基于地面激光雷达数据反演森林冠层真实叶面积指数

True leaf area index (TLAI) has great ecological meanings and practical values in researches on directional reflectance characteristic of forest canopy, radiation regime within canopy, carbon cycle of forest ecosystem and global changes. This project will first develop the method which could retrieve key forest canopy parameters in indoor environment using TLS for coniferous and broadleaf artifical trees, and then outdoor experiments will be taken in natural forests for both coniferous and broadleaf tree species as well. The point cloud data (PCD) generated using TLS for both indoor and outdoor experiments will be collected. Based on the theories of optical instrument based LAI measurement, the TLAI for both whole canopy and horizontal layers with different height could be obtained by processing the PCD using "point cloud slicing algorithm" and "normal vector reconstruction algorithm". The TLS-based TLAI estimation method could not only improve the estimation accuracy of optical instrument based measurement, but also will provide a strong theoretical foundation and validation tool for the aerial laser scanning (ALS), space-bore light detection and ranging (lidar), or satellite based TLAI estimation.TLS-based ture leaf area index could provide relaible input parameter to the process-based ecologial model to simulate the carbon and water processes of forest ecosystem.

森林冠层真实叶面积指数对植被冠层二向性反射特性、林冠内部的太阳辐射分布、森林生态系统碳循环和全球变化等方面的研究具有重要的生态学意义和实用价值。本研究在光学叶面积指数观测理论的基础上，采取室内实验和野外观测相结合的方式，以马尾松针叶林和栎林阔叶林为研究对象，结合"点云切片算法"和"点云法向量重建算法"，利用地面激光雷达扫描系统生成三维点云数据，获取单株立木或森林样方林冠结构的关键参数，进而估算整个林冠及其不同高度的真实叶面积指数。基于三维点云数据估算真实叶面积指数的方法可提高传统光学仪器二维观测的精度，可为航空、星载激光雷达和卫星遥感数据估算真实叶面积指数提供理论基础和验证手段，也可为基于过程的森林生态系统的碳、水循环模型提供可靠的输入参数。

在森林生态学的研究中，森林结构、森林的辐射环境和森林的生理过程是三个相对独立部分，但相互之间影响和不可分割的有机整体。三维点云的优势在于其内含的真实的森林结构，为定量研究三者之间的关系和系统的研究和分析森林生态过程提供了强有力的数据基础和手段。植被林冠元素在三维空间的非随机分布使得从三维角度获取真实叶面积指数成为挑战。从三维角度来消除森林叶片（特别是针叶）聚集所导致的叶面积指数低估的效应，对提高植被冠层辐射的三维空间分布模拟有着重要的意义。本项目发展了基于三维激光雷达点云数据的叶面积指数反演模型，定量分析林冠元素在三维空间的分布特征和规律。首先，发展了“三维点云切片算法”，实现了对三维点云在空间分布和“孔隙率”的定量描述；并在此基础上，发展了利用计算几何重建单点在特定领域内的法向量的方法，对林冠元素的方向分布和消光系数实现了定量刻画。其次， 准确实现了光合和非光合的森冠元素的分离，进而估算了单木和样方尺度的木质部分对估算真实叶面积指数的贡献；最后，利用点云切片算法得到的孔隙大小分布和聚集度指数的定量反演，并进行了真实叶面积指数的估算。项目合计发表高水平SCI文章2篇，中文一级学报一篇，硕士毕业生1名，获得发明专利1项，在申请3项，登记软件著作权1项。