计算机软硬件的飞速发展促进了对虚拟植物的深入研究,随之植物冠层光合.有效辐射(Photosynthetic Active Radiation,PAR)分布的研究也越来越受到重视。植物冠层内的光合有效辐射分布是三维的,在周围环境因素的影响下变化非常活跃。借助...
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计算机软硬件的飞速发展促进了对虚拟植物的深入研究,随之植物冠层光合.有效辐射(Photosynthetic Active Radiation,PAR)分布的研究也越来越受到重视。植物冠层内的光合有效辐射分布是三维的,在周围环境因素的影响下变化非常活跃。借助计算机几何建模技术,可以快速生成高逼真度的精细三维植物模型,采用计算机图形学中的光照模型可以展开虚拟植物冠层光合有效辐射三维分布及截获能力的研究。本文基于辐射度模型,以枇杷为例,模拟单株虚拟植物冠层内天空散射PAR、太阳直射PAR、冠层之间多次散射PAR的三维空间分布,并分析一天内不同时刻两个枇杷品种冠层截获光合有效辐射的能力。本论文的具体研究内容和成果如下：(1)总结国内外虚拟植物建模研究现状以及国内外植物冠层光合有效辐射分布模拟研究现状,详细分析模拟虚拟植物冠层内PAR分布采用的主流技术。(2)以国家果树种质福州枇杷圃中7年生的木罗枇杷和晚红枇杷为例,根据野外实地调查和量测的数据,结合植物构筑学知识分析枇杷的形态结构特征,使用3D Studio Max建立叶片三维模型,然后采用交互式单树几何建模工具ParaTree建立单株枇杷精细的三维模型,为辐射模拟提供基础。(3)根据辐射度模型理论,提出虚拟植物冠层内光合有效辐射分布模拟的技术流程,采用半立方体算法计算辐射度模型的形状因子,并通过Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法提高形状因子的计算效率,采用逐步求精迭代法解辐射度线性方程组。开发基于辐射度模型的虚拟植物冠层内PAR辐射模拟模块,并与研究团队研发的交互式单树几何建模工具ParaTree无缝集成,可以计算虚拟植物模型表面每一个面元的辐射度值和能量值。以木罗枇杷和晚红枇杷作为例,模拟天空散射PAR和太阳直射PAR在虚拟冠层内的三维分布,并分析辐射度模型中形状因子的计算精度。(4)选取一天中9个不同时刻,对比分析木罗枇杷和晚红枇杷模型冠层对光合有效辐射的截获能力。模拟结果分别与采用龟型算法模拟天空散射PAR和光线跟踪模型模拟太阳直射PAR进行对比,基于不同方法获得的数据具有较好的一致性。从数据显示木罗枇杷整个冠层瞬时截获的PAR能量多,但是因为它的叶幕层较厚,叶子之间存在遮挡,光合有效辐射不能到达冠层内部,冠层内无效光区多,所以木罗枇杷的平均净光合速率小。
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