【摘要】：光合有效輻射(Photosynthetic Active Radiation,PAR)為植物光合作用能量獲取的主要方式。自太陽入射于植物冠層的PAR可分為太陽直射PAR、天空散射PAR及冠層多次散射PAR,其中太陽直射及天空散射PAR是冠層內(nèi)PAR的主要組分。地形是果樹的載體,地面反射光在冠層內(nèi)的分布也影響光合作用。本文在利用枇杷三維幾何模型構(gòu)建虛擬枇杷果園的基礎(chǔ)上,開展果園冠層內(nèi)光合有效輻射分布模擬。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)果園三維場景抽象為由果樹和三維地形組成。使用距離倒數(shù)權(quán)重法(IDW,Inverse Distance Weighted)對地形點云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,構(gòu)建地形格網(wǎng)。果樹三維模型首先利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建枇杷葉精細(xì)線框模型,模擬真實葉片起伏與葉簇聚集狀態(tài);然后整株木采用研究團(tuán)隊自主研發(fā)的ParaTree參數(shù)化單樹建模軟件,根據(jù)枇杷形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù),建立枝干系統(tǒng),最后在枝系統(tǒng)上掛接葉器官模型,構(gòu)建精細(xì)枇杷單樹幾何模型。根據(jù)枇杷樹種植點位,采用實例化技術(shù)把單株木模型“種植”于地形表面,形成虛擬枇杷果園場景。(2)采用CUDA編程模型將果園冠層內(nèi)光分布模擬并行化處理。采用三維體素遍歷方法,線程塊并行與線程并行兩個層次計算單個樹面元與單個光源面元間的遮擋系數(shù)。根據(jù)枇杷幾何模型與光源幾何信息,采用三維離散視角因子方法(3D-discrete view factor,3D-DVF),同樣利用線程塊并行與線程并行兩個層次計算輻射能量,從而計算冠層內(nèi)太陽直射PAR、天空散射PAR以及地形網(wǎng)格反射初始能量值。將地形網(wǎng)格作為光源,與枇杷幾何模型再次構(gòu)建輻射度模型并進(jìn)行求解,計算枇杷果園冠層內(nèi)地面反射PAR。將每個面元的以上各項PAR值進(jìn)行疊加,即得到枇杷果園冠層內(nèi)每個面元的輻射強(qiáng)度。(3)針對果園場景光輻射模擬計算數(shù)據(jù)量大,傳輸次數(shù)多的特點,利用Thrust庫重新設(shè)計三角面元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CPU讀取數(shù)據(jù)使用內(nèi)存映射的方式,GPU讀取數(shù)據(jù)使用虛擬統(tǒng)一尋址,從而優(yōu)化CPU與GPU間的數(shù)據(jù)傳輸。(4)模擬不同種植密度、不同地形坡度與不同地形坡向條件下虛擬枇杷果園冠層內(nèi)PAR分布,結(jié)果表明16株種植密度與12株種植密度果園群體冠層內(nèi)部光分布區(qū)別不大;25°地形坡度下的果園群體冠層在一天中截獲的光能更多;陰坡果園群體冠層在一日內(nèi)的平均PAR截獲約為陽坡果園群體冠層的65%。
【圖文】：

２．１．１基于層級結(jié)構(gòu)的植物表達(dá)逡逑真實世界中的樹木通常由主干、枝、葉器官、花、果實等組成，且具有分層特征和層級逡逑間具備自相似性的特點，因而可用如圖２－１所示的分層表達(dá)方式組織樹木三維幾何模型。根逡逑據(jù)樹木的形態(tài)結(jié)構(gòu)特性，將整個樹木三維幾何模型分為４層組織。第１層級為主干部分，主逡逑干是樹的主體支撐部分。從主干部分分支生長出的枝條為第２層級，從第２層級分化長出的逡逑枝條稱為第３層級。從第３層級生長出的花、葉、果實等則劃歸為第４層級。逡逑■邋４邋級邋＿邋＿邋＿邐＿邋辱厚逡逑．．．．．．．．．．．．．．．邐邐．．．．邋．．．．．．．邐邐邐邐邐邐邐邋邐邐邐邋－－－－－－－逡逑３級臀贊逡逑２邋級邋ｎｉＶｉ邐ｎｍ￣￣邐ｒｍ逡逑邐邐＇ｐｔ，＇邐邐逡逑ｉ級邐｜主干逡逑圖２－１樹木的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)特征逡逑２．１．２基于ＰａｒａＴｒｅｅ的植物建模方法逡逑ＰａｒａＴｒｅｅ是研究團(tuán)隊自主研發(fā)的一款面向?qū)I(yè)和普通用戶的交互式參數(shù)化單樹幾何建逡逑模工具軟件［９２，９３］，該軟件基于植物生理生態(tài)學(xué)基本原理，利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)設(shè)計開發(fā)，逡逑可參數(shù)化、交互式地定制不同樹種、年齡、物候階段、形態(tài)結(jié)構(gòu)等樹木特征參數(shù)，從而可生逡逑成真實感單株三維模型，系統(tǒng)生成的植物單株三維幾何模型符合植物形態(tài)特征及生長規(guī)律，逡逑同時還可顧及風(fēng)、光等環(huán)境要素與植物間的交互作用。逡逑采用ＰａｒａＴｒｅｅ單樹幾何建模工具構(gòu)建樹木三維模型，將樹木的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和屬性逡逑特點表達(dá)為特征參數(shù)

邐派－．１邋｜邐｛逡逑圖２－３邋ＰａｒａＴｒｅｅ軟件中各個屬性參數(shù)的設(shè)置逡逑２．１．３基于點云的葉器官建模逡逑虛擬枇杷果園光合有效輻射模擬中，葉器官是接受光合有效輻射的主要植物器官。因此，，逡逑構(gòu)建能精細(xì)展現(xiàn)葉器官表面起伏狀態(tài)與延展趨勢的葉器官三維模型可大幅提高光合有效輻逡逑射模擬的精度。利用Ａｒｔｅｃ邋Ｅｖａ手持３Ｄ結(jié)構(gòu)光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，使用Ｇｅｏｍａｇｉｃ邋Ｓｔｕｄｉｏ逡逑與３ｄｓ邋Ｍａｘ軟件即可構(gòu)建枇杷葉片精細(xì)三維模型。逡逑１３逡逑
【學(xué)位授予單位】：福州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S667.3;TP391.9

【參考文獻(xiàn)】

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1 侯璨;唐麗玉;陳崇成;楊怡斐;;基于并行輻射度的虛擬植物冠層內(nèi)光分布模擬[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2015年10期

2 高照全;程建軍;李靜;丁國亮;;白海棠不同類型枝條光合能力比較研究[J];中國農(nóng)學(xué)通報;2015年25期

3 王曉輝;黃洪宇;陳崇成;唐麗玉;;基于激光點云的樹木三維幾何建模系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J];福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2014年05期

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本文編號：2684321