基于辐射度的虚拟枇杷果园光合有效辐射分布模拟

发布时间：2020-05-27 23:34

【摘要】：光合有效辐射(Photosynthetic Active Radiation,PAR)为植物光合作用能量获取的主要方式。自太阳入射于植物冠层的PAR可分为太阳直射PAR、天空散射PAR及冠层多次散射PAR,其中太阳直射及天空散射PAR是冠层内PAR的主要组分。地形是果树的载体,地面反射光在冠层内的分布也影响光合作用。本文在利用枇杷三维几何模型构建虚拟枇杷果园的基础上,开展果园冠层内光合有效辐射分布模拟。主要研究内容和成果如下:(1)果园三维场景抽象为由果树和三维地形组成。使用距离倒数权重法(IDW,Inverse Distance Weighted)对地形点云数据进行空间插值,构建地形格网。果树三维模型首先利用点云数据构建枇杷叶精细线框模型,模拟真实叶片起伏与叶簇聚集状态;然后整株木采用研究团队自主研发的ParaTree参数化单树建模软件,根据枇杷形态结构特征参数,建立枝干系统,最后在枝系统上挂接叶器官模型,构建精细枇杷单树几何模型。根据枇杷树种植点位,采用实例化技术把单株木模型“种植”于地形表面,形成虚拟枇杷果园场景。(2)采用CUDA编程模型将果园冠层内光分布模拟并行化处理。采用三维体素遍历方法,线程块并行与线程并行两个层次计算单个树面元与单个光源面元间的遮挡系数。根据枇杷几何模型与光源几何信息,采用三维离散视角因子方法(3D-discrete view factor,3D-DVF),同样利用线程块并行与线程并行两个层次计算辐射能量,从而计算冠层内太阳直射PAR、天空散射PAR以及地形网格反射初始能量值。将地形网格作为光源,与枇杷几何模型再次构建辐射度模型并进行求解,计算枇杷果园冠层内地面反射PAR。将每个面元的以上各项PAR值进行叠加,即得到枇杷果园冠层内每个面元的辐射强度。(3)针对果园场景光辐射模拟计算数据量大,传输次数多的特点,利用Thrust库重新设计三角面元数据结构。CPU读取数据使用内存映射的方式,GPU读取数据使用虚拟统一寻址,从而优化CPU与GPU间的数据传输。(4)模拟不同种植密度、不同地形坡度与不同地形坡向条件下虚拟枇杷果园冠层内PAR分布,结果表明16株种植密度与12株种植密度果园群体冠层内部光分布区别不大;25°地形坡度下的果园群体冠层在一天中截获的光能更多;阴坡果园群体冠层在一日内的平均PAR截获约为阳坡果园群体冠层的65%。
【图文】：

基本形态,结构特征

２．１．１基于层级结构的植物表达逡逑真实世界中的树木通常由主干、枝、叶器官、花、果实等组成，且具有分层特征和层级逡逑间具备自相似性的特点，因而可用如图２－１所示的分层表达方式组织树木三维几何模型。根逡逑据树木的形态结构特性，将整个树木三维几何模型分为４层组织。第１层级为主干部分，主逡逑干是树的主体支撑部分。从主干部分分支生长出的枝条为第２层级，从第２层级分化长出的逡逑枝条称为第３层级。从第３层级生长出的花、叶、果实等则划归为第４层级。逡逑■邋４邋级邋＿邋＿邋＿逦＿邋辱厚逡逑．．．．．．．．．．．．．．．逦逦．．．．邋．．．．．．．逦逦逦逦逦逦逦邋逦逦逦邋－－－－－－－逡逑３级臀赞逡逑２邋级邋ｎｉＶｉ逦ｎｍ￣￣逦ｒｍ逡逑逦逦＇ｐｔ，＇逦逦逡逑ｉ级逦｜主干逡逑图２－１树木的基本形态结构特征逡逑２．１．２基于ＰａｒａＴｒｅｅ的植物建模方法逡逑ＰａｒａＴｒｅｅ是研究团队自主研发的一款面向专业和普通用户的交互式参数化单树几何建逡逑模工具软件［９２，９３］，该软件基于植物生理生态学基本原理，利用计算机图形学技术设计开发，逡逑可参数化、交互式地定制不同树种、年龄、物候阶段、形态结构等树木特征参数，从而可生逡逑成真实感单株三维模型，系统生成的植物单株三维几何模型符合植物形态特征及生长规律，逡逑同时还可顾及风、光等环境要素与植物间的交互作用。逡逑采用ＰａｒａＴｒｅｅ单树几何建模工具构建树木三维模型，将树木的三维形态结构特征和属性逡逑特点表达为特征参数

拓扑结构图,枇杷,树模型,叶器官

逦派－．１邋｜逦｛逡逑图２－３邋ＰａｒａＴｒｅｅ软件中各个属性参数的设置逡逑２．１．３基于点云的叶器官建模逡逑虚拟枇杷果园光合有效辐射模拟中，叶器官是接受光合有效辐射的主要植物器官。因此，，逡逑构建能精细展现叶器官表面起伏状态与延展趋势的叶器官三维模型可大幅提高光合有效辐逡逑射模拟的精度。利用Ａｒｔｅｃ邋Ｅｖａ手持３Ｄ结构光扫描仪获取的点云数据，使用Ｇｅｏｍａｇｉｃ邋Ｓｔｕｄｉｏ逡逑与３ｄｓ邋Ｍａｘ软件即可构建枇杷叶片精细三维模型。逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S667.3;TP391.9

【参考文献】