植被叶倾角及叶片投影函数遥感制图研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李思佳 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 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 | 叶倾角 叶片投影函数 实测 全球制图 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 | 植被叶倾角（Leaf Inclination Angle，LIA）表示叶表面与水平面的夹角（或为叶表面法向与天顶方向的夹角）。叶片投影函数（Leaf Projection Function，G）是从辐射传输角度为叶倾角定义的另一种形式，为单位叶面积在垂直于辐射方向的平均投影比例，常根据叶倾角分布（Leaf inclination Angle Distribution，LAD）计算得到。叶倾角是表征植被冠层结构的重要参数之一，影响着辐射传输、降雨截获、蒸散发，进而调控光合作用、碳水循环等关键生物物理过程。 地面测量LIA的方法通常耗时耗力，且只能获取叶片、冠层至样地尺度的叶倾角。遥感获取叶倾角主要基于经验关系或辐射传输模型反演，但目前这些方法仅在局地范围进行了测试，而对全球LIA空间分布的研究甚少。受限于大范围LIA的匮乏，在许多应用中，人们通常假设LIA遵循球形分布，或根据植物功能类型赋值。然而，这些简化假设往往会引入相应的误差，进而影响辐射传输模拟、遥感反演及陆面模式模拟的精度。因此，亟待深入探索全球叶倾角或叶片投影函数的分布格局。 针对于此，本论文广泛收集、整合了全球已有的叶倾角实测数据，分析不同植被功能类型的叶倾角分布特征；基于叶倾角实测，经数据扩充、升尺度、样本筛选等过程，分析了叶倾角与其他变量之间的关系，并利用随机森林回归模型开展了全球叶倾角制图，进而揭示全球叶倾角空间及类型分布格局；分别从叶倾角及遥感产品角度出发开展了全球天顶叶片投影函数（G(0)）估计工作，并采用高分辨率参考数据加以验证。主要结果及结论如下： （1）全球叶倾角实测分析表明谷类作物与常绿针叶林的叶片较为垂直，而落叶阔叶林与灌木的叶片较水平。草地、常绿阔叶林的叶倾角变化范围较大，阔叶作物变化范围较小。分类叶倾角数据分析结果与连续叶倾角数据分析结果大致类似。谷类作物的平均叶倾角与球形分布的平均叶倾角最为接近。全球叶倾角实测的平均值为42.18°，这与球形分布存在一定差距，且低于陆面模式中预设的叶倾角，表明已有研究可能低估了叶片截获辐射、降水等的作用。 （2）本研究生产了全球500 m空间连续的叶倾角产品，验证结果表明对于非农作物，该产品一致性较好（R2 = 0.59，RMSE = 6.77°），而对于农作物精度相对略差。全球叶倾角产品展现出合理的空间分布格局，中亚（草原）、印度南部（谷类作物）和美国中部（草原和谷类作物）的平均叶倾角较高，而热带雨林、东南亚及美国东部森林的叶片倾角更为水平。平均叶倾角随纬度的升高而缓慢增加。阔叶林的叶倾角小于其他植被类型，全球植被的平均叶倾角为46.55°。 （3）基于叶倾角得到的天顶叶片投影函数展现出与叶倾角相反的空间及纬度分布格局。叶倾角较为水平的地区其G(0)相对较高，G(0)随纬度的增加而缓慢降低。全球植被平均G(0)为0.62，绝大多数植被的G(0)大于球形分布的G函数（G ≡ 0.50），其中阔叶林的G(0)最高，谷类作物最低，农作物的G(0)与球形分布最为接近。验证结果表明基于叶倾角得到的G(0)与参考值相比具有中等一致性，但略微高估了参考值（R2 = 0.43，Bias = 0.09），尤其是当G(0)较低时。这主要是由于叶倾角在高值时存在低估造成的，特别是对于农作物。 （4）基于植被结构参数遥感产品得到的全球G(0)平均为0.58，季节变化较小（0.54‒0.64），夏季略高于冬季。7月份的G(0)与基于叶倾角估计的G(0)在空间分布上具有一定的相似性但在北方森林地区存在相反的结果。验证结果显示G(0)高估了参考值。这主要是由于当前植被结构参数遥感产品的精度及产品之间的不一致性造成的。 本研究构建了目前全球最完整的叶倾角实测数据库，揭示了全球不同植被类型的叶倾角分布特征，明确了球形分布假设对于不同植被类型的适用性。本研究生成的全球叶倾角及叶片投影函数有助于增强对全球植被冠层结构的认识，进而推动遥感反演与陆面模型改进。未来可通过开展大范围的叶倾角连续测量及改进现有的遥感产品，从而实现更高精度的全球时序叶倾角制图。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 140 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199867]  |
| 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 | 李思佳. 植被叶倾角及叶片投影函数遥感制图研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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