黄瓜群体冠层在发育过程中存在的动态性、异质性复杂特征,使得黄瓜群体尺度冠层结构模型的构建成为一个十分困难的问题。目前,有关冠层动态发育的三维模型构建方法常常简化了冠层异质性特征,而考虑了异质性特征的三维模型构建方法却又无法兼顾动态性模拟的目的。针对以上问题,本研究以黄瓜群体冠层作为研究对象,通过深入分析其冠层动态性和异质性结构特征,提取了冠层结构的动态性、异质性几何参数;并将描述器官动态性和器官分布异质性的模型相整合,实现了三维黄瓜群体冠层的参数化构建,并利用多尺度验证方法对冠层结构模型进行系统验证。最后还尝试利用该方法与功能模型相耦合,实现了基于功能-结构模型的日光温室黄瓜栽培株行距定量化试验,为栽培密度最优化设计提供理论支持。本文的研究内容及结果如下:1.通过多茬口的定株连续测量试验,对器官的发生和生长规律进行了定量化分析,构建了叶长、叶宽、柄长、节长随有效积温的非线性回归模型,模型相关系数R2均大于0.95。通过密度处理试验和品种处理试验对模型模拟准确性从均方根差RMSD(Root mean squared deviation)、乖离率(bias)以及准确率(accuracy%)进行系统验证。验证结果表明,体节发生模型对不同密度、不同品种的任意时期体节数模拟准确性较好,accuracy验证结果均>0.90。叶面积累积模拟在密度处理验证中准确性较高,平均accuracy验证结果为0.84,在品种处理验证中仅对‘京研迷你2号’模拟效果较好,对‘戴多星’和‘金童’的模拟结果均存在较大差异。通过进一步器官尺度验证表明了产生误差的原因在于品种之间叶片扩展速率以及叶片最终大小存在差异。叶柄长及节长的模拟结果表明,温度并不是影响叶柄伸长和节伸长的唯一因素,密度的改变对叶柄长和节长有显著影响,光质和光量等因素应引入模型中,来进一步提高模型的准确性。多尺度验证结果不仅对模型准确性进行了系统验证,同时也为下一步模型完善提供了重要依据。2.以方位区间为单位,对区间内的黄瓜叶片分布、光截获以及光合日变化进行了系统分析,发现不同方位区域内叶片方位角、叶倾角以及光合特性均存在异质性特征。利用冯?米塞斯分布(von mises distribution)分析找到了黄瓜叶片方位角分布在群体中的正旋和反旋现象,以及相邻叶片夹角呈144o的相关性。通过瑞利检验对多茬口不同生长阶段的叶片分布进行分析,发现了随着植株的生长,叶片在冠层中的分布规律从一开始的均匀分布逐渐变为南多北少的异质性分布。叶倾角也呈现南低北高的异质性规律。通过进一步的密度处理试验对多个茬口多个时期不同方位区域内叶片分布频率进行了定量化分析。分析结果表明,方位角分布频率与太阳高度角、叶面积指数、以及双行栽培的畦内和畦间行距存在着显著的相关性。基于以上结果构建了描述叶片分布频率异质性特征的方位角分布模型(azimuth distribution model),并利用cosine函数对畦内和畦间叶片分布频率进行了修正。同时还构建了叶倾角与方位角区间的关系模型。通过实测数据对模型准确性进行验证,准确率达到0.89。此外,还从光截获的角度验证了引入叶片方位角模型和叶倾角模型对群体光截获模拟准确性的影响。结果表明,将描述方位角分布和叶倾角分布异质性特征的模型引入冠层结构模型构建后,使基于参数化方法构建的冠层结构模型在光截获模拟中更加接近于真实的群体。与未考虑方位角和叶倾角异型性的群体相比,单株光截获模拟准确性提高了5.75%。3.基于模拟参数的黄瓜群体冠层结构模型构建通过将有效积温驱动的器官动态发育模型与器官异质性分布模型相结合,实现了任意时刻黄瓜冠层三维结构模型的构建。在此基础上,针对我国北方地区冬季低温、短日照的气候特征,构建了不同株距和行距处理的虚拟冠层结构模型,在与光分布模型和光合模型相结合的基础上,模拟分析了株行距改变对冠层叶片分布、光截获以及光合速率的影响,并得到了适宜于冬季低温弱光环境条件的最优株行距,为功能结构模型在实际生产中的应用以及作物栽培株行距最优化设计提供定量化的决策依据。