摘要
叶面积指数（LeafAreaIndex，LAI）作为表征叶片疏密程度和冠层结构特征的指标，是诸多气候、水文、生物地球化学和生态系统模型中的重要参数，在气候变化、植被变化等研究中具有广泛的应用前景和价值。目前国际上广泛使用的LAI产品都是基于国外卫星数据生产的，我国尚未发布基于国产卫星数据反演的成熟的LAI产品。 随着卫星遥感技术的提升，我国已成为世界上卫星传感器数量和质量综合第二的遥感强国。其中风云系列（FY）更是在我国卫星发展里程中举足轻重，FY-3D上搭载的中分辨率成像仪（MEdiumResolutionSpectralImager-II，MERSI-II）是我国目前最先进的中低分辨率光学传感器，可每天获取250米和1000米的全球影像，MERSI-II数据宽覆盖和高频观测的优势为大范围长时序的LAI反演提供了契机。 在全球气候变暖背景下，生态环境必然会受到影响。植被是陆地生态系统中最重要的组成部分，担任着固碳、水土保持、美化环境、调节气候等重要职责。然而随着气候变化的加剧和人类活动的日益剧烈，我国植被覆盖时空变化十分复杂。深入分析我国植被覆盖时空变化的趋势及其对气候变化和人类活动的响应机制对于评估我国生态环境保护的成效和辅助未来战略的制定具有重要意义。 因此，本文研究基于FY-3DMERSI-II数据的LAI定量反演及其在中国植被覆盖时空变化监测中的应用，不仅可弥补国产卫星LAI产品的缺失，促进国产MERSI-II数据的定量化应用，还可为全球气候及植被变化等研究提供关键数据源，使国产数据在全球变化监测研究中发挥更大的作用。同时深入了解我国植被覆盖的时空变化趋势及其影响因素也可为我国生态环境保护成效的评估以及后续策略的制定提供科学依据。本文主要研究内容和结论包括以下几个方面： （1）为了消除MERSI-II大观测角给辐射定标带来的不确定性，本文提出了顾及地表二向性反射分布（BidirectionalReflectanceDistributionFunction，BRDF）特性的场地辐射定标方法。利用该方法对MERSI-II进行了场地辐射定标并对定标结果进行了分析验证，结果表明，利用BRDF校正消除卫星与地面之间的观测几何差异，可以显著提高场地辐射定标方法的性能和定标结果的精度。基于地面观测数据的直接验证表明本文方法得到的辐射定标参数能获得与参考基准较为一致的地表反射率，利用辐射定标精度较高的MODIS观测数据进行的交叉对比也表明，本文方法得到的辐射定标系数能使MERSI-II反演得到与MODIS一致的地表反射率。一方面证明了本文方法的有效性，另一方面也证明了MERSI-II辐射的准确性以及与MODIS之间的辐射一致性，为基于MERSI-II数据的定量参数反演和应用奠定坚实的基础。对本文方法各环节可能引起不确定性的因素进行分析，结果表明本文方法的不确定性在5%以内，满足遥感陆表监测的需求。 （2）本文结合人工神经网络和和三维辐射传输模型（3DimensionRadiativeTransfer，3DRT）LAI反演算法的优势，针对MERSI-II数据的特性，利用SCE-UA全局优化算法对3DRTMODISLAI算法进行调整优化得到适用于MERSI-II的LAI反演查找表（LookUpTable，LUT），将其作为MERSI-IILAI反演的主算法。并将利用人工神经网络训练得到的NDVI-LAI关系模型作为备用算法，在主算法失败时启用，从而以主备用算法结合的方式进行MERSI-IILAI的反演。经过SCE-UA算法优化后反演得到MERSI-IILAI与MODISLAI产品之间的差异性得到有效降低，主算法的成功率也得到了一定程度的提高，说明对MODISLAI算法的优化调整可以使其适用于其他光学传感器。以MODISLAI产品为参考基准从不同空间尺度和时间尺度对MERSILAI的验证评估结果表明，整体上，MERSI-II与MODISLAI产品间存在较好的时空一致性，且MERSI-IILAI产品表现出更好的空间完整性。MERSI-IILAI与地面测量LAI数据的直接对比也显示出较好的拟合关系（R2为0.84）。为本文联合MERSI-II与MODISLAI产品进行中国植被覆盖时空变化分析奠定了数据基础。 （3）基于MERSI-II与MODISLAI组成的近20年长时间序列对我国植被覆盖的空间分布格局和年际变化趋势进行了分析，结果表明，我国植被覆盖在空间上的分布存在很大的差异，整体上呈现由北向南植被覆盖逐渐增多的空间分布格局，且近20年间我国植被覆盖呈显著增加的趋势。从全国整体上看，年均LAI的趋势率达到0.0078m2/m2/yr，且在Plt;0.001的超高显著性水平下。在像元尺度上的LAI年际变化分析结果表明，我国超过85%的植被覆盖地区LAI处于增长的趋势，其中LAI显著增长（Pgt;0.05）的地区超过我国植被覆盖区域的56%，增长较快的区域主要位于我国中部和南部地区。将气候因素和人类活动对植被覆盖变化的作用区分开并量化各自的相对贡献，发现整体上人类活动对植被变化的贡献要大于气候因素的贡献。从土地利用、人口密度分布以及树木木覆盖率（PercentTreeCover）变化三个方面对具体人类活动因素与LAI变化之间的关系进行深入分析，发现在LAI呈显著增长趋势的区域，林地面积显著增大，人口密度变化幅度较小但大部分地区表现出人口密度降低，且林地区域树木覆盖率呈升高趋势，说明植树造林，退耕还林等举措以及农村人口迁移降低对植被生态系统的干扰可能是我国LAI增加的具体人为活动因素。而LAI呈显著降低趋势的区域，建设用地面积增加且大部分由耕地转化而来，人口密度大幅度升高，说明城镇人口剧增，城市扩张对耕地、林地等的侵占可能是我国LAI减少的具体人为活动原因。
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