研究背景
光谱不变理论(p理论)是简化描述植被冠层辐射传输过程的有力工具，已被广泛应用于植被冠层的短波辐射传输模拟研究。该理论的基本原理是冠层的反射率仅由叶片的光学特性与光谱不变量决定。作为重要的光谱不变量之一，光子再碰撞概率p是指光子被叶片或针叶散射后与冠层再次发生相互作用的概率，它是联系叶片光学属性与冠层散射与吸收辐射的关键变量，且与辐射传输方程的解密切相关。因此，准确估测p值对于植被冠层辐射传输建模具有重要的现实意义。
由于在现实冠层中难以实现光子追踪，目前p值估测主要基于易测得的冠层结构指标(如LAI, STAR等)得到。然而，这种方法依赖于p值与这些指标的相关性，具有一定的不确定性。近年来，三维辐射传输模型为p值模拟提供了可靠的工具。同时，作为获取三维冠层结构信息的有力工具，激光雷达也为p值估测提供了新的机遇。此外，与主要用于样地尺度的地基激光雷达相比，机载激光雷达可以用于更大尺度，为获取冠层尺度的p值提供了有效手段。
研究思路和方法
基于此，我们提出了一种从机载激光雷达数据中估测冠层p值的方法，该方法将p值表示为由浑浊介质描述的树冠内散射点的拦截率。本研究基于LESS模拟的RAMI真实场景点云(图1)和内蒙古根河的实测点云(图2)进行实验，并用LESS模拟的p值与实测样地PAI数据得到的p值对该方法进行了评估。
首先，我们结合k-means聚类和alphashape算法对点云树冠轮廓进行重建(图3)，并基于点云强度信息对植物面积密度(PAD)进行反演。在此基础上，我们在重建的树冠轮廓包络内随机选取散射点并发射100条呈球形均匀分布的虚拟光线，并记录每条光线与alphashape包络之间的碰撞次数，以及虚拟光线穿过包络内部的路径长度，进而得到冠层p值。对于阔叶林冠层，我们以叶片为基本元素进行计算；对于针叶林冠层，我们以叶簇为基本元素，分叶簇内尺度和叶簇间尺度分别计算(图4）。
其中，T_j代表第j个散射点的透过率，hn_m代表第m条光线与树冠包络的碰撞次数，PAD_i代表第i个树冠包络的植物面积密度，G表示单位叶面积投影，d_i表示光线穿过第i个树冠包络的路径长度。p_LC表示阔叶林冠层p值，p_CC表示针叶林冠层p值，p_sh表示叶簇内p值，p_bs表示叶簇间p值。
图1 LESS模拟RAMI场景点云示例。(a), (d)阔叶林场景HET51_WWO_TLS; (b), (e)混交林场景HET09_JBS_SUM; (c), (f)针叶林场景HET07_JPS_SUM
图2 研究区样地位置与实测点云数据示例
图3 树冠轮廓重建
图4 冠层p值估测
研究结果与结论
基于模拟实验与实测样地数据的结果均表明，本研究提出的方法能够从机载激光雷达数据中实现对冠层p值的准确估测(图5，图6)，避免了对冠层结构的精细重建。此外，我们也分析了该方法在不同冠形和不同点云密度下的敏感性，结果表明该方法对冠形和点云密度均表现出较好的鲁棒性(图7，表1)。随着机载激光雷达点云数据的日益普及，本研究证明了机载激光雷达具有准确估测冠层p值的潜力，并有望进一步促进光谱不变理论在植被冠层辐射传输建模中的应用。
图5 模拟点云冠层p值估测结果。(a) 去除枝干; (b)保留枝干
图6 实测点云p值估测结果
图 7 不同冠形对p值估测的敏感性分析。(a) alpha shape冠形; (b)椭球冠形; (c)圆锥冠形; (d)圆柱冠形
表1 不同点云密度对p值估测的敏感性分析
文章信息
●He, S., Qi, J.*, Wang, D., Yan, K., Huang, H., 2024. Estimation of canopy photon recollision probability from airborne laser scanning. Remote Sensing of Environment 311, 114264.2.
●https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114264
●https://authors.elsevier.com/a/1jFG07qzT3E8B
13.研究成果| ESSD: MODIS叶面积指数产品质量提升数据集（HiQ-LAI: 2000-2022）
遥感模型构建 | 地表参数反演
遥感产品验证与分析 | 植被与气候动态响应
团队成果21
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