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森林是地表重要的碳汇,通过建立生态系统模型模拟是研究森林生态系统碳循环必不可少的手段。森林结构参数是利用模型模拟的关键因子,例如,有效叶面积指数（Effective leaf area index,LAIe）。基于几何光学模型反演LAIe是遥感反演的主要方法,即利用森林结构参数（LAIe、林分空间分布、树高等）估算林分四分量比例（森林样方中光照树冠、阴影树冠、光照背景和阴影背景部分所占比例）,进而模拟森林冠层反射率,通过建立比值植被指数和LAIe之间的关系反演LAIe。然而,现有的方法很难获取林分空间分布模型的输入参数。此外,几何光学模型假定林分内树木均为统一的数学几何体,忽略了不同森林类型（针叶林、阔叶林、混交林）、树种等对林分四分量比例的影响。同时忽略了地形因素,而地形会影响林木之间的几何投影,进而影响林分四分量的比例。因此,准确计算林分空间分布模型的参数和林分四分量比例为研究森林冠层反射率和森林结构参数（例如,LAIe）之间的关系,以及准确建立森林冠层双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distrbtion Function,BRDF）提供了可靠的基础。机载激光雷达技术可以快速获取区域尺度上的三维数据,能够建立精密的地形模型,为大面积森林结构参数提取提供了一种全新的技术手段。本文旨在利用航空激光雷达数据（Aerial laser scanning data,ALS）发展了定量化林分空间分布模型参数的算法,同时发展基于真实森林三维场景的林分四分量比例估算方法。分析采样方式、体元大小、单木分割算法等因素对发展方法和模型结果的影响。探究参数定量化的林分空间分布模型和基于真实森林三维场景估算的林分四分量比例,对LAIe反演估算的有效性。（1）发展了基于ALS数据林分空间分布模型参数定量化的算法基于ALS数据估算了不同森林密度、不同分布类型森林样方的林分空间分布模型参数。首先利用单木分割算法得到单木的坐标信息和冠幅大小,基于单木的坐标信息利用g（r）函数确定林分空间分布类型（随机、规则或聚集）。其次,针对不同的分布类型选择相应的统计模型,并根据分割所得坐标和冠幅信息估算模型的输入参数。并利用抑制半径刻画林木之间的竞争作用,嵌入统计模型描述林分空间分布随尺度的变化。同时利用蒙特卡洛法对定量化参数的林分空间分布模型进行验证。结果表明,随森林密度增加基于ALS所得树冠直径的均方根误差（Root mean squared error,RMSE）从1.70 m增加至2.90 m,而单木坐标RMSE由1.46 m增加至2.51m。对于随机、规则和聚集分布的样方,基于ALS定量化参数的泊松、简单抑制点过程（Simple Sequential Inhibition Point Process,SSI）模型和混合Gibbs模型能够准确的描述林分空间分布。（2）发展了利用ALS数据基于真实森林三维场景估算林分四分量比例的算法利用ALS数据发展了基于真实森林三维场景估算林分四分量比例的算法,算法分为森林垂直分层和四分量比例估算两个部分。首先利用森林分层方法将ALS数据分为带有地形信息的森林冠层和森林背景层（包括地面、林下植被等）。其次,基于带有地形信息的森林冠层和背景层点云数据,利用发展的四分量估算方法,分别在景观尺度和样方尺度计算不同光照、观测角度下的林分四分量比例。并利用可视化3DSMax（Autodesk,San Rafael,CA.U.S.A）软件验证林分四分量比例计算结果。并基于ALS数据计算所得四分量比例和通过遥感影像所得四个分量的反射率,估算了不同观测角度下的森林冠层反射率（红光和近红外）,并与冠层三维辐射传输模型（Discrete Anisotropic Radiative Transfer,DART）模拟结果对比验证。结果表明,基于ALS数据能够有效的将森林分为冠层和背景层。随着森林密度由低到高,分层精度从87%减小至65%。对于不同森林类型、不同森林密度和不同方式获取ALS的四个样方,基于ALS数据估算得到的四分量比例平均RMSE从5.8%到11.1%。在红光波段,基于ALS数据所得四分量比例估算的冠层反射率与DART模拟结果具有类似的变化趋势。而在近红外波段,由于散射的原因两者的变化趋势在观测角度较大时出现明显差异。此外,分析了不同扫描方式获取的ALS数据对四分量比例估算结果的影响,结果表明获取点云数据时的扫描角度范围影响四分量比例的估算精度。（3）利用基于ALS数据估算的林分空间分布模型参数和四分量比例结合四尺度模型反演LAIe,提高了LAIe的反演精度分别基于ALS数据获取的林分空间分布模型参数和林分四分量比例结合四尺度模型反演LAIe。首先基于ALS数据估算林分空间分布模型参数,输入四尺度模型模拟比值植被指数和LAIe之间的关系用于LAIe反演。其次利用四尺度模型建立特定光照观测角度下LAIe和林分四分量比例的查找表。基于ALS数据计算得到相同光照观测角度下林分四分量比例,通过代价函数利用查找表估算LAIe。同时与直接基于四尺度估算的LAIe、基于ALS数据估算的LAIe和实测LAIe进行对比验证。探究反演方法在不同森林类型,不同点云密度森林样方中的适用性。结果表明,基于ALS数据计算四分量比例结合查找表的方法反演LAIe结果（R~2=0.64,RMSE=1.16）优于利用ALS数据确定林分空间分布模型参数输入四尺度模型反演LAIe的方法所得结果（R~2=0.60,RMSE=1.33）。同时优于直接基于四尺度模型反演的结果（R~2=0.53,RMSE=1.78）和直接利用ALS数据通过切片算法所得结果（R~2=0.43,RMSE=2.31）。因此,基于ALS数据估算林分四分量比例和基于ALS数据确定林分空间分布模型参数有助于提高利用几何光学模型反演LAIe和模拟森林冠层BRDF的精度。