导　　师： 洪添胜

学科专业： H2801

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南农业大学

摘　　要： 本文根据果树的形态特征，探索果树lai的地面测量机理，利用三维数字化仪进行果树3d结构分析，建立lai理论计算的三维可视化模型，确立果树lai与果树生物量关系，并制作基于真果树的人造树和太阳模拟器，利用基于计算机虚拟仪器技术的样机进行在室内下的光斑检测试验，依据试验结果验证果树lai理论计算模型。 主要内容和结论如下： (1)对番石榴果树的叶长、叶面积、叶干重、枝长、枝直径、枝干重等参数进行处理分析。叶面积—叶干重线性回归表明两者有高的线形关系，并表明lai—叶生物量的关系密切。叶干重—枝干重线性回归表明两者有较高的线形关系，可以通过其中的一个参数生物量求另一个的参数的生物量，进而得到果树总生物量。枝生物量的较佳的易测因子组合为d<'2>h。枝直径—叶面积与枝直径—叶干重两个回归表明枝直径推导叶元素有一定的可行性。无论是叶干重和湿重和枝的干重和湿重线性回归表明可以通过湿重来求干重。研究中，探索出一套叶面积处理的方法，如正反面的误差、消边处理、空洞缺边的处理等。 (2)实现番石榴树的枝叶可视化和投影并提出一种有效的投影方法。程序提供可以任意切割三维空间并显示空间果树的阴影与阴影面积和生物量等的功能。实验前对三维数字化仪进行标定，得到误差分布图。 融合真树和虚拟果树的参数，构建了lai—生物量关系模型，推导出分层的高度—叶面积、叶面积—叶干重等关系，验证了结论 (1) 中真树对应参数的关系。利用虚拟果树推导出分层的高度—叶面积、叶面积—叶干重等关系的相关系数r<'2>均在0.98以上。另外，直接测量与虚拟果树切割得到的面积—干重回归方程近似同一公式：y=0.01x。两类完全不同的测量方法具有相似的结果，既验证了直接方法的回归方程的真实性，同时也验证虚拟果树的可行性。 (3)通过3d数字化仪采集真树的坐标，用独特的工艺，进行人造番石榴树的构建，并实现人造树的可视化。人造树高度和累积叶面积的线性回归表明两者具有较高的相关性；人造树阴影面积和叶累积面积线性的回归表明两者具有高的相关性。 整体相片比较，人造树与真树轮廓基本一致。外观尺寸相对误差在3％之内。叶子坐标误差服从正态分布。真树—人造树随高度变化的投影面积误差与累积面积的误差、相对误差分析如下：累积面积误差较小，高度为0～65cm范围段稳定。累积投影面积误差为20％，高度为0～65cm范围段稳定。人造树需要定时校准，可以利用虚拟果树的阴影检测来校正。 (4)用vc编写叶子平面随机分布模型的计算机仿真可视化程序，模拟太阳直射将叶子垂直投影到平面上。构建了一个有效的随机分布方法，其中，投掷的叶子总数和单片叶子的宽、长均可根据真实的叶子参数进行修改或匹配。 利用随机组合方法分析了不同采样数目与置信水平关系，以及推导采用数目与变异系数的关系，从而确定在一定置信水平、误差条件和变异系数下需要最佳的采样数目，并将程序编译成为dll，通过labview的clf节点来调用。 模型根据番石榴树的具体参数进行匹配，匹配后的数据结果初步分析，编辑成为表格，作出了阴影率的采样数与置信水平的关系图；对数据进行3次回归，线性插值，得到6个不同置信水平、8个变异系数、4组误差水平的下的合理采样数表；作置信水平与合理采样数的关系图和cv与合理采样数n的关系图，并对结果分析。采取试采样数n’的方式，通过置信水平和误差的关系，先试求局部cv’。最后，获得虚拟果树下的置信水平和合理采样数的关系表，与随机分布的模型进行验证。真树采样数和人造树采样数的线性回归r<'2>为0.9987；cv为0.84和cv为1.27的随机分布合理采样数和真果树采样数的线性回归的r<'2>分别为0.9061和0.9753；对数函数回归的r<'2>分别为0.9924和0.9952。 (5)太阳模拟器试验结果表明不同高度、不同位置下，叶片的投影面积大小没有显著差异，证明系统输出的光是比较均匀和具有一定平行性。 在h不变条件，无叶情况下的能量p基本为恒值；h变化和无叶的情况下，h—p的回归函数是y=-1nx+b。有叶与无叶之间的能量t检验表明直射能量远远大于试验环境中散射的能量。 (6)利用虚拟仪器技术，构建一个果树lai测量样机(虚拟lai测试系统)。 副导轨行走定位相对误差为±1％。主导轨行走定位相对误差为+0.5％。系统中的par传感器测量的绝对误差为±0.04mv。；将传感器受光面积均匀性测量相对误差为±1.51％。在室内人造环境下，利用虚拟lai测试系统采集人造果树的光斑(阴影)率和lai，与虚拟果树模型计算的光斑(阴影)率和lai进行比较。固定大小叶片测量实验中，局部光斑动态测量相对误差为±1％；全局光斑动态测量相对误差为±3.75％。测量人造树下面积的光斑率绝对误差为-0.01，相对误差为-1.595％。lai测量绝对误差为0.016，相对误差为3.474％。

关 键 词： 果树 叶面积指数 地面测量 生物量 太阳模拟器 光斑检测

分 类 号： [S606.2 TP391.9]

领　　域： [农业科学] [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术]