植被聚集度系数的时空变异特征、遥感反演与验证研究

The canopy clumping factor (CF) defines the spatial distribution of foliage elements (leaves, stems, and other organs). It is an important canopy structural parameter that affects the canopy radiative transfer and photosynthetic processes and has been incorporated in several land surface models (LSMs) to characterize the radiation penetration in clumped canopies. Global gross primary production (GPP) and net ecosystem exchange (NEE) will be underestimated when remotely sensed LAI is directly used in land surface models and clumping ignored. Despite the development in some recent years in estimating CF from field measurements and remote sensing methods, there are still some difficulties in the understanding of the spatiotemporal characteristics of CF and its relationship with the canopy anisotropic reflectance features. Problems arise in the intercomparison of the directional CF obtained using different optical instruments. The objective of this proposal is to develop a bidirectional clumping factor (BCF) that synergize the differences in existing CF definitions and can be applied for multiple instruments. Temporal change of the BCF will be analyzed based on seasonal measurements in agricultural fields in the Sanjiang Plain, NE China. Improved CF products will be generated based on an analysis of the relationship between CF and the canopy anisotropic indices.

植被冠层的聚集度系数指的是植被叶片在空间上的分布特征（随机、规律或聚集分布等），是反映植被结构特征的一个重要属性。聚集度系数的大小直接影响冠层对光能和降水的截留，以及光在植被冠层内部的分布，进而影响植物的光合作用和植被的蒸散发。虽然目前已有一些研究通过地面实测和遥感反演获取冠层聚集度系数，但对它的时空变化特性目前还还缺乏系统的定量分析，对聚集度系数与冠层光谱各向异性指数之间的关系，目前还没有一个确切的结论。本项目拟选择中国东北三江平原的农田区域，开展植被冠层聚集度系数的理论探讨和遥感反演研究：（1）开展农田聚集度系数的长时间野外观测，探讨农田冠层聚集度的时空变化特征；（2）同步开展地面反射率多角度观测，探索农作物冠层多角度聚集效应与BRDF形态参数之间的关系;（3）系统评价现有MODIS和MISR聚集度产品的不确定性，运用改进的算法生成高质量的聚集度系数产品。

植被冠层聚集指数（clumping index, CI）指的是植被叶片在空间上的分布特征（随机、规律或聚集分布等）。CI的大小直接影响冠层对光能和降水的截留。虽然目前已有一些研究通过地面实测和遥感反演方法获得冠层CI，但对CI的时空变化特性目前还还缺乏系统的定量分析。本项目选择中国东北三江平原的农田区域，开展植被冠层CI的理论探讨和遥感反演研究。主要研究成果如下：（1）利用最新的观测仪器，于2016年在中国东北开展了玉米、大豆和高粱等三种农作物的全生长季连续观测，获得了首套完整的全生长季CI数据。通过分析，发现农作物CI在季节上呈S型变化，CI与LAI呈V型分段线性关系，即在营养生长阶段CI与LAI负相关，生殖生长阶段二者呈正相关。（2）对现有表观聚集指数（ACI）的概念进行了扩展，通过对比不同光学仪器，指出了数字鱼眼相机具有的空间采样优势，在此基础上计算了植被ACI不同空间单元如特定立体角、高度角、方位角及水平方向的ACI。同时提出了植被总体ACI的概念，并对比分析了不同总体ACI的计算方法。（3）借助地面实测LAI和高空间分辨率影像数据，通过对比分析不同二向性反射率分布函数（BRDF）和太阳高度角（SZA）估算的CI，提出了估算CI的最佳BRDF模型和SZA。针对植被稀疏地区CI难以估算的难题，提出可以利用倾斜观测数据估算CI的方法，较好的解决了植被稀疏地区CI估算的问题。本项研究为合理使用CI观测仪器提供了指导，为利用高空间分辨率数据和多角度遥感数据估算植被CI提供了理论依据，为进一步深入研究植被冠层的结构特性提供了新的研究方向。同时，该研究中获取的实测CI数据集将有助于验证遥感获取的CI产品。利用本研究提出的改进算法，我们进一步开展了全球CI产品的生产，新的CI产品将有助于全球陆表物质和能量循环的研究。