顾及树冠形状与地形的冠层间隙率与聚集度指数研究

作     者：王少腾 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：耿君;黄北新

授予年度：2021年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：树冠形状 地形 冠层间隙率 聚集度指数 超几何分布 

摘      要：森林冠层的几何结构特征直接影响森林截获太阳辐射的程度以及截留大气降水的能力,进而影响到林冠和外界大气环境之间的能量交换。森林冠层结构参数描述了森林不同尺度的几何特征。在植被遥感领域,可以用冠层间隙率和聚集度指数等参数来表示冠层的结构特征。对于离散森林冠层,树冠形状与地形对冠层间隙率和聚集度指数有重要影响,因此在森林冠层模型中需要对其进行准确描述。几何光学模型从物理机制上描述了冠层结构特征与冠层间隙率和聚集度指数的关系。众多学者基于几何光学模型对树冠形状与地形进行了深入研究。然而,关于离散森林冠层的研究,目前仍存在以下不足之处:（1）模型通常将树冠假设为圆锥形、圆柱形、圆锥+圆柱形等形状计算冠层间隙率与聚集度指数;（2）前人基于人工林树冠分布的超几何分布模型仅考虑树冠在水平面的分布特征。本文以离散森林冠层为研究对象,提出更为符合自然生长规律的半椭球形树冠,同时利用坡面模型对树冠超几何分布模型进行完善,依此定量分析不同树冠形状和不同地形的冠层间隙率和聚集度指数差异,最后通过虚拟冠层模型对结果进行验证。本文的研究对地面叶面积指数测量、离散冠层中二向反射模型的构建以及植被参数反演等具有重要意义。本文研究主要结论如下:（1）树冠形状对冠层间隙率与聚集度指数的影响显著。半椭球形树冠与其它树冠形状的冠层间隙率与聚集度指数有较大差异。树冠高度4m,树冠半径1m,树冠密度0.1,当观测天顶角为70°时,圆锥形树冠与半椭球形树冠的冠层间隙率相对差异已接近100%;圆柱形、圆锥+圆柱形树冠与半椭球形树冠聚集度指数相对差异在观测天顶角20°左右达到最大值,分别为39%与24%;极端情况下,圆锥形树冠与半椭球形树冠聚集度指数相对差异达到35%。（2）坡度对冠层间隙率与聚集度指数的影响同样显著。坡度扭曲了冠层间隙率的角度特征。在下坡方向增大冠层间隙率,在上坡方向减小冠层间隙率;相同坡度,树冠超几何分布下,随着RASD（Relative Allowable Shortest Distance）增大,冠层间隙率值逐渐降低,在任意观测天顶角下,RASD=0即树冠随机分布的冠层间隙率值最高;聚集度指数随坡度增大而降低,随RASD增大而增大。（3）通过计算机模拟数据验证,表明本文模型计算结果具有较高可靠性。计算机三维虚拟冠层模拟计算的冠层间隙率结果与本文模型计算结果较为吻合,在坡面地形上本文模型具有较好分离树叶与背景地面的能力。