A dynamic model of maize 3D architecture : application to the parameterisation of the clumpiness of the canopy

Un modèle 3D d’architecture de maïs est proposé. Il permet de simuler le transfert radiatif dans le couvert nécessaire à la description du fonctionnement de la végétation, ou aux études de télédétection. Il est basé sur un modèle statique précédent de représentation de l’architecture 3D de plantes de maïs complètement développées (stade de l’épiaison mâle). Des lois de croissance en dimension des feuilles et des tiges ont été établies à partir d’observations expérimentales, de manière à décrire l’architecture des plantes pour tout stade à partir de l’architecture des plantes complètement développées. La courbure et la forme des feuilles sont supposées être les mêmes durant toute la vie de la feuille, sauf au moment où elles apparaissent dans le cornet. Le temps est décrit par le nombre de feuilles apparues, qui peut être facilement déduit de la somme des températures. Le modèle nécessite quatre variables d’entrée: la géométrie du semis (distance entre rangs et entre plantes), le nombre de feuilles produites et la hauteur de la plante à la floraison, ainsi que la surface foliaire totale produite des plantes complètement développées. Le modèle, validé sur des jeux de données indépendants, donne une bonne représentation de la structure 3D du couvert. Ce modèle est ensuite utilisé pour étudier la fraction de trous qui constitue une des variables principales du transfert radiatif. La fraction de trous Po(θ), observée dans la direction θ est classiquement décrite par une fonction exponentielle de l’indice foliaire, L: ( formule, voir document attaché ) où λo est le paramètre d’agrégation décrivant la distribution spatiale non aléatoire des feuilles, et G est la fonction de projection qui dépend de la distribution des inclinaisons foliaires. La fraction de trous a été ajustée sur une série temporelle de couverts de maïs générée par notre modèle dynamique d’architecture 3D. Les résultats montrent que les couverts de maïs ont un caractère agrégé marqué, avec un paramètre d’agrégation proche de λo ≈ 0.8, qui dépend à la fois du stade de la culture et de la direction d’observation. (© Inra/Elsevier, Paris.)

A dynamic 3D maize canopy architecture model is proposed for radiative transfer computation required for canopy functioning or remote sensing applications. It is based on a previous static model describing the 3D architecture of fully developed plants observed at the male anthesis stage. Laws of development and growth in dimension of the stem and the leaves are established based on experimental observations, in order to infer plant architecture at any stage from that of fully developed plants. The leaf curvature and shape are assumed to be the same over the whole leaf duration, with the exception when leaves are still within the top leafy cone at younger stages. The time is described by the number of visible leaves, which can easily be deduced from the cumulated growth degree days. The model requires only four input variables: the sowing pattern (row distance, plant density), the final number of leaves produced, the maximum height at anthesis, and the cumulated leaf area for the fully developed plants. It was validated on independent data sets and provides globally good performances. The model is later used to parameterise the canopy gap fraction which is one of the main variables governing radiative transfer processes. The gap fraction Po(θ) for the observation direction is classically described by an exponential function of the leaf area index, L: ( formula, see attached document ) where λo is the clumping parameter describing the non-random leaf arrangement and G is the projection function that depends on the leaf inclination distribution function. The gap fraction model was adjusted over a time series of maize canopies simulated using our 3D dynamic canopy architecture model. We showed that maize canopies have a marked clumped character, with an average clumping parameter of λo ≈ 0.8. However, results suggest that the clumping parameter depends on the developmental stage of the canopy, and, to a lesser degree, on the observation direction θ. (© Inra/Elsevier, Paris.)