多光谱与激光雷达相结合的森林叶面积指数垂直分层分布反演研究

For the forests community, there are many different types of plants in the vertical direction, including trees, shrub, and grass. And the leaf area index (LAI) which plays an important role in the photosynthesis of plant is also vertical distributed along the height. Considering the retrieval limitation relying only on solar illumination, the combination of multispectral and active full-wave lidar will be studied for the retrieval of LAI vertical distribution in the forests with two layers architecture. In the study, the forest radiative transfer model will be utilized for modeling laser signal intensity of every layer. Then, the sensitivity analysis of laser intensity to LAI and other parameters in different layers will be carried out. Comparison with that of multispectral result, the simplified two-layer synthetic model will be established. Then using measurement result of forests and remote sensing data, the forest spatial structure distribution and normalization of multispectral and lidar wave in one pixel will be studied. Combining with the model simulation, the error distribution law will be set up to choose the optimal algorithm. Finally, the algorithm will be built and tested using the remote sensing data and validated with ground measurements data in forests.

森林生态系统通常由林、灌、草等多种植被构成,呈现一定的垂直分层分布特征，因此其叶面积指数也呈垂直分层分布，这种分布对于植被的光能利用效率具有重要影响。在这种情况下，利用被动光学反演叶面积指数具有较大的局限性，本研究拟结合垂直方向多光谱和激光雷达回波信息进行垂直分层分布研究。基于森林辐射传输模型进行树木、灌木两层特征森林群落的回波建模，模拟激光雷达回波与不同层植被叶面积指数和其他参数的关系，比较激光雷达和多光谱反射率对不同层植被参数的敏感性差异，结合实测数据，研究分层叶面积指数反演的主被动协同机理。同时，开展野外试验，利用实测森林参数及主被动遥感数据，进行森林空间结构分布及象元尺度归一化研究，结合模型模拟实现主被动遥感的误差分布规律的模拟，驱动协同模型进行模型驱动及优化算法的选择。最后，通过比较分析，建立反演算法，用实测数据进行森林叶面积指数垂直分层分布的反演及验证。

针对森林生态系统在垂直方向林、灌、草等多种植被的分层分布特征，项目结合辐射传输模型和几何光学模型，开展了复杂地表覆盖条件下针对叶面积密度垂直分布的研究，通过建立模型，系统分析了理化参数垂直分布情况下的主被动协同机制。并在内蒙古大兴安岭、云南西双版纳、河北怀来等地进行了地面试验，获得包括叶面积指数在内的植被结构参数及其他相关参数的数据，提出了反演植被叶面积指数参数垂直分层分布的理论和方法。主要研究成果包括：1）基于辐射传输理论模型单次散射和激光雷达方程，建立了高光谱激光雷达模型，能够通过模型模拟植被叶面积指数和叶绿素等垂直方向变化带来的回波强度变化。2）基于航空激光雷达数据，提出了机载激光雷达森林有效植被面积指数垂直分布反演方法。3）基于激光雷达数据和高光谱数据，提出了高光谱与激光雷达融合的植被理化参数一体化反演方法。4）提出了基于高光谱激光雷达的植被结构参数反演算法，并建立了面向植被理化参数垂直分布探测的仪器设备原型。