基于准确光辐射传输的番茄生长结构功能模型研究

摘要

近年来，虚拟植物的研究为作物冠层结构提供了精确的3D几何描述，使得与计算机图形学中用于真实感绘制的光照模型相结合、准确计算作物冠层内的光辐射传输与分布成为可能；在此基础上建立作物生长的结构功能模型，有利于准确模拟光合作用和考察光信号在作物形态建成与发育中的调节作用，也是研究植株形态结构与其生理生态功能相互影响关系的一个有效方法。 本文以温室园艺作物番茄为研究对象，并考虑到光照对其生长发育有较强的影响，建立了基于准确光辐射传输的番茄生长结构功能模型，具体的研究工作包括以下几个方面： 1.建立番茄生长的动态结构与可视化模型，并通过田间试验对模型的参数进行提取，为精确研究冠层内光的辐射传输与分布打下了基础。 2.采用先进的基于层次实例化结构的辐射度模型(HierarchicalInstantiationforRadiosity，简称HI辐射度模型)，作为番茄植株冠层的光辐射传输模型，并对结构模型与HI辐射度模型的关键接口技术进行研究：利用番茄结构模型生成植株场景的层次实例化结构，大大提高了冠层内光辐射传输与分布的计算效率，节省了内存的消耗。采用基于图像的光照技术来获取冠层顶部的入射辐射，该方法是获取温室内复杂光源分布的一种有效方法。采用光谱分析技术，对番茄植株器官的光学特性进行了测定，确定了番茄叶片反射及透射系数。通过上述各项技术将番茄结构模型与HI辐射度模型进行有效融合，能够计算植株上不同位置和不同叶龄3D叶片上的光截获量。 3.在器官水平上，提出并建立了基于准确光辐射传输的番茄结构功能互反馈模型。其中在3D叶片的光截获基础上，建立了物质生产模型-MPRAD(MatterProductionBasedonPlantRad)模型。该研究将植株形态结构-光环境-功能有机融合于一体，使模型真正具备结构功能相互影响、相互反馈的作用机制。 4.提出基于拓扑结构的多植株目标的模型参数估算方法，提高了模型参数估算的稳定性与可靠性，为模型最终得以验证和具有预测功能打下了基础。该方法尤其可用于具有不同拓扑结构，但具有相同遗传特性的作物生长参数的优化研究上。 5.对基于准确光辐射传输的番茄生长模型参数进行了校准和优化，取得较满意的拟合效果，而且光分布计算结果与实际观测数据相吻合；另一方面，与GreenLab基于比尔定律的物质生产模型校准的结果进行了比较，器官汇强等参数一致性较好，进一步验证了模型的正确性和有效性。 6.试验设计了番茄植株生长的两种受光环境，文中对这两种不同辐射截获下的模型参数和植株形态结构进行了比较。结果表明：光照条件影响了器官之间的相对汇强比率，和植株外观形态，从而验证了环境通过生理生态功能对形态结构的反馈作用。 7.在Linux操作系统下，采用面向对象的程序设计方法，设计和实现了番茄生长的结构功能互反馈模拟软件系统，提供命令行和图形界面两种操作方式，并以曲线和文本的方式显示输入输出结果；软件中各功能模块根据用户需求均可独立运行，易于扩展，可推广到其它作物的模拟与研究上。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表清单

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章番茄动态结构模型的参数提取及模拟

第三章结构模型与光辐射传输模型接口的关键技术研究

第四章基于准确光辐射传输的结构功能模型构建及仿真研究

第五章不同光辐射截获下模型校准与形态结构比较研究

第六章结论和建议

参考文献

致谢

附录

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