《基於虛擬植物的枇杷冠層光環境模擬與分析》是依託福州大學，由唐麗玉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於虛擬植物的枇杷冠層光環境模擬與分析
- 依託單位：福州大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：唐麗玉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
光是植物光合作用最基礎的資源，是影響果樹生長、發育和果實產量、品質的重要生態因子。果樹冠層形態結構決定著對光的截獲和分布。本項目以枇杷為對象，分析冠層的形態結構特徵和生長發育規律，旨在通過冠層局部精細幾何建模與植物規則建模相結合，建立不同樹齡不同物候期的枇杷精細三維模型。模擬冠層內光輻射傳輸過程，計算器官尺度上的輻射強度；結合光合作用模型，分析各種不同冠形的枇杷對光的截獲能力和淨光合速率，探索對生產有指導意義的科學合理冠形；研究冠層各部位光輻射時空變化規律，揭示光輻射與果實病害之間的定量關係，闡明光環境對果實品質的影響。按照不同種植密度、行植方向、整形修剪方法、模擬不同生境的三維果園和光環境，定量分析果園群體對光的利用率，探索合理的、高光效的果園栽培管理方法。研究成果將為冠形分析提供定量分析新方法，為果樹生產能力預測、果園群體結構調整等精細農業管理措施提供理論依據。
結題摘要
果樹形態結構決定冠層內的光分布，從而影響光合作用和冠層微環境，影響果樹生長、發育和果實產量、品質。植物生長周期長、形態結構複雜，田間實驗難，且費時費力。針對該問題，提出基於虛擬植物的冠形設計、光截獲能力分析的方法。主要研究內容和成果如下： （1）提出規則和點雲數據綜合驅動的單樹精細建模方法，把樹木分成主體枝幹系統和冠層局部組分分別建模。基於L-系統規則生成主體枝幹系統三維模型；基於點雲數據生成精細的冠層局部組分的三維模型；根據拓撲關係進行集成，生成整株木的三維模型。在已有單樹建模軟體LSTree基礎上，研發互動修剪模組，提供虛擬修剪的軟體工具。 （2）集成精細的三維冠層模型和輻射度算法，利用GPU對輻射度算法的形狀因子求解並行化，提高算法的效率，研發了植物冠層內輻射傳輸過程模擬模組，模擬冠層內光分布，可計算輻射冠內的每個面元獲得的光合有效輻射（PAR）的量。 （3）互動調整分支角、枝梢數、長短枝比例等參數，形成不同的冠層模型，從冠層輪廓區域面積比例、淨光合速率、無效光區等方面分析枝條和冠層尺度的光截獲能力，設計高光效的株型。結果表明枇杷分支角對光截獲有顯著的影響，當單枝的2級枝條與枝幹間夾角約為15°時和整株2級枝條間夾角為60°-90°時，光分布比較合理。 （4）建立了不同地形條件和種植方案的虛擬枇杷果園，模擬了不同種植密度、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PAR分布，分析各種情景下枇杷果園冠層對光的利用率。果園冠層截獲的地面反射PAR能量主要作用於冠層內部與下層。 （5）根據田間測量數據分析得出，緊湊型枇杷葉片淨光合速率最高，矮化疏枝型枇杷和矮化開張型枇杷淨光合速率差異不大；緊湊型枇杷的蒸騰速率和氣孔導度最高，矮化開張型枇杷居中，矮化疏枝型枇杷最低。胞間CO2濃度表現為，緊湊型的胞間CO2濃度最高，矮化疏枝型次之，矮化開張型最低。表明緊湊型枇杷的光合作用特性較高，矮化開張型枇杷居中，矮化疏枝型枇杷較低。
