Développement d'un modèle de radiosité mixte pour simuler la distribution du rayonnement dans les couverts végétaux - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Access content directly
Theses Year : 1997

Development of a radiosity model to simulate spatial distribution of light inside plant canopies

Développement d'un modèle de radiosité mixte pour simuler la distribution du rayonnement dans les couverts végétaux

Michaël Chelle

Abstract

Light regulates many facets of plant growth and development through both quantitative effects of total energy (photosynthesis) and spectral quality (photomorphogenesis). Light also contributes to the global energy budget and thus to temperature. Several crop models treat the plant canopy as a single plant that takes the mean features of the plant population. A more realistic approach considers the canopy as a population of individual, interacting plants. This approach enables the study of plant competitions like competition for light. The new crop models need a more spatially accurate radiative budget than the mean plant models. The existing radiative models were developed for the homogeneous, non-interacting plant models. The old radiative models consider the canopy as a turbid medium and compute a radiative budget with the linear Bolzmann transport equation that is spatially integrated and not distributed by plant organs. The advantage of these models are speed and the ability to deal with big canopies. Frequently used computer graphics models, such as ``radiosity'', compute implicitly the spatial distribution of light intensity within the canopies. Their drawbacks are their inability to deal with big canopies and their requirement in computer memory and time. Here we investigate a new approach that we called nested radiosity. It mixes SAIL, a turbid medium model (TMM) and a radiosity model. We distinguish distant and nearby illumination. Light reflected from distant organs is computed with a quick TMM, and light regime provided by nearby surfaces is computed with an accurate radiosity model. Our model enables the computation of a canopy distributed radiative budget with a moderate computer time. Furthermore for a given canopy geometry we can compute without additional computer time several radiative conditions (wavelength, sun position,...), because form factors need not to be recalculated to be used with many different radiative parameters. For the validation of our model, we have developed a Monte Carlo ray tracing. We show good validation between our model and Monte Carlo simulations of typical cases.
Un des paramètres importants du fonctionnement d'une culture est le rayonnement capté par ses organes. Les flux radiatifs interviennent dans les phénomènesbiologiques (photosynthèse, photomorphogénèse), mais aussi dans le calcul de la température des organes, paramètre déterminant du fonctionnement des plantes. De nombreux modèles simulent le fonctionnement d'une culture en assimilant le couvert végétal à une plante ayant des caractéristiques correspondant à la moyenne des plantes constituant le couvert. Une nouvelle approche consiste à ne plus considérer le couvert statistiquement, mais comme une population de plantes interagissantes. Ceci permet notamment d'étudier les phénomènes de compétition au sein d'un même culture, mais aussi dans le cas de couvert pluri-spécifique e.g. plantes cultivées--adventices. Ces modèles nécessitent une description plus fine du bilan radiatif que les modèles ``plante moyenne''. Ainsi les modèles radiatifs utilisés classiquement assimilent le couvert à un milieu continu et décrivent les échanges radiatifs par l'équation du transport de Bolzmann. Ces modèles ont l'avantage d'être rapide et de pouvoir traiter des couverts très grands. Cependant ils ne fournissent que des flux moyennés spatialement à partir desquels il est délicat de calculer le bilan radiatif distribué par organe. Les modèles radiatifs développés en infographie, comme la méthode de radiosité, calculent les échanges énergétiques surface à surface. Ceci leur permet d'estimer de fait le bilan distribué recherché. Les inconvénients de ces méthodes sont leur limitation en taille de scène et leurs besoins en ressource machine (temps CPU et mémoire). Nous avons choisi une nouvelle approche couplant un modèle volumique SAIL et un modèle surfacique, la radiosité. Le couplage consiste à calculer par le modèle volumique rapide l'éclairage d'un diffuseur par les nombreux diffuseurs lointains et de calculer précisément par la radiosité les contributions des quelques diffuseurs proches. Notre approche, que nous avons baptisée radiosité mixte, permet de calculer le bilan radiatif distribué d'un couvert végétal en un temps raisonnable. Chose essentielle dans une optique de couplage avec un modèle de fonctionnement, elle permet pour une même géométrie de calculer de façon quasi-instantanée d'autres conditions radiatives (longueur d'onde, position du soleil, sénescence des couches basses). Ceci est possible, car le coût en temps calcul provient du calcul des facteurs d'échanges entre diffuseurs qui sont purement géométriques. Nous avons validé notre modèle dans quelques situations représentatives. Pour cette validation, nous avons dû mettre en œuvre un modèle de référence basé sur la méthode de Monte Carlo, le lancer de rayons stochastique.

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tel-02841953 , version 1 (07-06-2020)
tel-02841953 , version 2 (21-06-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02841953 , version 2

Cite

Michaël Chelle. Développement d'un modèle de radiosité mixte pour simuler la distribution du rayonnement dans les couverts végétaux. Informatique [cs]. Université de Rennes 1, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02841953v2⟩

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