作物能量平衡和热辐射方向性模型.docx

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作物能量平衡和热辐射方向性模型

作物能量平衡与热辐射方向性模型

联系人：

黄华国

Email:

hawkhhg@

1.模型简介

为了揭示热辐射方向性的时空尺度效应，建立了同时求解作物和土壤的三维组分温度分布模型（ECUPID）和三维热辐射方向性模型（TRGM）。

以行播作物为例，耦合ECUPID模型和TRGM模型，实现了三维作物冠层温度分布模拟系统。

对两个模型而言，桥梁包括：

某时刻的组分温度分布（THERMAL.IN）、大气下行辐射、太阳辐射、直射光比例、太阳位置和光学参数等。

其中必须保证结构参数输入的一致性。

比如先产生3D场景，然后降维到CUPID模型所需的一维状态中。

2.目录组织

以VisualC++和OpenGL开发了集成应用界面（RGMDisp.exe），主要包括L系统，ECupid系统，TRGM系统和显示系统。

目录组织如下：

+根目录（\）

+Bin-----------------------------------------------------------------可运行程序目录

RGMDisp.exe------------------------------------------------主界面

+run-----------------------------------------------------------TRGM程序目录

ref.exe----------------------------------------------------计算可视因子、BRF、DBT等

mer.exe--------------------------------------------------合并哈希表，计算可视因子

sol.exe---------------------------------------------------求解多次散射

runtir.bat-----------------------------------------------热辐射方向计算批处理程序

poly.in---------------------------------------------------3D作物结构文件

optics.in------------------------------------------------场景组分光谱文件

ref.in----------------------------------------------------环境参数和传感器参数

sensor.in-----------------------------------------------传感器波段响应函数

soil.in--------------------------------------------------土壤面元个数描述

thermal.in--------------------------------------------从Ecupid结果提取的温度分布

+ecupid--------------------------------------------------------Ecupid程序目录

CUPID_INPUT_SIMPLE.xls--------------------Cupid模型简易输入界面

Ecupid.exe----------------------------------------------Ecupid模型主程序

c6.filist--------------------------------------------------Ecupid程序必需的引导文件

+Examples----------------------------------------------Ecupid模型运行案例

+Help----------------------------------------------------------程序帮助

帮助文档.doc-------------------------------------------本文档

+SourceCode-------------------------------------------------程序源代码

+EcupidV2---------------------------------------------Ecupid代码

+RGMDisp---------------------------------------------主界面源代码

+TRGM-------------------------------------------------TRGM源代码

3.运行步骤

如图1所示，该耦合模式的模拟步骤如下：

1）输入作物结构、土壤纹理、土壤湿度和气象数据等参数，运行ECUPID模型，得到叶片的温度分布、光照土壤温度和阴影土壤温度；如果有穗，也会得到穗的温度分布。

2）根据冠层的结构参数，采用L系统产生真实的小麦和玉米景观结构；

3）结合1）和2）给出的作物场景和组分温度分布，利用TRGM模型模拟方向亮温分布；

图1“松耦合”温度分布模拟系统流程

2、读取Ecupid结果，生成TRGM运行所必需的文件，批处理运行

1、PAR文件定义，L系统生成POLY.IN

图2主界面

首先，利用参数文件（*.par）定义作物的结构，然后生成三维场景（POLY.IN）。

Par文件格式如下：

#-------canopystructures（unit:

cm）--------

3numberofrows

8maxnumberofcolumnsorclusters

1.83LAI

15rowspacing（unit:

cm）

5.0columnspacing（unit:

cm）

0.0soilroughness（unit:

cm）

0.0soilridgeheight（unit:

cm）

5.0soilridgewidth（unit:

cm）

#---clusterposition（numberofpoints,point1,point2..pointn）----

75121416203538clusterinline1

6589153040clusterinline2

7562022253040clusterinline3

#-------plantstructure-------

5numberofleavesperplant

10.1StemZenith

20.000Stemmeanheight（unit:

cm）

2.0Stemheightroughness（standarddeviation）（unit:

cm）

0.1500Stemradiusbottom（unit:

cm）

0.15000Stemradiusup（unit:

cm）

#-------Foreachleaf,usingx*（x-1）tofitthecurve二次曲线-------

#IDrelative_heightLength（cm）segement_anglecurveshapeleaf_width[0]-[5]

10.188.0300.00.60.30.350.50.450.250

20.299.5400.20.70.40.450.6270.40.350

30.4712.0560.40.80.40.550.7250.550.350

41.015600.250.80.620.850.950.740.550

51.010.07500.40.230.230.330.330.20

关键过程包括根据LAI自动计算场景密度，利用分形获得粗糙土壤，不均匀作物位置分布确定和利用二次曲线计算叶片形状。

然后，系统调用ECupid界面（CUPID_INPUT_SIMPLE.xls），构建输入文件，并且输出组分温度等信息。

接着，系统提取ECupid输出文件中的部分信息，构建TRGM模型所必须的参数文件：

REF.IN,THERMAL.IN,OPTICS.IN等。

根据选择的时刻列表，批处理执行TRGM模型

图3集成界面（点击主界面工具图标2）

最后运行TRGM，采用显示系统分析辐射分布和方向亮温结果。

4.常见问题

1、哪些输出文件是BRF和DBT？

BRF.dat为整个场景的BRF；BRF*.dat为某个组分的BRF。

同理DRT.dat为整个场景的DBT；DRT*.dat为某个组分的DBT。

2、输入文件必须在程序当前目录下么？

目前必须如此。

建议每次运行，单独建立一个目录，将可执行程序和输入文件放过在一起运行。

这样可以保证程序安全。

3、参考哪些文献呢？

1）黄华国.典型农作物冠层温度分布模拟研究.中科院遥感应用研究所博士学位论文.2007

2）QinhuoLiu,HuaguoHuang,WenhanQin,KaiHuaFu,XiaowenLi.A3DRadiosity-GraphicsCombinedmodelforstudyingdirectionalbrightnesstemperatureonCrop.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing.2007

3）苏理宏,李小文,王锦地（2000）.扩展的L系统与三维自然景物图形.计算机应用

4、为什么执行提示找不到动态链接库？

因为目前程序均为Debug版本，安装Fortran和VC++后就能正常运行。

当然也可以只拷贝必须的几个文件（*.dll）。

5.附录

1ECUPID输入参数

CUPID模型采用单一的输入文件（比如INPUT.IN）来描述所有参数信息。

ECUPID在不影响原来文件结构的原则下，增加了EAR.IN文件，描述穗结构和热属性信息。

INPUT.IN主要包括包含五部分信息，用来运行和解释植被环境系统的模拟结果。

前两行为注释，描述文件的一些背景信息。

1.输出格式定义描述：

ECUPID可以根据不同目的进行定义输入和输出；

2.植被-土壤-大气系统的常量信息，比如土壤结构，植被结构、参考高度和分层等；

3.日尺度参数；

4.土壤水分含量；

5.小时尺度参数：

气象站数据。

输出格式代码定义

第一个数字代表共有多少组代码定义。

每个代码定义是一个成对数字，每对数字代表一组输出变量或者廓线（输出变量ID输出时间）。

例如：

共有47组输出数据：

47111213141516171819110111112

212223242526272829210211212213214

4142434451

7172737475777879710713

716717718721722727

1（标志变量ISPECL：

是否输出垂直廓线）

1051525354555657818283（输出10组廓线）

126（廓线输出时间，从1到26）

植被-土壤-大气系统信息

包括地地理位置，土壤属性，喷灌数据，植被属性，传感器位置和模拟精度定义。

可以参考输入变量列表。

一个例子：

-----------------------------------------------------------------------------------------------

11（天数MDAYIN,指定的那一天MDAY（LL）,LL=1,MDAYIN）

39.0596.5390（纬度经度中央经线）

3.14338.90.0（坡度坡向（东为90度）水平倾角）

-----------------------------------------------------------------------------------------------

土壤信息

1.21200.003（土块大小土壤层数参考深度m腐殖层粗糙度（0.003平地,0.01粗糙）

0..005.01.025.075.1.15.2.3.38.4.42.5.6.7.81.0（土壤分层节点高度m）

3（n层土壤纹理数据）

（层高,体密度,SAND,SILT,CLAY,QUARTZ,PE,土壤水力释放曲线BX,饱和水传导率DAK）

0.101.2.10.55.35.43-2.865.001.2e-4

0.401.3.05.40.55.43-9.676.501.1e-5

1.001.4.15.45.40.43-1.615.643.8e-4

0102.52.2（岩石层是否存在起始岩石层岩石热传导岩石热容量）

2.E-50.010.05（收敛容差DELDDRHSFCRHSLOP）

-----------------------------------------------------------------------------------------------

灌溉信息

4.0198760.2578700.0289330.0012380.000077（灌溉水温度计算参数TIRRIG）

10882.7266287.241455-3.0882-75.019791-2.499599-0.1965（水滴蒸发计算参数ETSUM）

5619.871090-1266.6325747.5004883.5075990.083400（水滴热交换计算参数QSUM）

173.8760833.428699-0.770100-0.105900（水滴蒸发计算参数ETFIX）

-68.959198-18.9974820.4104000.192600（水滴热交换计算参数QFIX）

2.84.528.24.53.27.13.5（喷灌头水滴最大高度ZMAX,喷灌头高度HTSPK,喷灌头上部子层ABSPK,喷灌头下部子层BSPK,喷灌头压力SPKPRS,喷灌头角度BDYANG,水滴离开喷灌头时的温度TDROPI）

-----------------------------------------------------------------------------------------------

植被信息

10（是否计算热辐射方向性冠层最上层是否有穗）

0（是否只计算主平面）

6（主平面的观测天顶角个数）

0.20.35.50.65.80.（主平面观测天顶角）

60.51530456075（天顶角个数天顶角）

690.135.180.225.270.315.（视场方位角个数方位角）

9162.21.03（9种叶片倾角最大冠层层数最小冠层层数单层LAI簇状因子3波段）

.96.95.5（叶片比辐射率土壤比辐射率大气下行辐射比例）

（3波段土壤反射率3波段叶片反射率3波段叶片透过率）

.05.15.05.136.415.04.08.463.0

.218.417.04.03.12.0（死亡叶片的反射率和透过率）

0.0.8.160.0.41.18（叶片反射率非朗伯纠正系数）

0.0.3.220.0.57.23（叶片透过率非朗伯纠正系数）

LAD信息

是否球形分布倾角种类每个角度的叶面积分量

19.07.16.29.30.18.18.18.18.18

11.1722.770（均值方差，或者Beta分布拟合LAD）

.02.100.03（行距m株距m叶宽m）

34（3表示读取LAI每平方米植被株数）

20.22.50.030.71（参考高度m临界冠层高度m摩擦系数相对粗糙长度相对位移高度m）

521.61.31.00.7（冠层上大气的层数每层高度）

30.10.0650.03（冠层下空气的层数每层高度）

3000.100.3.100.（气孔光响应特征RCUT20RSMINANSTOMRADN）

30.45.-2.6.5.（气孔温度响应特征TRSOPTTRSMAXTRSMINRSEXPRSM）

-10.0-25.0.4（叶气孔水分潜力参数PSI1PSI2CIDCAI）

（植物种类C3/C4CO2浓度ppm气孔五参数叶片边界层阻抗）

233010.01370.440.0830

040.（光合作用温度1表示没有温度影响0表示采用固定温度）

3.E6（含水根系阻抗RROOT）

0.50.20.15（茎截流降水分量降水湿叶比例湿叶最大厚度）

日尺度参数

2（天数）

（DOYLAI绿色叶片比例,HEIGHT,根系深度系数最低绿色叶子的相对高度,当天最大叶面积密度所在相对高度,土壤底层温度,土壤底层水分体积含量）

2222.60.650.592.40.150.5524.7.21

2292.60.650.592.40.150.5524.7.21

可以只是指定有限几天，而利用内插获得其它天的数据。

输入的第一天必须和气象数据的第一天一致。

程序不做检查。

土壤水分

土壤水分廓线紧接在日参数后面，其层数和3.2.3中一致。

.303.303.303.303.227.225.224.222.218.214.214.214.21.21（WATER）

气象站数据

81.01.0（天数白天和晚上潜在辐射与真实辐射的比例）

年DOYHour风速太阳辐射（PAR,NIR）大气下行辐射气温空气湿度降水量降水类型

19872220.251.9-1.01.5-1.0-1.0-1.019.517.60.000

19872220.752.0-1.01.5-1.0-1.0-1.019.617.50.000

19872221.251.7-1.01.5-1.0-1.0-1.019.517.50.000

时间步长数据包括：

时间信息YEAR,DAYOFYEAR,LOCALTIME

风速WINDSPEED（m/s）

辐射通量RADIATIONFLUX（W/m2）

空气温度AIRTEMPERATURE（C）,

空气水蒸气气压AIRWATERVAPORPRESSURE（mbar）,

降水量PRECIPITATION（mm/timestep）

降水量格式标志变量：

IRRCHK（0=没有降水,1=喷灌,2=沟灌,3=雨水）

因为不同组合很多，辐射数据有点复杂。

光合有效辐射和近红外辐射、直接辐射和散射辐射的组合都有可能。

五列数据分别为：

总光合有效辐射TOTALPAR

总近红外辐射TOTALNIR

部分光合辐射PARBEAMFRACTION

部分近红外辐射NIRBEAMFRACTION

天空热红外辐射SKYTHERMALRADIATION.

不过通常只有太阳辐射，所以可以这样输入：

-1,总太阳辐射（Wm-2）,-1,-1,-1."-1"表示由模型自动计算。

穗参数

在EAR.IN文件中仅包括穗的热属性参数和结构参数。

例如：

28260.518850（HeatCapacity/ThermalConductivity/DensityofGrain）

32860.36890（HeatCapacity/ThermalConductivity/DensityofCob）

0.10.014727（EarLength,radiusanddensity）

图形用户界面GUI

CUPID模型采用Fortran77实现，没有界面。

为了方便用户使用该模型，采用Excel开发了录入界面，集成了气象要素模拟功能。

图3.2.1描述了模型的总界面，可以录入和保存成INPUT.IN文件，并可以直接调用ECupid程序。

图3.2.2示意了录入界面，可以根据类别找到Excel表格中对应的地方，进行更多的修改。

图3.2.1CUPID模型界面

Fig.3.2.1CupidGUI

图3.2.2CUPID输入参数录入界面

Fig.3.2.2InputGUIforkeyparameters

图3.2.3集成了Bird的太阳辐射模拟界面

Fig3.2.3solarradiationsimulationGUIintegratedfromBirdmodel

2输出参数

输出文件包括两个，OUTPUT.OUT和OUTPUT.TEMP。

OUT文件包含所有的输出信息：

小时为单位的温度、湿度、通量和辐射等；小时扩展到天尺度的平均通量等，这些结果均有配套的时间参数、地点参数和结构参数。

我们关注的是按照小时、分层和叶片倾角组织的叶片温度。

将其提取出来经过组织，便形成后面TRGM模型所需的重要输入参数文件THERMAL.IN：

1910（叶片层数，包括阴影叶片的倾角数目）

28021582612021.5012.5249.46347.010.010.042796.1155.6

28021582611921.5012.5850.12345.690.010.042794.3169.1

28021582611821.5012.6150.40345.170.010.042793.5175.8

28021582611721.5012.6350.62344.790.010.042792.9181.3

28021582611621.5012.6550.81344.470.010.042792.4186.4

28021582611521.5012.6650.97344.200.010.042791.9191.1

28021582611421.5012.6851.12343.960.010.042791.5195.6

28021582611321.5012.6951.26343.750.01