基于无人机激光雷达的森林冠层光合有效辐射三维时空分布研究

发布时间：2025-06-24 00:17

　　森林冠层太阳光合有效辐射（Photosynthetically active radiation,PAR）的三维时空变化决定了土壤-植被-大气间碳水循环过程中物质和能量的交换速率。从三维角度直接估算到达不连续森林冠层任意特定位置的PAR值仍极具挑战性。快速准确地获取森林冠层的三维结构信息是构建定量模拟林冠PAR时空分布模型的基础。林冠角度孔隙率（Angular gap fraction,AGF）是影响太阳光合有效辐射PAR在冠层中透射和散射过程及其分布的重要结构参数,然而传统常规的AGF野外观测和估算手段的范围有限且无法有效地刻画其三维半球分布。随着激光雷达技术（Light detection and ranging,lidar）的发展,基于三维点云数据所刻画的森林三维结构,在实现三维定量估算林冠AGF的基础上,进而得到了森林场景中PAR的时空分布及其变化规律。本研究首先利用无人机载激光雷达（Unmanned aerial vehicle-based laser scanning system,UAV-LS）获取了位于南京市溧水区的白马实验林场的三个森林样地的三维点云数据,采用两种不同的...

【文章页数】：107 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
相关术语表
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 森林冠层角度孔隙率估算的研究进展
        1.2.2 模拟森林光环境的冠层辐射传输模型研究进展
        1.2.3 激光雷达技术模拟森林冠层光环境的研究进展
    1.3 目前研究的问题与不足
    1.4 研究目标
    1.5 研究内容和技术路线
        1.5.1 研究内容
        1.5.2 技术路线
    1.6 论文组织结构
第二章 数据与方法
    2.1 研究区概况
    2.2 研究数据集
        2.2.1 无人机激光雷达点云数据
        2.2.2 地基激光雷达点云数据
        2.2.3 地面实测光合有效辐射数据
    2.3 数据预处理
        2.3.1 点云数据预处理
        2.3.2 光合有效辐射数据标定
        2.3.3 点云抽稀
    2.4 研究方法
        2.4.1 单参数二值化AGF估算策略
        2.4.2 双参数分割统计AGF估算策略
        2.4.3 林冠光合有效辐射估算模型
        2.4.4 天空漫散射PAR估算模型
        2.4.5 直射PAR估算模型
        2.4.6 多次散射PAR估算模型
        2.4.7 森林冠层PAR的时空分布变化模拟与验证
第三章 无人机激光雷达数据估算林冠角度孔隙率
    3.1 AGF估算的参考标准
        3.1.1 TLS点云的最佳裁剪半径
        3.1.2 TLS点云合成二值图像的最佳分辨率
        3.1.3 UAV-LS点云的最佳裁剪半径
        3.1.4 AGF的标准数据
    3.2 单参数二值化策略估算林冠AGF
        3.2.1 二值图像分辨率的最佳取值
        3.2.2 单参数二值化策略AGF估算结果
    3.3 双参数分割统计策略估算林冠AGF
        3.3.1 分割角度间隔的最佳取值
        3.3.2 双参数分割统计策略AGF估算结果
    3.4 讨论
        3.4.1 单参数二值化策略敏感性分析
        3.4.2 双参数分割统计策略敏感性分析
        3.4.3 估算AGF的二值化策略与分割统计策略对比
        3.4.4 数据点密度对两种AGF估算策略的影响
    3.5 本章小结
第四章 无人机激光雷达数据估算林冠光合有效辐射的三维时空分布
    4.1 林冠PAR估算模型参数确定
        4.1.1 直射光衰减模型参数
        4.1.2 天空漫散射透过率模型参数
    4.2 基于实测数据的林冠PAR估算模型验证
        4.2.1 模拟PAR变化趋势的定性验证
        4.2.2 模型的定量验证
    4.3 林冠PAR的三维时空分布模式
        4.3.1 林冠底部地表面PAR的时空分布
        4.3.2 林冠不同高度面PAR的时空分布
        4.3.3 林冠纵剖面PAR的时空分布
    4.4 讨论
        4.4.1 三维光线追踪模型的敏感性分析
        4.4.2 三种基于路径长度的直射PAR衰减参数比较
        4.4.3 各向异性与各向同性天空漫散射分布的影响
        4.4.4 点云数据密度对PAR估算模型的影响
        4.4.5 林冠PAR估算模型的优势及误差来源
    4.5 本章小结
第五章 结论和展望
    5.1 研究结论
    5.2 本研究的创新点
    5.3 不足与展望
参考文献
硕士期间科研情况
致谢



本文编号：4052212