一种作物群体光能空间分布量化方法
【专利摘要】本发明涉及一种作物群体光能空间分布量化方法，其包括以下步骤：1）采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR；2）根据步骤1）测量得到每个测试点的PAR值，采用克里金插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR值；3）在纵向测试截面区域内建立坐标系，对位于纵向测试截面区域内的测试点和待测点的位置进行编号生成Grid文件；4）获取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩阵运算方法求取Grid文件中每一元素所对应的光能截获率；5）基于求取的纵向测试截面区域中测试点和待测点的光能截获率，得到群体整个光能利用效率。
【专利说明】一种作物群体光能空间分布量化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业种植业领域，特别是关于一种作物群体光能空间分布量化方法。【背景技术】
[0002]由于作物群体光能空间分布的量化是一个古老而又未得到有效解决的科学技术问题，因此如何定量冠层内光分布，提高作物冠层受光能力，创造合理的群体结构己成为作物生产和生态系统研究的一个重要领域。Monsi和Saeki (1953)最早将随机分布介质中的Beer-Lambert光传播定律应用到植物冠层内的光传输研究，假设冠层内叶片随机分布，按高度层切分成许多层，并测定每一层中的叶面积和光强，从实际测定和理论推导两个方面建立了光强对叶面积的依赖关系，得到透光率随向下累积叶面积指数的增加呈指数递减。由于指数模型简单、易行，参数易于获得，在农、林、生态等各有关领域的研究中得到了广泛的应用，消光系数成为判断植物群体透光性好坏的经典指标。
[0003]随着研究的不断深入，人们对植物冠层内光分布的认识也越来越深刻。由于实际植物群体的叶片分布状况与随机分布假设不完全相符，许多学者对指数模型进行了不同的修订和发展，试图达到更加准确的模拟结果，基于植物冠层结构在空间上的异质性和时间上的动态性，建立了许多植物冠层光传输与光分布模型，特别是处理特定冠层结构的一些专用模型:例如将宽行行播作物群体假设成行内随机分布，或将植物冠层内的单株植物视为叶片随机分布的一定形状的空间体，以便用指数模型模拟不同冠层的光分布。然而，在国外作物模型中应用比较广泛的SAIL (verhoef, 1984)模型则把水平分布较均匀的作物冠层沿垂直方向分成不同层次，假设每一层内叶片在水平方向上呈随机分布，模拟冠层内的光分布。为了更加准确地模拟植株群体组分的肖_随机分布对光分布的影响，Ross (1981)提出了叶方位角分布函数(G函数)，把植物的空间结构完全用叶片分布的形式来表达，并对植物群体组分的非随机分布对冠层光分布的影响进行了详细论述。上述模型主要是以单一植物群体为对象而建立的光分布模型。随着研究的继续深入，人们对复合群体光分布模型开展了拓展性研究；例如Marshall (1983)建立了花生与谷子间作福射截获模型，Tappeiner等建立了不同冠层结构植物复合群体的光合作用空间分布模型，Lantinga等(1999)模拟分析了黑麦草与三叶草复合群体中叶面积、光分布和光截获的垂直分布。随着计算机信息化技术的迅速发展，人们将现代三维图形技术和虚拟现实技术中迅速发展起来的辐射度和光线跟踪技术引进到植物群体内三维空间上的光模拟研究，在三维空间上实现植物群体内福射分布的精确模拟:例如Wang等(2008)利用计算机图形学中的投影和Z_buffer算法模拟太阳直接福射的三维空间分布，用天空立体角积分的Turtle模型计算天空散射福射的截获，建立了玉米冠层内光合有效辐射三维空间分布模拟模型，也有学者利用鱼眼镜头和彩色数字相机分层摄取冠层内叶片上的可见光强度，通过数字图像分析，用闪光量计算光斑或阴影在冠层内的分布。
[0004]上述测定量化方法在冠层内光传输与光分布方面取得了很大的进步，为冠层光合生产力的精确模拟与量化奠定了理论基础，并得到了广泛的应用；但是以往的冠层光分布模型大都是一维或二维的，通常应用于假设水平均质的作物群体，这与实际作物株型结构的高度空间异质性相悖，不能准确描述空间的分布特点，继而无法准确量化作物群体空间任意点的光能分布，往往得到偏差较大或者错误的结论，对评价作物品种特性、植被生态环境和作物长势等评价造成错误影响。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对作物群体内光合有效辐射进行精确定位定量分析的作物群体光能空间分布量化方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种作物群体光能空间分布量化方法，其包括以下步骤:I)采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR ;2)根据步骤I)测量得到每个测试点的PAR值，采用插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR值；3)在纵向测试截面区域内建立坐标系，对位于纵向测试截面区域内的测试点和待测点的位置进行编号生成Grid文件,Grid文件的每个元素Grid (i, j)记录每个测试点或待测点在纵向测试截面区域中的位置，i表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的横坐标，j表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的纵坐标；4)获取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩阵运算方法求取Grid文件中每一元素所对应的光能截获率；5)基于求取的纵向测试截面区域中测试点和待测点的光能截获率，对作物群体在整个测试空间区域内的任意点PAR数据进行空间插值生成空间格网文件，并采用多重积分法计算整个测试空间区域的体积，然后除以作物冠层的纵向测试截面区域的面积，得到群体整个光能利用效率。
[0007]所述纵向测试截面区域内设置一测试框架，所述测试框架采用矩形框架，所述矩形框架的宽度为作物的行间距离，所述矩形框架的高度根据测试需要进行设定；所述矩形框架上横向间隔平行设置有若干横向测试杆，每相邻两个横向测试杆之间的间距相同，测试点根据测试需要均匀分布在每一所述横向测试杆上。
[0008]所述步骤2)的插值方法采用克里金插值方法。
[0009]所述步骤4)中的Grid光能截获率(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获率等于I减去该元素所对应的反射PAR再减去该元素所对应的透射PAR。
[0010]一种作物群体光能空间分布量化方法，其包括以下步骤:1)采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR ；2)计算每一测试点所对应的PAR透射率Tr和反射率Rr ；
[0011]3)根据步骤2)计算得到每个测试点的PAR透射率Tr和反射率Rr，采用插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR透射率Tr和反射率Rr ；4)在纵向测试截面区域内建立坐标系，对位于纵向测试截面区域内的测试点和待测点的位置进行编号生成Grid文件，Grid文件的每个元素Grid (i, j)记录每个测试点或待测点在纵向测试截面区域中的位置，i表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的横坐标，j表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的纵坐标；5)获取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩阵运算方法求取Grid文件中每一元素所对应的光能截获率；6)基于求取的纵向测试截面区域中测试点和待测点的光能截获率，对作物群体在整个测试空间区域内的任意点PAR数据进行空间插值生成空间格网文件，并采用多重积分法计算整个测试空间区域的体积，然后除以作物冠层的纵向测试截面区域的面积，得到群体整个光能利用效率。
[0012]所述纵向测试截面区域内设置一测试框架，所述测试框架采用矩形框架，所述矩形框架的宽度为作物的行间距离，所述矩形框架的高度根据测试需要进行设定；所述矩形框架上横向间隔平行设置有若干横向测试杆，每相邻两个横向测试杆之间的间距相同，测试点根据测试需要均匀分布在每一所述横向测试杆上。
[0013]所述步骤3)的插值方法采用克里金插值方法。
[0014]所述步骤5)中的Grid光能截获率(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获率等于I减去该元素所对应的PAR反射率再减去该元素所对应的PAR透射率，即:In=l-PARt/PAR1-PARr/PARI。
[0015]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、作物群体特别是行向种植的作物群体具有高度空间相关性，传统统计学的随机方法取样测定分析方法无法准确量化作物群体空间任意点的光能分布，本发明利用空间统计学的方法原理，以区域化变量为基础，通过空间网格采样方法选择测试作物，提出了空间任意点光合有效辐射的截获率网格计算方法，建立了批处理自动化空间光能空间分布量化流程，能够准确描述作物群体空间的分布特点，进一步准确量化作物群体空间任意点的光能分布，可以有效对作物品种特性、植被生态环境和作物长势等准确评价。2、棉花是需要强光作物之一，棉花因为具有无限生长特性，冠层结构受品种、水肥条件和气候等因素影响大，具有很大的可塑性，对棉花群体内光合有效辐射进行精确定位定量分析，对棉花生产管理，品种选育，模式配置，株型鉴定等方面具有十分重要的理论和实践指导意义。3、为了测定位置的准确性和方便性，本发明制作了一测定框架，这样便于测试棒的移动距离，测试方便、快捷。本发明可以广泛应用于作物群体内光合有效辐射进行精确定位定量分析中，科学量化光能在不同空间位置的分布，为合理配置作物种植密度，种植模式，评价不同作物株型提供方法和理论依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明作物群体光能空间分布网络法取样及测定框架示意图；
[0017]图2是本发明的棉花群体冠层光能空间分布效果示意图，其中，图2 (a)是棉花群体冠层内透射PAR空间分布示意图；图2 (b)是棉花群体冠层内反射PAR空间分布示意图；图2 (c)是棉花群体冠层内PAR截获率空间分布示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0019]本发明的作物群体光能空间分布量化方法以棉花作物作为实施例进行说明，但是不限于此，可以适用于其他各种作物群体光能空间分布量化，包括以下步骤:
[0020]1、采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，并采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR，其中，空间网格取样方法是现有技术空间统计学的常用统计方法，在此不再赘述。
[0021]如图1所示，选择某个晴天，采用空间网格取样方法在每个作物群体中选取代表性的棉花2行，在选取的棉花行间以及从地面到冠层上方进行测试。为了方便测试，本发明在选取的棉花行间纵向设置一测试框架(如图1所示的测试框架代表纵向测试截面区域)，测试框架采用一矩形框架1，矩形框架I的宽度为棉花的行间距离，矩形框架I的高度可以根据实际需要进行设定，矩形框架I上横向间隔平行设置有若干横向测试杆2，每相邻两个横向测试杆2之间的间距相同，测试点(图1中的黑色圆点表示)根据测试需要均匀分布在每一横向测试杆2上，本实施例中每个横向测试杆2上的相邻测试点的间距为20cm (可以根据需要设置为15-20cm，但是不限于此，可以根据实际需要进行设定)，测试点的总数可以根据实际需要设置为30-100，PAR测量仪器的各测试棒在各测定点采用悬挂点的方法在冠层上方同时测定冠层透射PAR和反射PAR ;其中，PAR测量仪器的探头水平向上可以测定透射PAR，探头水平向下可以测定反射PAR。
[0022]本发明实施例中的PAR测量仪器可以采用IOOcm长的线型光量子传感器(L1-191SA, L1-COR, Lincoln, NE, USA),将线型光量子传感器可以与一数据收集器(L1-1400, L1-COR, Lincoln, NE, USA)相连，对每个测试点的PAR值的测量结果自动进行记录。
[0023]2、根据步骤I测量得到每个测试点的PAR值，采用克里金插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR值。
[0024]为了能够全面对选取的棉花行间光能分布进行准确描述，还需要对纵向测试截面区域中未设置测试点的其它待测位置处的PAR值通过插值进行估算，本发明综合目前十二种对离散数据格网化内插方法、反距离加权插值法、最小曲率法、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点差值法、径向基函数插值法、线性插值三角网法、移动平均插值法、数量度量插值法、局部多项式插值法、多元回归法、克里金插值法方法基础上，利用surfer工具筛选出适合光能分布特点的克里金插值法。
[0025]由于空间测试点在30-100之间，克里金插值法是以空间结构分析为基础，在估计值满足无偏性和最小方差的前提下求估计值，区域化变量满足二阶平稳假设，待测点\
的估计值为
【权利要求】
1.一种作物群体光能空间分布量化方法，其包括以下步骤: 1)采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR ； 2)根据步骤I)测量得到每个测试点的PAR值，采用插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR值； 3)在纵向测试截面区域内建立坐标系，对位于纵向测试截面区域内的测试点和待测点的位置进行编号生成Grid文件，Grid文件的每个元素Grid (i, j)记录每个测试点或待测点在纵向测试截面区域中的位置，i表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的横坐标，j表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的纵坐标； 4)获取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩阵运算方法求取Grid文件中每一元素所对应的光能截获率； 5)基于求取的纵向测试截面区域中测试点和待测点的光能截获率，对作物群体在整个测试空间区域内的任意点PAR数据进行空间插值生成空间格网文件，并采用多重积分法计算整个测试空间区域的体积，然后除以作物冠层的纵向测试截面区域的面积，得到群体整个光能利用效率。
2.如权利要求1所述的一种作物群体光能空间分布量化方法，其特征在于:所述纵向测试截面区域内设置一测试框架，所述测试框架采用矩形框架，所述矩形框架的宽度为作物的行间距离，所述矩形框架的高度根据测试需要进行设定；所述矩形框架上横向间隔平行设置有若干横向测试杆，每相邻两个横向测试杆之间的间距相同，测试点根据测试需要均勻分布在每一所述横向测试杆上。
3.如权利要求1?2任一项所述的一种作物群体光能空间分布量化方法,其特征在于:所述步骤2)的插值方法采用克里金插值方法。
4.如权利要求1?3任一项所述的一种作物群体光能空间分布量化方法,其特征在于:所述步骤4)中的Grid光能截获率(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获率等于I减去该元素所对应的反射PAR再减去该元素所对应的透射PAR。
5.一种作物群体光能空间分布量化方法，其包括以下步骤: 1)采用空间网格取样方法选择测试作物群体，并在测试作物群体冠层的纵向测试截面区域内均匀设置测试点，采用PAR测试仪器对每一测试点的PAR进行测试，每一测试点所测得的PAR包括测试点的透射PAR和反射PAR ； 2)计算每一测试点所对应的PAR透射率Tr和反射率Rr； 3)根据步骤2)计算得到每个测试点的PAR透射率Tr和反射率Rr，采用插值法求解出纵向测试截面区域内其它待测点的PAR透射率Tr和反射率Rr ； 4)在纵向测试截面区域内建立坐标系，对位于纵向测试截面区域内的测试点和待测点的位置进行编号生成Grid文件，Grid文件的每个元素Grid (i, j)记录每个测试点或待测点在纵向测试截面区域中的位置，i表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的横坐标，j表示测试点或待测点在纵向测试截面区域中的纵坐标； 5)获取透射和反射的插值Grid文件后，利用矩阵运算方法求取Grid文件中每一元素所对应的光能截获率； 6)基于求取的纵向测试截面区域中测试点和待测点的光能截获率，对作物群体在整个测试空间区域内的任意点PAR数据进行空间插值生成空间格网文件，并采用多重积分法计算整个测试空间区域的体积，然后除以作物冠层的纵向测试截面区域的面积，得到群体整个光能利用效率。
6.如权利要求5所述的一种作物群体光能空间分布量化方法,其特征在于:所述纵向测试截面区域内设置一测试框架，所述测试框架采用矩形框架，所述矩形框架的宽度为作物的行间距离，所述矩形框架的高度根据测试需要进行设定；所述矩形框架上横向间隔平行设置有若干横向测试杆，每相邻两个横向测试杆之间的间距相同，测试点根据测试需要均勻分布在每一所述横向测试杆上。
7.如权利要求5?6任一项所述的一种作物群体光能空间分布量化方法,其特征在于:所述步骤3)的插值方法采用克里金插值方法。
8.如权利要求5?7任一项所述的一种作物群体光能空间分布量化方法,其特征在于:所述步骤5)中的Grid光能截获率(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获率等于I减去该元素所对应的PAR反射率再减去该元素所对应的 PAR 透射率 ，即:In=l-PARt/PAR1-PARr/PARI。
【文档编号】G01N21/59GK103439299SQ201310405245
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】李亚兵, 韩迎春, 毛树春, 范正义, 王国平, 冯璐, 杨北方 申请人:中国农业科学院棉花研究所