農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中核桃冠層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬研究.pdf

1、農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)在解決農(nóng)林用地矛盾、改善生態(tài)環(huán)境、提高自然資源利用效率、促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要的實(shí)踐價(jià)值。林木冠層動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)系統(tǒng)對(duì)科學(xué)預(yù)測(cè)復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步開展功能與效應(yīng)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，提高復(fù)合系統(tǒng)調(diào)控管理成效具有重要技術(shù)支撐作用。同時(shí)對(duì)比野外試驗(yàn)研究，模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芄?jié)約人力、物力和財(cái)力，提高研究水平和工作效率。核桃-作物/藥草間作系統(tǒng)是華北石質(zhì)山地重要的土地利用方式，也是當(dāng)?shù)赝烁€林生態(tài)工程的主要模式之一，核桃復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)林木冠層結(jié)構(gòu)

2、的動(dòng)態(tài)模擬研究具有很好的代表性和實(shí)踐應(yīng)用性，有利于淺山丘陵地區(qū)不同類型脆弱生態(tài)區(qū)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。
　　在地處河南省濟(jì)源市的黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的核桃試驗(yàn)地，自2008到2011年，通過核桃的生長(zhǎng)發(fā)育觀測(cè)和冠層幾何結(jié)構(gòu)觀測(cè)，針對(duì)林木幾何結(jié)構(gòu)的相關(guān)田間實(shí)測(cè)技術(shù)及模型在形態(tài)學(xué)參數(shù)提取不易及時(shí)空分辨率不足等方面問題，從冠層幾何結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)特征參數(shù)測(cè)算和幾何形態(tài)模擬兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵入手，以生育期為時(shí)間尺度，基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，

3、綜合采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、分形理論及計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)等理論和方法，對(duì)核桃復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了田間試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，主要結(jié)果包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）應(yīng)用多基線近景攝影測(cè)量技術(shù)，形成了包括植株三維坐標(biāo)，以及植株主干高和胸徑、側(cè)枝長(zhǎng)和基徑、側(cè)枝生長(zhǎng)傾斜角度和伸展方位等冠層幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面測(cè)算在內(nèi)的樹木三維幾何形態(tài)測(cè)量技術(shù)，為林木虛擬植物的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)而實(shí)用的林木幾何形態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù)獲取技術(shù)。
　　該方法的測(cè)量及精度基礎(chǔ)是植株各部位

4、的三維坐標(biāo)測(cè)定，分析表明：X坐標(biāo)的絕對(duì)誤差0.000 m~0.023m，平均為0.006 m，相對(duì)誤差0.000％~0.162%，平均為0.042%；Y坐標(biāo)的絕對(duì)誤差0.001 m~0.032 m，平均為0.006 m，相對(duì)誤差0.007%~0.240%，平均為0.047%；Z坐標(biāo)的絕對(duì)誤差0.000 m~0.031 m，平均為0.002 m，相對(duì)誤差0.000%~0.269%，平均為0.020%。測(cè)量精度完全滿足了植物冠層幾何結(jié)構(gòu)數(shù)值

5、表達(dá)的精度要求。
　?。?）建立了基于有效發(fā)育日數(shù)概念的核桃發(fā)育的物候期模擬模型，構(gòu)建了基于Logstic方程的核桃株高、主干粗生長(zhǎng)、側(cè)枝的粗生長(zhǎng)和高（長(zhǎng)）生長(zhǎng)等模擬模型，以及雙圓曲線葉片形狀模型及葉片發(fā)育模型，為虛擬植物三維幾何形態(tài)構(gòu)成提供了基本參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　對(duì)比2011年物候期觀測(cè)資料，物候期模擬模型在整個(gè)生長(zhǎng)季的物候期絕對(duì)誤差2~4天、相對(duì)誤差0.0%~1.2%。
　　對(duì)比2011年15株核桃樹高和胸徑觀

6、測(cè)資料，樹高模擬的絕對(duì)誤差0.8 cm~61.8 cm，平均為27.6 cm，相對(duì)誤差0.2%~14.1%，平均為5.5%；胸徑模擬的絕對(duì)誤差0.1 cm~3.2 cm，平均為1.4 cm，相對(duì)誤差0.4%~24.5%，平均為11.4%。15株核桃平均樹高505.5 cm、平均胸徑12.7 cm，樹高絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別為4.7 cm和0.9%，胸徑絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別為0.3 cm和2.4%。
　　對(duì)比7個(gè)復(fù)葉（共59片小葉

7、）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，單片小葉面積模擬的絕對(duì)誤差0.0 cm2~14.9 cm2，平均為2.2 cm2，相對(duì)誤差0.2%~11.9%，平均為3.8%。
　?。?）基于核桃?guī)缀涡螒B(tài)生長(zhǎng)發(fā)育模型的模擬結(jié)果，采用基于L-系統(tǒng)分形技術(shù)的虛擬植物模擬方法和 OpenGL的三維可視化技術(shù)，建立了林木單植株生長(zhǎng)的可視化動(dòng)態(tài)模擬模型。
　　在單植株模型基礎(chǔ)上，通過分級(jí)分層實(shí)現(xiàn)、枝條大小和伸展角度變化、葉片角度和顏色深淺變化、矢量角計(jì)算等途徑實(shí)現(xiàn)多行

8、植株模擬，構(gòu)建了林分尺度的、“四維”動(dòng)態(tài)的虛擬植物模型。
　　模型采用模塊化開發(fā)方法，在枝、葉等幾何形態(tài)特征生長(zhǎng)參數(shù)方面均有相應(yīng)輸入接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)量化植物生長(zhǎng)模型和圖形化植株幾何形態(tài)的表達(dá)，為今后模型系統(tǒng)的進(jìn)一步完善奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　（4）基于葉片形狀模型，以像素為計(jì)算單元，采用幾何圖形的布爾加和運(yùn)算法則、蒙特卡羅概率方法模擬了單株和林分尺度的冠層透光特征。模擬值誤差分析顯示，核桃林冠下地面處的透光率實(shí)測(cè)值和模擬值

9、的相對(duì)誤差平均為15%。說明輻射模擬模式基本具備了定量描述農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中太陽輻射傳輸規(guī)律的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)功能，可為核桃-作物/藥草間作系統(tǒng)配置模式提供輻射數(shù)據(jù)支持；同時(shí)也表明模型有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
　?。?）基于冠層輻射傳輸?shù)臄?shù)值模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合決明子、綠豆、紅小豆、小辣椒、花生等當(dāng)?shù)爻Ｒ娊?jīng)濟(jì)作物及藥用植物的溫光特性，提出核桃-經(jīng)濟(jì)作物、核桃-藥草復(fù)合系統(tǒng)合理經(jīng)營(yíng)年限、空間結(jié)構(gòu)配置方案，為不同核桃樹齡條件下農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)控與優(yōu)化

10、、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理提供了重要的指導(dǎo)作用；同時(shí)，也為今后相應(yīng)間作系統(tǒng)作物共生期生長(zhǎng)發(fā)育模擬試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　上述研究成果經(jīng)過不斷完善，將具有很強(qiáng)的實(shí)用性，在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景，可為生態(tài)興國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施提供重要的技術(shù)支撐。然而，由于研究實(shí)際年限只有4年，研究工作僅集中于林木生長(zhǎng)發(fā)育期的部分階段，這對(duì)于核桃等生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)的果樹而言顯然不足，更進(jìn)一步研究成果的獲得尚需要長(zhǎng)期的定位研究，尤其是要加強(qiáng)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木幾