一種作物群體光能空間分布量化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種作物群體光能空間分布量化方法，其包括以下步驟：1）采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR；2）根據(jù)步驟1）測量得到每個測試點的PAR值，采用克里金插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR值；3）在縱向測試截面區(qū)域內(nèi)建立坐標系，對位于縱向測試截面區(qū)域內(nèi)的測試點和待測點的位置進行編號生成Grid文件；4）獲取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩陣運算方法求取Grid文件中每一元素所對應的光能截獲率；5）基于求取的縱向測試截面區(qū)域中測試點和待測點的光能截獲率，得到群體整個光能利用效率。
【專利說明】一種作物群體光能空間分布量化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)種植業(yè)領域，特別是關于一種作物群體光能空間分布量化方法?！颈尘凹夹g】
[0002]由于作物群體光能空間分布的量化是一個古老而又未得到有效解決的科學技術問題，因此如何定量冠層內(nèi)光分布，提高作物冠層受光能力，創(chuàng)造合理的群體結(jié)構(gòu)己成為作物生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)研究的一個重要領域。Monsi和Saeki (1953)最早將隨機分布介質(zhì)中的Beer-Lambert光傳播定律應用到植物冠層內(nèi)的光傳輸研究，假設冠層內(nèi)葉片隨機分布，按高度層切分成許多層，并測定每一層中的葉面積和光強，從實際測定和理論推導兩個方面建立了光強對葉面積的依賴關系，得到透光率隨向下累積葉面積指數(shù)的增加呈指數(shù)遞減。由于指數(shù)模型簡單、易行，參數(shù)易于獲得，在農(nóng)、林、生態(tài)等各有關領域的研究中得到了廣泛的應用，消光系數(shù)成為判斷植物群體透光性好壞的經(jīng)典指標。
[0003]隨著研究的不斷深入，人們對植物冠層內(nèi)光分布的認識也越來越深刻。由于實際植物群體的葉片分布狀況與隨機分布假設不完全相符，許多學者對指數(shù)模型進行了不同的修訂和發(fā)展，試圖達到更加準確的模擬結(jié)果，基于植物冠層結(jié)構(gòu)在空間上的異質(zhì)性和時間上的動態(tài)性，建立了許多植物冠層光傳輸與光分布模型，特別是處理特定冠層結(jié)構(gòu)的一些專用模型:例如將寬行行播作物群體假設成行內(nèi)隨機分布，或?qū)⒅参锕趯觾?nèi)的單株植物視為葉片隨機分布的一定形狀的空間體，以便用指數(shù)模型模擬不同冠層的光分布。然而，在國外作物模型中應用比較廣泛的SAIL (verhoef, 1984)模型則把水平分布較均勻的作物冠層沿垂直方向分成不同層次，假設每一層內(nèi)葉片在水平方向上呈隨機分布，模擬冠層內(nèi)的光分布。為了更加準確地模擬植株群體組分的肖_隨機分布對光分布的影響，Ross (1981)提出了葉方位角分布函數(shù)(G函數(shù))，把植物的空間結(jié)構(gòu)完全用葉片分布的形式來表達，并對植物群體組分的非隨機分布對冠層光分布的影響進行了詳細論述。上述模型主要是以單一植物群體為對象而建立的光分布模型。隨著研究的繼續(xù)深入，人們對復合群體光分布模型開展了拓展性研究；例如Marshall (1983)建立了花生與谷子間作福射截獲模型，Tappeiner等建立了不同冠層結(jié)構(gòu)植物復合群體的光合作用空間分布模型，Lantinga等(1999)模擬分析了黑麥草與三葉草復合群體中葉面積、光分布和光截獲的垂直分布。隨著計算機信息化技術的迅速發(fā)展，人們將現(xiàn)代三維圖形技術和虛擬現(xiàn)實技術中迅速發(fā)展起來的輻射度和光線跟蹤技術引進到植物群體內(nèi)三維空間上的光模擬研究，在三維空間上實現(xiàn)植物群體內(nèi)福射分布的精確模擬:例如Wang等(2008)利用計算機圖形學中的投影和Z_buffer算法模擬太陽直接福射的三維空間分布，用天空立體角積分的Turtle模型計算天空散射福射的截獲，建立了玉米冠層內(nèi)光合有效輻射三維空間分布模擬模型，也有學者利用魚眼鏡頭和彩色數(shù)字相機分層攝取冠層內(nèi)葉片上的可見光強度，通過數(shù)字圖像分析，用閃光量計算光斑或陰影在冠層內(nèi)的分布。
[0004]上述測定量化方法在冠層內(nèi)光傳輸與光分布方面取得了很大的進步，為冠層光合生產(chǎn)力的精確模擬與量化奠定了理論基礎，并得到了廣泛的應用；但是以往的冠層光分布模型大都是一維或二維的，通常應用于假設水平均質(zhì)的作物群體，這與實際作物株型結(jié)構(gòu)的高度空間異質(zhì)性相悖，不能準確描述空間的分布特點，繼而無法準確量化作物群體空間任意點的光能分布，往往得到偏差較大或者錯誤的結(jié)論，對評價作物品種特性、植被生態(tài)環(huán)境和作物長勢等評價造成錯誤影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)ψ魑锶后w內(nèi)光合有效輻射進行精確定位定量分析的作物群體光能空間分布量化方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案:一種作物群體光能空間分布量化方法，其包括以下步驟:I)采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR ;2)根據(jù)步驟I)測量得到每個測試點的PAR值，采用插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR值；3)在縱向測試截面區(qū)域內(nèi)建立坐標系，對位于縱向測試截面區(qū)域內(nèi)的測試點和待測點的位置進行編號生成Grid文件,Grid文件的每個元素Grid (i, j)記錄每個測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的位置，i表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的橫坐標，j表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的縱坐標；4)獲取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩陣運算方法求取Grid文件中每一元素所對應的光能截獲率；5)基于求取的縱向測試截面區(qū)域中測試點和待測點的光能截獲率，對作物群體在整個測試空間區(qū)域內(nèi)的任意點PAR數(shù)據(jù)進行空間插值生成空間格網(wǎng)文件，并采用多重積分法計算整個測試空間區(qū)域的體積，然后除以作物冠層的縱向測試截面區(qū)域的面積，得到群體整個光能利用效率。
[0007]所述縱向測試截面區(qū)域內(nèi)設置一測試框架，所述測試框架采用矩形框架，所述矩形框架的寬度為作物的行間距離，所述矩形框架的高度根據(jù)測試需要進行設定；所述矩形框架上橫向間隔平行設置有若干橫向測試桿，每相鄰兩個橫向測試桿之間的間距相同，測試點根據(jù)測試需要均勻分布在每一所述橫向測試桿上。
[0008]所述步驟2)的插值方法采用克里金插值方法。
[0009]所述步驟4)中的Grid光能截獲率(i, j) =1-Grid反射PAR (i, j)_Grid透射PAR(i，j), Grid文件每一元素的光能截獲率等于I減去該元素所對應的反射PAR再減去該元素所對應的透射PAR。
[0010]一種作物群體光能空間分布量化方法，其包括以下步驟:1)采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR ；2)計算每一測試點所對應的PAR透射率Tr和反射率Rr ；
[0011]3)根據(jù)步驟2)計算得到每個測試點的PAR透射率Tr和反射率Rr，采用插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR透射率Tr和反射率Rr ；4)在縱向測試截面區(qū)域內(nèi)建立坐標系，對位于縱向測試截面區(qū)域內(nèi)的測試點和待測點的位置進行編號生成Grid文件，Grid文件的每個元素Grid (i, j)記錄每個測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的位置，i表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的橫坐標，j表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的縱坐標；5)獲取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩陣運算方法求取Grid文件中每一元素所對應的光能截獲率；6)基于求取的縱向測試截面區(qū)域中測試點和待測點的光能截獲率，對作物群體在整個測試空間區(qū)域內(nèi)的任意點PAR數(shù)據(jù)進行空間插值生成空間格網(wǎng)文件，并采用多重積分法計算整個測試空間區(qū)域的體積，然后除以作物冠層的縱向測試截面區(qū)域的面積，得到群體整個光能利用效率。
[0012]所述縱向測試截面區(qū)域內(nèi)設置一測試框架，所述測試框架采用矩形框架，所述矩形框架的寬度為作物的行間距離，所述矩形框架的高度根據(jù)測試需要進行設定；所述矩形框架上橫向間隔平行設置有若干橫向測試桿，每相鄰兩個橫向測試桿之間的間距相同，測試點根據(jù)測試需要均勻分布在每一所述橫向測試桿上。
[0013]所述步驟3)的插值方法采用克里金插值方法。
[0014]所述步驟5)中的Grid光能截獲率(i，j) =1-Grid反射率Rr (i，j)-Grid透射率Tr (i，j)，Grid文件每一元素的光能截獲率等于I減去該元素所對應的PAR反射率再減去該元素所對應的PAR透射率，即:In=l-PARt/PAR1-PARr/PARI。
[0015]本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點:1、作物群體特別是行向種植的作物群體具有高度空間相關性，傳統(tǒng)統(tǒng)計學的隨機方法取樣測定分析方法無法準確量化作物群體空間任意點的光能分布，本發(fā)明利用空間統(tǒng)計學的方法原理，以區(qū)域化變量為基礎，通過空間網(wǎng)格采樣方法選擇測試作物，提出了空間任意點光合有效輻射的截獲率網(wǎng)格計算方法，建立了批處理自動化空間光能空間分布量化流程，能夠準確描述作物群體空間的分布特點，進一步準確量化作物群體空間任意點的光能分布，可以有效對作物品種特性、植被生態(tài)環(huán)境和作物長勢等準確評價。2、棉花是需要強光作物之一，棉花因為具有無限生長特性，冠層結(jié)構(gòu)受品種、水肥條件和氣候等因素影響大，具有很大的可塑性，對棉花群體內(nèi)光合有效輻射進行精確定位定量分析，對棉花生產(chǎn)管理，品種選育，模式配置，株型鑒定等方面具有十分重要的理論和實踐指導意義。3、為了測定位置的準確性和方便性，本發(fā)明制作了一測定框架，這樣便于測試棒的移動距離，測試方便、快捷。本發(fā)明可以廣泛應用于作物群體內(nèi)光合有效輻射進行精確定位定量分析中，科學量化光能在不同空間位置的分布，為合理配置作物種植密度，種植模式，評價不同作物株型提供方法和理論依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明作物群體光能空間分布網(wǎng)絡法取樣及測定框架示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的棉花群體冠層光能空間分布效果示意圖，其中，圖2 (a)是棉花群體冠層內(nèi)透射PAR空間分布示意圖；圖2 (b)是棉花群體冠層內(nèi)反射PAR空間分布示意圖；圖2 (c)是棉花群體冠層內(nèi)PAR截獲率空間分布示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0019]本發(fā)明的作物群體光能空間分布量化方法以棉花作物作為實施例進行說明，但是不限于此，可以適用于其他各種作物群體光能空間分布量化，包括以下步驟:
[0020]1、采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，并采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR，其中，空間網(wǎng)格取樣方法是現(xiàn)有技術空間統(tǒng)計學的常用統(tǒng)計方法，在此不再贅述。
[0021]如圖1所示，選擇某個晴天，采用空間網(wǎng)格取樣方法在每個作物群體中選取代表性的棉花2行，在選取的棉花行間以及從地面到冠層上方進行測試。為了方便測試，本發(fā)明在選取的棉花行間縱向設置一測試框架(如圖1所示的測試框架代表縱向測試截面區(qū)域)，測試框架采用一矩形框架1，矩形框架I的寬度為棉花的行間距離，矩形框架I的高度可以根據(jù)實際需要進行設定，矩形框架I上橫向間隔平行設置有若干橫向測試桿2，每相鄰兩個橫向測試桿2之間的間距相同，測試點(圖1中的黑色圓點表示)根據(jù)測試需要均勻分布在每一橫向測試桿2上，本實施例中每個橫向測試桿2上的相鄰測試點的間距為20cm (可以根據(jù)需要設置為15-20cm，但是不限于此，可以根據(jù)實際需要進行設定)，測試點的總數(shù)可以根據(jù)實際需要設置為30-100，PAR測量儀器的各測試棒在各測定點采用懸掛點的方法在冠層上方同時測定冠層透射PAR和反射PAR ;其中，PAR測量儀器的探頭水平向上可以測定透射PAR，探頭水平向下可以測定反射PAR。
[0022]本發(fā)明實施例中的PAR測量儀器可以采用IOOcm長的線型光量子傳感器(L1-191SA, L1-COR, Lincoln, NE, USA),將線型光量子傳感器可以與一數(shù)據(jù)收集器(L1-1400, L1-COR, Lincoln, NE, USA)相連，對每個測試點的PAR值的測量結(jié)果自動進行記錄。
[0023]2、根據(jù)步驟I測量得到每個測試點的PAR值，采用克里金插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR值。
[0024]為了能夠全面對選取的棉花行間光能分布進行準確描述，還需要對縱向測試截面區(qū)域中未設置測試點的其它待測位置處的PAR值通過插值進行估算，本發(fā)明綜合目前十二種對離散數(shù)據(jù)格網(wǎng)化內(nèi)插方法、反距離加權(quán)插值法、最小曲率法、改進謝別德法、自然鄰點插值法、最近鄰點差值法、徑向基函數(shù)插值法、線性插值三角網(wǎng)法、移動平均插值法、數(shù)量度量插值法、局部多項式插值法、多元回歸法、克里金插值法方法基礎上，利用surfer工具篩選出適合光能分布特點的克里金插值法。
[0025]由于空間測試點在30-100之間，克里金插值法是以空間結(jié)構(gòu)分析為基礎，在估計值滿足無偏性和最小方差的前提下求估計值，區(qū)域化變量滿足二階平穩(wěn)假設，待測點\
的估計值為
【權(quán)利要求】
1.一種作物群體光能空間分布量化方法，其包括以下步驟: 1)采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR ； 2)根據(jù)步驟I)測量得到每個測試點的PAR值，采用插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR值； 3)在縱向測試截面區(qū)域內(nèi)建立坐標系，對位于縱向測試截面區(qū)域內(nèi)的測試點和待測點的位置進行編號生成Grid文件，Grid文件的每個元素Grid (i, j)記錄每個測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的位置，i表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的橫坐標，j表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的縱坐標； 4)獲取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩陣運算方法求取Grid文件中每一元素所對應的光能截獲率； 5)基于求取的縱向測試截面區(qū)域中測試點和待測點的光能截獲率，對作物群體在整個測試空間區(qū)域內(nèi)的任意點PAR數(shù)據(jù)進行空間插值生成空間格網(wǎng)文件，并采用多重積分法計算整個測試空間區(qū)域的體積，然后除以作物冠層的縱向測試截面區(qū)域的面積，得到群體整個光能利用效率。
2.如權(quán)利要求1所述的一種作物群體光能空間分布量化方法，其特征在于:所述縱向測試截面區(qū)域內(nèi)設置一測試框架，所述測試框架采用矩形框架，所述矩形框架的寬度為作物的行間距離，所述矩形框架的高度根據(jù)測試需要進行設定；所述矩形框架上橫向間隔平行設置有若干橫向測試桿，每相鄰兩個橫向測試桿之間的間距相同，測試點根據(jù)測試需要均勻分布在每一所述橫向測試桿上。
3.如權(quán)利要求1?2任一項所述的一種作物群體光能空間分布量化方法,其特征在于:所述步驟2)的插值方法采用克里金插值方法。
4.如權(quán)利要求1?3任一項所述的一種作物群體光能空間分布量化方法,其特征在于:所述步驟4)中的Grid光能截獲率(i, j) =1-Grid反射PAR (i, j) -Grid透射PAR (i, j),Grid文件每一元素的光能截獲率等于I減去該元素所對應的反射PAR再減去該元素所對應的透射PAR。
5.一種作物群體光能空間分布量化方法，其包括以下步驟: 1)采用空間網(wǎng)格取樣方法選擇測試作物群體，并在測試作物群體冠層的縱向測試截面區(qū)域內(nèi)均勻設置測試點，采用PAR測試儀器對每一測試點的PAR進行測試，每一測試點所測得的PAR包括測試點的透射PAR和反射PAR ； 2)計算每一測試點所對應的PAR透射率Tr和反射率Rr； 3)根據(jù)步驟2)計算得到每個測試點的PAR透射率Tr和反射率Rr，采用插值法求解出縱向測試截面區(qū)域內(nèi)其它待測點的PAR透射率Tr和反射率Rr ； 4)在縱向測試截面區(qū)域內(nèi)建立坐標系，對位于縱向測試截面區(qū)域內(nèi)的測試點和待測點的位置進行編號生成Grid文件，Grid文件的每個元素Grid (i, j)記錄每個測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的位置，i表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的橫坐標，j表示測試點或待測點在縱向測試截面區(qū)域中的縱坐標； 5)獲取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩陣運算方法求取Grid文件中每一元素所對應的光能截獲率； 6)基于求取的縱向測試截面區(qū)域中測試點和待測點的光能截獲率，對作物群體在整個測試空間區(qū)域內(nèi)的任意點PAR數(shù)據(jù)進行空間插值生成空間格網(wǎng)文件，并采用多重積分法計算整個測試空間區(qū)域的體積，然后除以作物冠層的縱向測試截面區(qū)域的面積，得到群體整個光能利用效率。
6.如權(quán)利要求5所述的一種作物群體光能空間分布量化方法,其特征在于:所述縱向測試截面區(qū)域內(nèi)設置一測試框架，所述測試框架采用矩形框架，所述矩形框架的寬度為作物的行間距離，所述矩形框架的高度根據(jù)測試需要進行設定；所述矩形框架上橫向間隔平行設置有若干橫向測試桿，每相鄰兩個橫向測試桿之間的間距相同，測試點根據(jù)測試需要均勻分布在每一所述橫向測試桿上。
7.如權(quán)利要求5?6任一項所述的一種作物群體光能空間分布量化方法,其特征在于:所述步驟3)的插值方法采用克里金插值方法。
8.如權(quán)利要求5?7任一項所述的一種作物群體光能空間分布量化方法,其特征在于:所述步驟5)中的Grid光能截獲率(i，j) =1-Grid反射率Rr (i，j)-Grid透射率Tr (i，j)，Grid文件每一元素的光能截獲率等于I減去該元素所對應的PAR反射率再減去該元素所對應的 PAR 透射率 ，即:In=l-PARt/PAR1-PARr/PARI。
【文檔編號】G01N21/59GK103439299SQ201310405245
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】李亞兵, 韓迎春, 毛樹春, 范正義, 王國平, 馮璐, 楊北方 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所