坡地森林冠层反射率模型构建及其在LAI反演中的适用性研究

The terrain exerts significant influences on the imaging process of remote sensing, and induces massive uncertainty in retrieved leaf area index (LAI). Canopy reflectance model is the prerequisite to estimate LAI through remote sensing technology, but most existing canopy reflectance model suitable for rugged terrains is difficult to invert, which impedes the improvement of LAI retrieval accuracy. This proposal, focusing on the development of an invertible forest reflectance model suitable for sloping terrains, aims to provide a useful theoretical tool for LAI retrieval over mountainous areas. Specific tasks include: 1) developing appropriate parameterization schemes for local-topographic effects, which can get a good compromise between fidelity and brevity; 2) extending the FRT model through the introduction of the above-mentioned parameterization schemes and developing a forest reflectance model for LAI retrieval over sloping terrains; 3) validating and optimizing the developed model in terms of both reflectance simulation and LAI retrieval. The research mainly innovates in the formulation of forest structure and simulation of canopy reflectance over sloping terrains. The research achievements will provide theoretical basis for the improvement of LAI retrieval accuracy over rugged terrains.

地形显著影响光学遥感的成像过程，引起冠层双向反射率的畸变，使基于冠层反射率模型反演的山地叶面积指数（Leaf area index, LAI）具有较大的不确定性。虽然学者们已经发展了多个山地冠层反射率模型，山地冠层辐射传输前向模拟理论逐渐完善，但是已有模型在反演方面还存在不足，限制了山地LAI反演精度的进一步提高。本项目选择坡地森林为研究对象，旨在发展反射率模拟精度高、易于反演的坡地森林冠层反射率模型。首先，发展兼顾准确性和简洁性的参数化方案，具体包括：坡地森林孔隙率模型和坡地聚集指数计算方法；然后，通过引入坡地参数化方案来扩展平地FRT模型，构建近似解析的坡地森林冠层反射率模型；最后，从反射率模拟精度和LAI反演精度两个方面对模型进行验证和优化，并分析在不同场景下模型反演LAI的适用性。本项目在坡地冠层结构数学表征及反射率模拟方面均具有创新性，有望为山地LAI反演提供有效的理论工具。

解析山地遥感观测中地形效应的作用机制，构建山地冠层反射率模型是提高山区叶面积指数（LAI）反演精度、增强定量遥感在山区实用性的理论前提。本项目旨在发展反射率模拟精度高、易于反演的坡地森林冠层反射率模型。具体研究内容包括：发展兼顾准确性和简洁性的参数化方案；构建近似解析的坡地冠层反射率模型；分析在不同场景下模型反演LAI的适用性。项目的主要成果在于发现了辐射传输路径长度畸变这一地形效应产生的新机制，在计算机模拟分析与数学推导的基础上提出了基于路径长度改正的冠层反射率模拟与归一化模型。项目不仅在山地冠层反射率模型的具体研究方面具有突出的创新型，所采用的“机理解析—数学推导—模拟分析—模型构建—方法简化”的科研思路也实现了定量遥感研究的范式迁移。执行期内共发表项目研究内容相关SCI论文12篇、EI论文2篇。所提出的系列山地遥感模型与方法有望在山区森林监测、生态保护等领域取得广泛应用。