎn)的距離。根據(jù)蘋果樹的樹冠結(jié)構(gòu)和冠形幾何特征建立如圖1所示的空間坐標(biāo)系，先以樹冠中心為坐標(biāo)原點(diǎn)(O)，則樹冠上任一點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(x,y,z)，然后將坐標(biāo)原點(diǎn)(O)移至樹干基部(O’)，則樹冠上任一點(diǎn)的坐標(biāo)變?yōu)?x′,y′,z′)，此時(shí)樹冠上任一點(diǎn)的坐標(biāo)在X軸和Y軸上的空間坐標(biāo)均未改變，僅在Z軸上的空間坐標(biāo)則發(fā)生了變化，即：式中Hcd為樹冠的下半軸高度，Hb為干高。太陽光線的入射向量可根據(jù)太陽方位角和太陽天頂角來計(jì)算，而太陽方位角和天頂角則可通過球面三角學(xué)的計(jì)算來獲得，經(jīng)過一系列的代換運(yùn)算，任意時(shí)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。任意時(shí)刻的太陽高度角和方位角又可通過試驗(yàn)點(diǎn)所在地的地理緯度、赤緯(δ)和時(shí)角(ω)計(jì)算得到：cosh·sinA＝cosδ·sinω(4)赤緯(δ)是太陽入射光線與地球赤道之間形成的角度，不同日期太陽赤緯的計(jì)算公式如下：δ＝0.006918-0.399912·cosθ0+0.069257·sinθ0-0.006758·cos2θ0+0.000907·sin2θ0-0.002697·cos3θ0+0.001480·sin3θ0(6)式中，θ0＝2π·dn/365，dn為距當(dāng)年1月1日的天數(shù)。時(shí)角(ω)指太陽與觀測(cè)者位置所在子午圈之間的角距離，計(jì)算公式：ω＝真太陽時(shí)(小時(shí))×15-180°(7)經(jīng)過太陽入射光線的照射，樹冠上任一點(diǎn)會(huì)在地面留下投影，即樹冠上任一點(diǎn)坐標(biāo)的向量在地面上的坐標(biāo)向量組由太陽光線入射向量決定。根據(jù)坐標(biāo)變換公式及其線性變換，則樹冠上任一點(diǎn)投影至地面的坐標(biāo)可用以下數(shù)學(xué)方程表達(dá)為：式中，x＝[-W，+W]，y＝[-W，+W]，z＝[-Hcd,Hcu]，W為樹冠冠幅半徑，Hcd為樹冠的下半軸高度，Hcu為樹冠的上半軸高度，Hb為干高，h為太陽高度角，A為太陽方位角。根據(jù)太陽高度角、樹冠上頂點(diǎn)至樹冠最大冠幅水平面邊界處構(gòu)成的直線與該平面的夾角(α)、樹冠下頂點(diǎn)至樹冠最大冠幅水平面邊界處構(gòu)成的直線與該平面的夾角(β)三個(gè)角度之間的相互關(guān)系，單株蘋果樹樹冠在地面上的投影主要分為三種情況，因此每種情況下各自對(duì)應(yīng)的樹冠投影邊界函數(shù)。(1)當(dāng)0≤h<β時(shí)，單株蘋果樹樹冠投影的幾何圖形為卵圓形(圖2A、2B)，其中該卵圓形的焦點(diǎn)O"為樹冠中心O的投影，距目標(biāo)樹的最遠(yuǎn)端頂點(diǎn)為樹冠上頂點(diǎn)的投影點(diǎn)(圖2B中點(diǎn)1")、最近端頂點(diǎn)為樹冠下頂點(diǎn)的投影點(diǎn)(圖2B中點(diǎn)2")，此時(shí)其投影邊界函數(shù)為：式中，a為點(diǎn)O"的橫坐標(biāo)，b為點(diǎn)O"的縱坐標(biāo)；k為卵圓的形狀參數(shù)，為點(diǎn)1″至點(diǎn)O"間距離與點(diǎn)O"至點(diǎn)2″間距離的比值，即(2)當(dāng)β≤h<α?xí)r，單株蘋果樹樹冠投影的幾何圖形為卵圓上半部分和一個(gè)內(nèi)切于該卵圓的半圓結(jié)合而成的圖形(圖3)，其中卵圓上半部分是卵球體樹冠上半部表面弧線的投影且頂點(diǎn)為樹冠上頂點(diǎn)的投影(圖3中點(diǎn)1)，圓是樹冠坐標(biāo)系原點(diǎn)(O)在地面上投影點(diǎn)(圖3中點(diǎn)O")為圓心、最大冠幅(W)為半徑構(gòu)成的半圓。根據(jù)此時(shí)單株蘋果樹冠在地面上的投影幾何圖形可知，點(diǎn)3″和4″確定的直線y″＝l3″4″(x″)是卵圓上半部分和半圓的分界線，則此時(shí)的單株蘋果樹樹冠的投影邊界函數(shù)為：式中，a為點(diǎn)O"的橫坐標(biāo)，b為點(diǎn)O"的縱坐標(biāo)；k為點(diǎn)1″至點(diǎn)O"間距離與點(diǎn)O"至點(diǎn)5″間距離的比值，即(3)當(dāng)α≤h<90°時(shí)，單株蘋果樹樹冠投影的幾何圖形為圓(圖4)，即投影邊界是樹冠坐標(biāo)系原點(diǎn)(O)在地面上投影點(diǎn)(圖4中點(diǎn)O")為圓心、最大冠幅(W)為半徑構(gòu)成的圓，其投影邊界函數(shù)為：F(x″,y″)＝(x″-a)2+(y″-b)2-W2＝0(11)式中，a為點(diǎn)O"的橫坐標(biāo)，b為點(diǎn)O"的縱坐標(biāo)。將以上3種情況聯(lián)立即可得到公式(12)：應(yīng)用理論推導(dǎo)的樹冠投影模型計(jì)算，并消除半影效應(yīng)對(duì)投影邊界的影響、利用殘差分析剔除異常值，得到四年生蘋果樹和六年生蘋果樹在大豆開花期一天內(nèi)各時(shí)段的樹冠投影邊界數(shù)值。在大豆開花期，四年生蘋果樹樹冠的東西向投影長度在距目標(biāo)樹4.5m范圍內(nèi)，北向投影長度在距目標(biāo)樹1.6m范圍內(nèi)，南向投影長度在距目標(biāo)樹1.3m范圍內(nèi)；六年生蘋果樹樹冠的東西向投影長度在距目標(biāo)樹5.1m范圍內(nèi)，北向投影長度在距目標(biāo)樹2.1m范圍內(nèi)，南向投影長度在距目標(biāo)樹1.8m范圍內(nèi)。結(jié)合間作系統(tǒng)作物種植區(qū)可知，四年生蘋果樹間作系統(tǒng)遮蔭范圍覆蓋樹行北面3行作物，南面2行；六年生蘋果樹間作系統(tǒng)遮蔭范圍覆蓋樹行北面4行作物，南面3行；六年生蘋果樹間作系統(tǒng)的果樹遮蔭范圍明顯大于四年生蘋果樹間作系統(tǒng)。對(duì)樹冠投影邊界的計(jì)算值和拍照法得到的邊界實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示：表2：相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果時(shí)刻8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00四年生0.872**0.891**0.929**0.921**0.944**0.925**0.924**0.895**0.901**六年生0.891**0.900**0.932**0.930**0.938**0.943**0.931**0.908**0.887**注：**代表顯著性水平為0.01。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明了：四年生蘋果樹和六年生蘋果樹在大豆開花期內(nèi)各時(shí)段的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)均大于0.872(P<0.01)，這就說明利用本發(fā)明方法所建立的單樹蘋果樹樹冠投影邊界模型可以較好的模擬四年生蘋果樹和六年生蘋果樹。綜上所述，本發(fā)明的一種單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界的確定方法，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(biāo)系，并推導(dǎo)太陽入射光線的向量方程，求解樹冠上任一點(diǎn)投影至地面的坐標(biāo)，結(jié)合太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得出蘋果樹樹冠投影邊界在不同時(shí)刻的空間坐標(biāo)，據(jù)此規(guī)律可得單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界函數(shù)。上述方法可以科學(xué)確定單株幼齡蘋果樹樹冠投影邊界，可定量解析蘋果樹遮蔭范圍的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化、確定遮光鄰體的空間范圍和數(shù)量，進(jìn)而為蘋果樹下太陽輻射強(qiáng)度的模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。雖然本發(fā)明已以實(shí)施例公開如上，然其并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種不同的選擇和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。當(dāng)前第1頁1 2 3