摘要
森林是陆地生态系统最重要的组成部分之一，森林的生长情况以及动态变化能够反映生态系统的稳定性，维持生态平衡。地表反照率是影响生态系统能量平衡的主要因素，在遥感应用中研究地表反照率时，人们通常假设地表为朗伯体，即假设地表在所有方向均匀反射、地表反射率与入射方向和观测方向无关。但是，自然界中绝大部分地物为非朗伯体，地物反射辐射具有各向异性，即各向都有反射且强度不均一。森林冠层在不同波段和太阳-传感器几何下的反射率表现出强烈的各向异性，冠层反射随观测角度的变化通常用双向反射分布函数(BRDF)来描述。长期以来，植被结构参数的高精度反演研究在定量遥感领域具有重要的科学意义和应用价值。由于森林冠层BRDF特性与植被生理生化参数和冠层结构参数密切相关，BRDF被广泛用于反演关键的冠层结构参数，如叶面积指数(LAI)、树高以及聚集指数(CI)等。其中，LAI和CI是陆地表面生态过程模型进行全球碳水循环模拟的最重要的冠层结构参数。以往的研究主要集中在冠层结构参数反演算法的研发上，例如，如何从BRDF遥感数据准确估算出全球植被LAI和CI产品。然而，从冠层结构参数的角度出发，进行冠层BRDF特性的正演研究仍然较少，尤其是关于三维结构复杂的森林冠层的BRDF特性如何随CI变化的认识非常有限。使用传统的辐射传输模型方法估算冠层结构对BRDF的影响是具有挑战性的，而LESS(LargE-ScaleremotesensingdataandimageSimulationframework)作为一个基于光线追踪算法的三维辐射传输模型，它可以有效地模拟冠层方向反射率，同时充分考虑植被的多组分光谱和结构特征。鉴于此，本文基于黑河综合遥感联合试验平台提供的丰富地面实测数据和MODISBRDF产品，以青海云杉为例，应用LESS模型构建以单木为基本单元的三维森林场景，开展了三方面的研究工作:(1)LESS模型准确性验证;(2)聚集效应对冠层BRDF的影响;(3)冠层BRDF的敏感性分析。 论文的主要研究内容与成果归结如下: (1)基于地面样方调查中获得的冠层结构参数驱动LESS模型进行三维森林场景的构建，利用半经验核驱动的二向性反射模型RossThick-LiSparse-Reciprocal(RTLSR)和MODISBRDF参数产品(MCD43A1)计算的反射率对LESS模型模拟的冠层BRDF进行对比验证，以检验LESS模型模拟的冠层BRDF特性的有效性。结果表明，LESS模型模拟的冠层BRDF在红光波段(R2=0.97，RMSE=0.03)和近红外波段(R2=0.94,RMSE=0.05)与MODISBRDF数据有较高的一致性，说明LESS模型用于研究冠层BRDF特性是可行的。对比基于MCD43A1数据估算的冠层BRDF,LESS模型模拟的森林冠层BRDF也表现出了合理的热点效应、屋顶效应和碗边效应。 (2)随着CI增加，红光波段的冠层反射率不断减小，近红外波段的冠层反射率不断增加。红光波段的冠层反射率对CI的变化比近红外波段更敏感。尽管红光波段强烈的大气效应可能会导致CI估算的不确定性，但考虑到红光波段对CI变化的高敏感性，本研究强烈建议将红光波段的晴空观测用于CI的反演。 (3)研究利用LESS模型构建了三个典型聚集效应的森林场景，改变场景LAI,分析不同CI森林场景下的冠层BRDF对LAI的敏感性。结果显示，随着LAI的增加，红光波段的冠层BRF(BidirectionalReflectanceFactor)不断下降，并呈现出明显的屋顶状。相反，随着LAI的增加，近红外波段的冠层BRF不断增加，并呈现出明显的碗状。 (4)不同的观测平面的BRDF对冠层结构参数的敏感性也不同。分析结果表明，在主平面，随着SZA的增加，红光波段冠层BRF整体呈下降趋势，而近红外波段冠层BRF整体呈上升趋势。在垂直主平面上，随着SZA的增加，红光和近红外波段的冠层BRF都呈现出下降的趋势。随着C1的增加，红光波段冠层BRF减小而近红外波段冠层BRF增大的这一结论在两个观测平面下是一致的，但主平面的冠层方向反射率区分度更高，更有利于CI反演。 (5)应用时序多角度冠层反射率反演冠层结构参数时，太阳位置的变化对冠层BRDF特性的影响至关重要。研究通过结合LESS模型中森林场景的聚集效应，研究SZA对冠层BRDF的影响。结果表明，随着SZA的增加，红光波段热点处的反射率峰值呈现下降趋势，而近红外波段热点处的反射率峰值呈现上升趋势。SZA的变化对近红外波段的影响比对红光波段的影响更明显。夏季比冬季获取到的多角度观测数据更适合用于反演冠层聚集指数，且红光波段的冠层BRDF比近红外波段的BRDF对CI的变化更敏感。在各个SZA和VZA条件下获取的红光波段多角度反射率数据均有助于CI的反演，而在近红外波段，4月至9月获取的主平面的多角度反射率数据仅对高度聚集(CI＜0.6)的森林的CI变化很敏感，对低度聚集(CI＞0.6)的森林的CI变化不敏感。因此，为了充分利用在不同季节的卫星数据，需要考虑SZA的变化对多角度反射率数据的影响。 (6)观测角度对冠层BRDF特性有很大影响。通过计算不同的太阳天顶角和观测天顶角下不同聚集森林场景的冠层反射率的相对偏差。研究发现，随着VZA的增加，冠层BRDF在近红外波段的变化比红光波段更剧烈，然而冠层BRDF的相对偏差在红光波段大于近红外波段。冠层BRDF在红光波段对CI在0.4至0.6之间以及VZA在20°至50°之间的变化不敏感。相反，冠层BRDF在近红外波段对大于30°的VZA变化很敏感。研究建议在红光波段选择VZA大约40°时的方向性反射率观测数据，在近红外波段选择VZA接近天顶方向的反射率观测数据。在进行植被冠层结构参数反演时，采用时序多角度光学遥感数据，以减少由于SZA季节性变化引起的CI估算结果的不确定性。本论文研究结果对为了利用BRDF遥感产品反演冠层结构参数提供了科学依据。
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