基于激光雷达数据的森林垂直分层叶面积指数遥感反演与验证研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 汪垚 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 方红亮 |
| 关键词 | 叶面积指数 垂直分层 机载激光雷达 GEDI 验证 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）定义为单位水平地表面积上所有叶片表面积的一半。LAI是植被结构的核心参数，也是全球变化研究和生态学模型的关键参数。森林有着独特的垂直分层结构，获取LAI的垂直分布可深入理解森林碳氮水循环过程和进行陆面过程模拟。然而，目前通过地面测量和被动光学遥感估算得到的大都是LAI二维分布，缺乏垂直分布信息。仅仅获取LAI二维分布信息，难以满足当前遥感辐射传输模型、陆面过程模拟模型及森林经营管理的需求。 激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）作为一种主动遥感探测技术，具有反演森林垂直结构参数的独特优势。各种机载激光雷达指数已经尝试用于估算森林垂直分层LAI，但尚不清楚哪种指数最适合分层LAI的反演。随着搭载在国际空间站（International Space Station，ISS）上的全球生态系统动态调查仪（Global Ecosystem Dynamics Investigation，GEDI）的成功发射，作为新一代星载激光雷达传感器的GEDI则提供了第一套全球尺度的垂直分层LAI产品。目前，对于GEDI分层LAI产品尚未进行充分验证。因此，有必要基于地面实测分层LAI数据充分评价不同机载激光雷达指数反演分层LAI的能力，并进一步全面验证GEDI分层LAI产品。 本论文围绕森林LAI垂直分布研究，在中国北方森林利用便捷地面测量系统开展连续垂直分层LAI观测，并收集长时间序列国家生态观测网络（National Ecological Observatory Network，NEON）站点的实测分层LAI，分析LAI的垂直分布特性和季节变化特征；基于地面实测分层LAI数据充分评价不同机载激光雷达指数反演LAI垂直分布的能力，联合机载激光雷达数据和新一代星载GEDI数据探索森林垂直分层LAI反演新方法；结合地面实测数据和机载激光雷达数据，利用分层LAI反演新方法开展大区域尺度的GEDI分层LAI产品验证与质量评价，并分析不同地形坡度、森林冠层高度和森林类型等因素下GEDI分层LAI产品的不确定性。主要工作及结论如下： （1）开展了有叶季和落叶季森林垂直分层LAI测量，证明了便携式测量系统可成功获取不同高度的分层LAI分布，获取的实测分层LAI数据有效支撑了 LAI垂直分布特性和季节变化特征分析。 （2）利用NEON长时间序列的LAI观测数据，分析了林下植被LAI和林上冠层LAI的分布特征和季节变化。发现阔叶林有着较小的林下植被LAI，季节波动不大。同时林上冠层植被有着较大的LAI值，而且季节变化明显。相比于郁闭度较大的阔叶林，针叶林的林下植被则更为显著，林下植被LAI贡献比例可达52.3%，而且林下植被LAI有着明显的季节变化。 （3）联合回波个数和回波强度的激光雷达指数有效提高了分层LAI估算精度，基于比尔定律的联合激光穿透指数（LPIRI）可用于大范围分层LAI制图。在有叶季，GEDI累积分层LAI与地面测量数据有着较好的一致性。然而在落叶季，GEDI产品表现出一定的低估，尤其是对于冠层上部。导致该现象的原因是GEDI产品采用了全球恒定的冠层和地面反射率之比（v/g=1.5）和相对较弱的冠层回波能量。 （4）联合激光穿透指数（LPIRI）可用于不同森林站点的LAI估算和大范围 GEDI分层LAI产品验证。当GEDI光斑位于异质性较高的森林环境时，如森林的边界、较小林分范围和林窗等，存在较高的LAI估算误差。采用波形匹配的方法可有效去除GEDI定位偏差。地形坡度和覆盖度是影响GEDI产品精度的两个重要因素，在陡峭地形和浓密森林的情况下，GEDI产品仍需进一步改进。 （5）坡度自适应方法可准确捕获地面回波，有效去除地形坡度带来的展宽效应，提高LAI估算的精度。联合机载激光雷达数据，坡度自适应方法可进一步应用于复杂地形下的GEDI数据开展LAI估算。 本研究克服了固定塔基测量无法大范围展开和空间代表性缺乏的问题，获取的实测分层LAI数据有效地支撑了LAI垂直分布特性和季节变化特征分析；新提出的联合激光雷达指数，为高精度的大范围分层LAI制图提供了可行性；首次开展了不同季节和不同范围的GEDI分层LAI产品精度验证，揭示了采用全球恒定冠层和地面反射率之比（v/g=1.5）的不确定性。全面分析了影响GEDI产品精度的因素，为全球GEDI分层LAI的应用提供了支持。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 160 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186903]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 汪垚. 基于激光雷达数据的森林垂直分层叶面积指数遥感反演与验证研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。