APPLE-GO模型：基于路径长度扩展几何光学理论的高空间分辨率森林冠层反射率建模及其邻近像元效应分析

本文提出新型高空间分辨率森林冠层反射率模型APPLE-GO（Adjacent Pixels using Path Length Extended Geometric Optical），创新性引入二维路径长度分布（2-PLD）算法和邻域遮荫因子，有效量化邻近像元辐射交互作用。模型在红波段与近红外波段与LESS三维辐射传输模型对比显示RMSE分别低至0.008（10.2%）和0.054（15.9%），卫星验证可见光波段RMSE<0.01（落叶松林）和<0.017（混交林），为高分辨率遥感植被参数反演提供重要理论工具。

　　

^h亮点^/h

本研究的核心创新在于量化高分辨率下邻近像元的辐射交互机制。通过二维路径长度分布（2-PLD）精确计算冠层组分比例，引入遮荫因子动态表征邻近像元对直射光组分的衰减效应。基于光谱不变理论结合八邻域卷积算法实现多重散射能量计算，使模型在保持计算效率的同时兼具物理机理的完备性。

^h模拟数据验证^/h

通过LESS软件构建四种典型森林场景（随机分布椭球冠、Neyman分布高冠、混合冠层及真实点云重建场景），在红波段（RED）与近红外波段（NIR）开展多角度验证。结果显示：对于边缘像元（Pixel I）和内部像元（Pixel II），APPLE-GO与LESS的BRF各向异性分布高度一致。当太阳天顶角（SZA）为0°时，所有极坐标图均出现局部最大值（热斑效应）；随着SZA增大，模型成功捕捉到由邻近冠层遮荫导致的BRF非线性变化特征。

^h高分辨率下邻近像元辐射影响的重要性^/h

研究表明，在高分辨率场景（<10 m）中，邻近像元会通过两种途径影响目标像元反射率：一是直接遮挡减少太阳直射能量输入，二是通过交叉辐射改变多重散射能量分布。这种影响不仅体现在BRF数值变化上，更显著改变其方向性分布模式。例如目标像元总BRF（BRF_{tar_total}）随SZA增加而上升，但邻近像元贡献的BRF（BRF_{adj_total}）却呈现先增后降的趋势，印证了传统忽略邻域效应的模型在高分辨率应用中的局限性。

^h结论^/h

APPLE-GO模型通过分解冠层反射率为单次散射与多次散射分量，实现了高空间分辨率下森林冠层BRF的精确模拟。所提出的2-PLD算法与遮荫因子量化方法，为破解邻近像元辐射干扰提供了创新解决方案。模型在保持几何光学模型计算效率优势的同时，达到了与三维辐射传输模型相当的精度，有望支撑下一代高分辨率遥感影像的植被生化参数反演与碳汇监测应用。