地上型LiDAR技術による森林研究の拡大

なぜ3次元の森林が誰にとっても重要なのか

森林は景観や木材を提供する以上の役割を果たします：炭素を貯蔵し、空気を冷やし、野生生物に住処を与え、気候変動の極端を緩和します。それでも、気候政策、保全、土地利用に関する多くの意思決定は、驚くほど単純な樹木の計測に依存しています。本稿は、地上型レーザー技術――地上型LiDARと呼ばれる――が研究者に対して森林のはるかに詳細な三次元像を与え、現実的なデジタル森林を構築し、伐採、火災、気候変動が時間とともにどのように森林を変えているかを追跡する手助けをしていることを説明します。

森林に新たな視点をもたらす

何十年にもわたり、衛星や航空機は上空から森林をマッピングし、樹木の分布や変化を明らかにしてきました。地上型LiDARは視点を森の床へと移します。三脚に据えたスキャナーが高速のレーザーパルスを放ち、幹や枝、葉、さらには倒木から跳ね返ってくるまでの時間を計測します。その結果得られるのは、植物材の正確な三次元配置をとらえた濃密な「点群」です。従来の巻尺による現地計測や写真と比べて、これらのスキャンはより速く、より詳細で、特に密生地や起伏のある地形では偏りが少ないのです。ハードウェアの近年の進歩により、スキャナーは小型化し、低価格化し、より迅速になり、多くの研究グループが利用できる道が開かれています。

デジタル森林の構築

一度収集されたLiDAR点群は、写実的なデジタル樹木や樹叢へと変換できます。アルゴリズムは点群を単純な形状――多くの場合は短い円筒――で包み、定量的構造モデルと呼ばれる形で主要な枝を再構築します。実質的に、科学者は樹木を切らずに重さや寸法を推定でき、その木材が幹から小枝にどのように分布しているかを算出できます。これらのデジタル樹木は「デジタルツイン」へと組み込まれます：樹冠内で光がどのように移動するか、季節の変化に対する光合成の応答、または形状が遺伝と環境からどのように生じるかをシミュレートできる高精細なコンピュータ版森林です。この現実味のある表現は、小規模な現地プロットと全球的な衛星観測との橋渡しに役立ちます。

森林目録の再考

地上型LiDARは、より大規模に樹木を数え、監視する方法も変えつつあります。国の森林目録は伝統的に人がサンプルプロットで幹径や樹高を測ることに依存してきました。LiDARはセンチメートル単位の精度で同じ基本的な数値を提供できる一方で、樹冠幅、樹冠容積、個々の樹木が占める空間、葉の凝集度なども同時に捉えます。これらはすべて3次元で保存されるため、古いスキャンは新しいアルゴリズムで再処理でき、繰り返しスキャンすることで間伐、嵐、干ばつの後に幹や樹冠、細枝がどのように成長または変形するかを明らかにできます。このより豊かな図は、樹木の大きさを木材量や炭素へ変換するモデルを洗練し、従来の方法が見落としがちだった地域差や管理に起因する違いを明らかにします。

構造、生息地、撹乱の可視化

単一樹木を超えて、LiDARは研究者に樹木の葉や枝が群落全体でどのように空間を満たしているかを定量化する手段を提供します。森が何層になっているか、樹冠がどれほど開いているか閉じているか、高さや幅における構造の複雑さがどれほどかを測定できます。これらのパターンは生物多様性や回復力と密接に結びついていることが分かっています。複雑な樹冠はより多くの種を支え、森林が成熟しても木材生産を維持しやすい傾向があります。詳細な3次元地図は、伐採、火災、断片化、大型植食動物が森林をどのように変形させるかも明らかにします。研究では、アマゾンの森林縁辺の樹木が成長様式や蓄積バイオマスが異なること、伐採の傷痕が垂直構造に数十年残ること、地表火が林下植生を部位ごとに異なる形で削り取ることなどがLiDARによって示されています。

課題と今後の展望

その可能性にもかかわらず、地上型LiDARは単純な道具の魔法の置き換えではありません。高性能スキャナーは依然として高価であり、野外作業は風雨や困難な地形によって遅延することがあります。膨大なデータの処理は依然として専門的なソフトウェアと専門知識を必要とし、スキャンやデータ共有の国際基準もようやく出始めたところです。それでも、人工知能の進歩、共有データセット、協調ネットワークの進展により、これらの障壁は着実に下がっています。著者らは、地上型LiDARがすでに森林を理解するための世界的なツールキットの重要な一部となっており、地上計測、生態学理論、衛星観測を結びつけるために必要な構造的詳細を提供し、急速に変化する世界で社会が森林を管理・保護するのを助けていると結論づけています。

引用: Maeda, E.E., Brede, B., Calders, K. et al. Expanding forest research with terrestrial LiDAR technology. Nat Commun 16, 8853 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-63946-6

キーワード: 地上型LiDAR, 森林構造, デジタルフォレスト, 森林撹乱, 炭素蓄積