本發(fā)明涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?，尤其涉及一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種采用保護地耕作方法的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，有望成為應(yīng)對人口增長導(dǎo)致的全球糧食需求不斷升級的有益措施；傳統(tǒng)種植模式向日光溫室內(nèi)栽培模式的轉(zhuǎn)變，能夠為每個種植壟提供了更長的距離，提高了機械化作業(yè)的效率，如起壟、覆膜、播種、種植和收割。

2、三維模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)用建筑，如溫室和畜禽舍的優(yōu)化設(shè)計，三維模擬技術(shù)可以可視化模擬種植壟向改變造成的小氣候參數(shù)的差異，以評估新的種植模式對生產(chǎn)環(huán)境的影響是積極的還是消極的。

3、相關(guān)技術(shù)中，通過流體力學(xué)方法對溫室的建筑結(jié)構(gòu)進行仿真，無法反映溫室模型在真實環(huán)境下的變化特性，而通過深度學(xué)習(xí)方法進行溫室環(huán)境模擬時依賴較大的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)進行建模，對于還未進行大規(guī)模推廣的新種植模式，難以獲取較大數(shù)據(jù)量，另外，傳統(tǒng)熱平衡建模方法均假設(shè)溫室內(nèi)的小氣候要素在空間上的分布是均勻的，忽略了種植管理方式，以及建筑結(jié)構(gòu)對空間分布的影響，導(dǎo)致溫室環(huán)境模擬結(jié)果不準確，影響對溫室內(nèi)栽培模式下的作物生長狀態(tài)的監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)的溫室環(huán)境模擬方法無法有效反映溫室模型在真實環(huán)境下的變化特性，導(dǎo)致溫室環(huán)境模擬結(jié)果不準確的缺陷，提高了溫室小氣候環(huán)境模擬準確率。

2、本發(fā)明提供一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，包括：

3、根據(jù)日光溫室的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和作物冠層尺寸構(gòu)建溫室?guī)缀文Ｐ?，所述幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)包括所述日光溫室的尺寸和所述日光溫室中用于作物種植的壟寬、壟長和壟間距；

4、根據(jù)所述溫室?guī)缀文Ｐ偷膬?nèi)外環(huán)境因素和內(nèi)外幾何結(jié)構(gòu)各自的時空分布特性進行仿真模擬，得到溫室環(huán)境的三維模型；其中，所述內(nèi)外環(huán)境因素包括所述溫室?guī)缀文Ｐ屯獠靠臻g和內(nèi)部空間分別對應(yīng)的光照強度、濕度、溫度、空氣流速和流向。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，所述根據(jù)所述溫室?guī)缀文Ｐ偷膬?nèi)外環(huán)境因素和內(nèi)外幾何結(jié)構(gòu)各自的時空分布特性進行仿真模擬，得到溫室環(huán)境的三維模型包括：

6、在所述溫室?guī)缀文Ｐ偷膬?nèi)外空間計算域內(nèi)求解時均連續(xù)方程、雷諾時均方程、時均能量方程和時均組分運輸方程，得到目標參數(shù)，并根據(jù)所述目標參數(shù)和多個反應(yīng)湍流特性的方程，構(gòu)建標準k-ε湍流模型；所述目標參數(shù)包括壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、水蒸氣濃度參數(shù)；

7、根據(jù)輻射換熱系數(shù)、所述日光溫室的墻體和作物葉片對應(yīng)的熱力學(xué)平均溫度以及有效輻射面積計算出所述作物冠層的凈輻射量；

8、根據(jù)作物的葉片溫度、空氣溫度和空氣動力學(xué)阻力確定所述作物冠層與環(huán)境的顯熱交換量；根據(jù)所述葉片溫度、葉溫下飽和水蒸氣壓、空氣中水蒸氣分壓、葉片氣孔阻力和所述空氣動力學(xué)阻力確定所述作物冠層與環(huán)境的潛熱交換量，并根據(jù)所述作物冠層的凈輻射量、所述顯熱交換量和所述潛熱交換量建立作物與環(huán)境之間的暫穩(wěn)態(tài)平衡模型；

9、根據(jù)所述葉溫下飽和水蒸氣壓、所述空氣中水蒸氣分壓、葉邊界層水蒸氣傳導(dǎo)率確定所述作物冠層的葉片結(jié)露速率；根據(jù)經(jīng)驗常數(shù)，露點溫度、空氣密度和空氣溫度確定水蒸氣液化速率；

10、根據(jù)所述葉片結(jié)露速率、所述水蒸氣液化速率、水蒸發(fā)汽化熱和所述顯熱交換量確定空氣中的能量源項；根據(jù)所述葉片結(jié)露速率、所述水蒸氣液化速率和所述潛熱交換量確定空氣中的水蒸氣源項；

11、根據(jù)所述標準k-ε湍流模型、所述暫穩(wěn)態(tài)平衡模型、所述空氣中的能量源項和所述空氣中的水蒸氣源項對所述溫室?guī)缀文Ｐ瓦M行流體動力學(xué)cfd仿真模擬，得到所述溫室環(huán)境的三維模型。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，所述根據(jù)輻射換熱系數(shù)、所述日光溫室的墻體和作物葉片對應(yīng)的熱力學(xué)平均溫度以及有效輻射面積計算出所述作物冠層的凈輻射量包括：

13、根據(jù)下式計算多個輻射量：

14、；

15、其中，tnw、tew、tww、tg、tl、tr分別為每30秒步長內(nèi)計算得到的后墻、東墻、西墻、地面、葉片表面、前屋面的熱力學(xué)平均溫度，k；ts為每小時傳感器測得的天空平均溫度，k；snw、sew、sww、sg、sls、slr分別為后墻、東墻、西墻、地面、冠層對天空、冠層對前屋面的有效輻射面積；τl為前屋面的長波輻射透過率；τs為前屋面的短波輻射透過率；abc為作物冠層對短波輻射的吸收率；rc1為下部葉片對短波輻射的第一次反射率；rc2為下部葉片對短波輻射第二次反射率；為室外太陽輻射強度；

16、根據(jù)下式計算所述多個輻射量對應(yīng)的凈輻射量：

17、；

18、其中，rso為每秒鐘作物冠層區(qū)域吸收的太陽總輻射量；rnw為每秒鐘后墻對作物冠層區(qū)域發(fā)射的凈輻射量；rew為每秒鐘東墻對作物冠層區(qū)域發(fā)射的凈輻射量；rww為每秒鐘西墻對作物冠層區(qū)域發(fā)射的凈輻射量；rgl為每秒鐘地面對葉片的凈輻射量；rls為每秒鐘作物冠層區(qū)域?qū)μ炜瞻l(fā)射的凈輻射量；rlr為每秒鐘作物冠層區(qū)域?qū)η拔菝姘l(fā)射的凈輻射量；vc為作物冠層的體積，vc基于壟寬、壟長、株高和壟數(shù)的乘積確定。

19、根據(jù)本發(fā)明提供的一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，所述標準k-ε湍流模型基于湍流動能方程和湍流耗散率方程確定；

20、其中，所述湍流動能方程通過下式表示：

21、；

22、所述湍流耗散率方程通過下式表示：

23、；

24、其中，k為湍流動能；σk為k的prandtl數(shù)；ε為湍流動能耗散率；sk為湍流動能方程源項；σε為ε的prandtl數(shù)；cε1，cε2，cε3為經(jīng)驗常數(shù)；sε為湍流動能耗散率方程源項；。

25、根據(jù)本發(fā)明提供的一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，所述根據(jù)所述葉溫下飽和水蒸氣壓、所述空氣中水蒸氣分壓、葉邊界層水蒸氣傳導(dǎo)率確定所述作物冠層的葉片結(jié)露速率包括：

26、；

27、其中，為所述葉片結(jié)露速率；為葉面積密度，為空氣密度，p為大氣壓強，gh為葉邊界層水蒸氣傳導(dǎo)率；pvsat(tl)為葉溫下飽和水蒸氣壓；pvair(ta)為空氣中水蒸氣分壓；其中，所述gh基于lewis數(shù)和空氣動力學(xué)阻力確定。

28、根據(jù)本發(fā)明提供的一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法，所述根據(jù)日光溫室的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和作物冠層尺寸構(gòu)建溫室?guī)缀文Ｐ桶ǎ?/p>

29、采用繪圖軟件根據(jù)日光溫室的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和作物冠層尺寸建立1:1比例的溫室?guī)缀文Ｐ?；所述繪圖軟件包括cad或iecm。

30、本發(fā)明還提供一種考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬系統(tǒng)，包括：

31、第一模擬單元，用于根據(jù)日光溫室的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和作物冠層尺寸構(gòu)建溫室?guī)缀文Ｐ?，所述幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)包括所述日光溫室的尺寸和所述日光溫室中用于作物種植的壟寬、壟長和壟間距；

32、第二模擬單元，用于根據(jù)所述溫室?guī)缀文Ｐ偷膬?nèi)外環(huán)境因素和內(nèi)外幾何結(jié)構(gòu)各自的時空分布特性進行仿真模擬，得到溫室環(huán)境的三維模型；其中，所述內(nèi)外環(huán)境因素包括所述溫室?guī)缀文Ｐ屯獠靠臻g和內(nèi)部空間分別對應(yīng)的光照強度、濕度、溫度、空氣流速和流向。

33、本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)如上述任一種所述考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法。

34、本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述任一種所述考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法。

35、本發(fā)明還提供一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述任一種所述考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法。

36、本發(fā)明提供的考慮壟向的日光溫室小氣候三維模擬方法及系統(tǒng)，通過日光溫室的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和作物冠層尺寸構(gòu)建溫室?guī)缀文Ｐ?；通過溫室?guī)缀文Ｐ偷膬?nèi)外環(huán)境因素和內(nèi)外幾何結(jié)構(gòu)各自的時空分布特性進行仿真模擬，得到溫室環(huán)境的三維模型，提高了溫室小氣候環(huán)境模擬準確率，進而提高了對溫室內(nèi)栽培模式下的作物生長狀態(tài)的效率。