利用真实的三维冠层模型计算田间光截获的重要性


发布时间:

2023-10-28

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

量化冠层截光量有助于深入了解植物间距、冠层结构和叶片朝向对辐射分布的影响。这对提高作物产量和改善产品质量至关重要。利用三维植物模型和光学模拟可以量化冠层的光拦截。然而,由于真实的三维冠层模型(RCMs)在野外很难获得,因此经常使用虚拟三维冠层模型(VCMs)来量化冠层的光拦截。植物表型资讯介绍如下。

 

本研究旨在比较真实的三维冠层模型和虚拟三维冠层模型在光拦截方面的差异。采用先进的无人机交叉环绕(CCO)航线和运动恢复结构算法,在大面积上重建了逼真的三维玉米冠层模型(RCM)。然后在相应的RCM中心复制CCO构建的1、4和8个独立的真实植物,创建3种类型的虚拟三维冠层(VCM-1、VCM-4和VCM-8),并计算太阳辐射在冠层内的分布。将三维冠层三角形模型以ply格式上传到辐射模型中。该辐射传输模型采用了反向射线追踪法。基于该模型计算PAR (400 ~ 700 nm)。将各波段的性质简化为一致;即每个波段的叶片反射率和透射率设为0.1。以1 h为间隔,模拟每个测量日期06:00 ~ 18:00h的冠层光分布。散射迭代次数设置为8次。设置周期边界条件,消除域边缘效应。

 

图1 实验地点与交叉环绕航线设计示意图

结果表明。根据3个VCMs的计算的每单位面积的每日光线截取量(DLI)与RCM的差异显著,相对均方根误差(rRMSE)值分别达到20.22%、17.38%和15.48%。尽管随着用于复制虚拟植被的植物数量的增加,这种差异减少了,但VCM-8和RCM的DLI的rRMSE仍然达到了15.48%。还发现RCMs和VCMs之间的光线截取差异,在早期阶段(播种后48 DAS)比在晚期阶段(70 DAS)要小得多。这项研究强调了在田间计算光线截取时使用RCM的重要性,特别是在植物的后期生长阶段。

 

图2 不同生长时期玉米三维重建与性状提取结果图

 

图3 真实三维冠层与虚拟三维冠层示意图

 

表1 虚拟三维冠层与真实冠层不同时期DLI对比示意图

 

来 源

Xiao, S., Fei, S., Li, Q., Zhang, B., Chen, H., Xu, D., Cai, Z., Bi, K., Guo, Y., Li, B., Chen, Z., & Ma, Y. The Importance of Using Realistic 3D Canopy Models to Calculate Light Interception in the Field. Plant Phenomics, 5, 0082

 

作者介绍

论文第一作者为中国农业大学土地科学与技术学院博士研究生肖顺夫,论文通讯作者为马韫韬教授,合作者包括中国农业科学院农田灌溉研究所的陈震副研究员和中国农业大学的李保国教授、郭焱教授。中国农业大学数字农业研究团队主要研究方向为植物功能-结构-环境互作的系统仿真与数字孪生、基于机器视觉的植物生长信息的数据挖掘与应用、无人机大规模育种性状快速调查、育种机器人与农用传感器创制、多源传感器融合及数字农业应用、人工智能与智慧农业等研究。长期招收多名硕士、博士研究生和合作博士后,有意者请联系:yuntao.ma@cau.edu.cn。

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