三維虛擬植物模型可用于果樹冠層結構及光截獲的精準量化評價

據《中國農業(yè)科學》2014年第23期《矮化中間砧短枝富士蘋果高紡錘樹形冠層結構與光能截獲的三維模擬》（作者楊偉偉等）報道，以14年生矮化中間砧高紡錘形富士（西府海棠/M26/禮泉短富）為試材，以田間樹體數(shù)字化測定為基礎，獲取枝葉特定形態(tài)參數(shù)，利用計算機模擬重建三維虛擬植物。借助虛擬植物模型進行虛擬試驗，定量研究冠層結構、光截獲和果實的空間分布。確定了樹體枝葉間異速生長關系：枝（梢）長度分別與枝（梢）葉片數(shù)量和枝（梢）的總葉面積、葉片長度分別與葉柄長度和葉片寬度、葉片長度的平方與葉面積間均呈顯著線性關系。結合三維數(shù)字化技術與枝葉間異速生長關系，構建了蘋果冠層三維虛擬植物模型。

結果表明，葉片數(shù)量及葉片面積模擬值與實測值間決定系數(shù)分別為 0.92和 0.95，均方根誤差 分別為 1.18和 31.5 cm2，相對誤差分別為7.15%和5.86%。模型精度可滿足冠層結構與光截獲評價要求；模型可量化模擬各類枝梢及整體冠層葉面積、體積、光照射葉片面積、冠層或枝（梢）葉片被光線照射到的葉面積 與總葉面積比值（STAR）、郁閉度、葉面積密度相對方差（ξ）及STAR值的日動態(tài)變化。矮化中間砧高紡錘樹形枝（梢）主要分布于冠層高度0.5～2.5 m和距樹干水平距離20～80 cm空間范圍內，占總枝梢葉面積比例74.88%。 整體冠層體積、郁閉度分別為 4.47 m3、44.62%；營養(yǎng)短枝（梢）、營養(yǎng)長枝 （梢）及果臺副梢分別占樹體體積的69.73%、43.50%和41.26%，三者郁閉度分別為60.77%、54.12%和83.15%，平均STAR值分別為0.10、0.23 和 0.13；各類枝（梢）STAR 值空間分布規(guī)律明顯，隨冠層高度及距樹干水平距離增大而逐漸增加。果實主要分布于冠層高度0.5～2.0 m和距樹干水平距離20～60 cm空間區(qū)域；單位面積產量4.1×104 kg/667 m2；冠層適宜的營養(yǎng)短枝（梢）、營養(yǎng)長枝（梢）、果臺副梢葉面積比例為 （69.70%～73.13%）∶（11.25%～15.18%）∶（11.16%～14.27%）， 適宜STAR值分別為 0.08、0.14和0.11。整體冠層、營養(yǎng)短枝（梢）和果臺副梢的STAR值日變化曲線近似于雙峰曲線，營養(yǎng)長枝（梢）STAR值日變化為單峰曲線；各類枝（梢）STAR值皆與果臺副梢數(shù)量呈顯著負相關關系，與果實可溶性固形物、單果質量及橫徑呈顯著正相關關系。

結論，三維虛擬植物模型可用于果樹冠層結構及光截獲的精準量化評價，STAR值可量化評價冠層光截獲效率。