Rozszerzanie badań nad lasami dzięki naziemnej technologii LiDAR

Dlaczego 3D lasy mają znaczenie dla wszystkich

Lasy to coś znacznie więcej niż krajobraz i drewno: magazynują węgiel, ochładzają powietrze, dają schronienie dzikiej faunie i łagodzą ekstremalne warunki klimatyczne. Mimo to wiele decyzji dotyczących polityki klimatycznej, ochrony przyrody i gospodarowania gruntami opiera się wciąż na zaskakująco prostych pomiarach drzew. Niniejszy artykuł wyjaśnia, jak naziemna technologia laserowa — zwana naziemnym LiDAR — daje naukowcom znacznie bardziej szczegółowy, trójwymiarowy obraz lasów, pozwalając tworzyć realistyczne cyfrowe odpowiedniki drzewostanów i śledzić, jak wycinka, pożary i zmiany klimatu przekształcają je w czasie.

Nowe spojrzenie na las

Przez dekady satelity i samoloty mapowały lasy z góry, ukazując, gdzie rosną drzewa i jak zmieniają się w czasie. Naziemny LiDAR przesuwa punkt widzenia na poziom poszycia. Skaner na statywie wysyła szybkie impulsy lasera i mierzy, ile czasu zajmuje ich powrót od pni, gałęzi, liści, a nawet powalonych kłód. Wynikiem jest gęsta „chmura punktów”, która odwzorowuje dokładne trójwymiarowe ułożenie materiału roślinnego. W porównaniu z tradycyjnymi pomiarami taśmą czy fotografiami takie skany są szybsze, bardziej szczegółowe i mniej obciążone błędami, zwłaszcza na terenach gęstych lub nierównych. Ostatnie postępy w sprzęcie uczyniły skanery mniejszymi, tańszymi i szybszymi, co otwiera drzwi większej liczbie zespołów badawczych.

Tworzenie cyfrowych lasów

Punkty LiDAR po zebraniu można przekształcić w realistyczne cyfrowe drzewa i drzewostany. Algorytmy obejmują punkty prostymi kształtami — często krótkimi cylindrami — aby zrekonstruować każdą główną gałąź w tzw. ilościowych modelach struktury. W praktyce naukowcy mogą policzyć i zmierzyć drzewo bez jego ścinki, oszacowując całkowitą ilość drewna i sposób jego rozmieszczenia od pnia po gałązki. Te cyfrowe drzewa trafiają do „cyfrowych bliźniaków”: szczegółowych komputerowych wersji lasów, które można wykorzystać do symulacji przepływu światła przez koronę, reakcji fotosyntezy na zmienne pory roku czy kształtowania się formy drzew pod wpływem genetyki i środowiska. Taki poziom realizmu pomaga łączyć wyniki z małych działek pomiarowych z obserwacjami satelitarnymi na skalę globalną.

Przemyślenie inwentaryzacji leśnych

Naziemny LiDAR zmienia też sposób, w jaki liczymy i monitorujemy drzewa na większą skalę. Krajowe inwentaryzacje leśne tradycyjnie polegają na pomiarach średnic pni i wysokości na próbkowanych działkach. LiDAR może dostarczyć tych samych podstawowych danych z dokładnością centymetrową, jednocześnie rejestrując szerokość i objętość korony, przestrzeń zajmowaną przez każde drzewo oraz zagęszczenie liści. Ponieważ wszystko to jest przechowywane w 3D, stare skany można ponownie przetwarzać z użyciem nowych algorytmów, a powtarzane skany ujawniają, jak pnie, korony, a nawet drobne gałęzie rosną lub ulegają odkształceniom po rębniach, burzach czy suszach. Ten bogatszy obraz pomaga udoskonalić modele przeliczające rozmiar drzewa na objętość drewna i węgiel oraz ujawnia różnice regionalne i wynikające z gospodarowania, które wcześniejsze metody często pomijały.

Widzenie struktury, siedliska i zaburzeń

Idąc dalej niż pojedyncze drzewa, LiDAR pozwala naukowcom ilościowo określić, jak liście i gałęzie wypełniają przestrzeń w całym drzewostanie. Mogą mierzyć, ile warstw ma las, jak otwarta lub zamknięta jest korona oraz jak złożona jest struktura zarówno w pionie, jak i w poziomie. Okazuje się, że te wzorce są ściśle powiązane z bioróżnorodnością i odpornością. Złożone korony zwykle wspierają więcej gatunków i mogą dalej produkować drewno w miarę starzenia się lasu. Szczegółowe mapy 3D także ujawniają, jak wycinka, pożary, fragmentacja i duże roślinożercy przekształcają lasy. Badania wykorzystujące LiDAR wykazały, że drzewa na krawędziach lasu amazońskiego rosną inaczej i magazynują mniej biomasy, że blizny po wyrębie pozostają widoczne w pionowej strukturze przez dekady oraz że pożary powierzchniowe kształtują podszyt w różny sposób w zależności od miejsca.

Wyzwania i droga naprzód

Mimo obietnic, naziemny LiDAR nie jest magicznym zamiennikiem prostych narzędzi. Zaawansowane skanery wciąż bywają drogie, a prace terenowe mogą być utrudnione przez wiatr, deszcz i trudny teren. Przetwarzanie olbrzymich wolumenów danych nadal wymaga specjalistycznego oprogramowania i ekspertyzy, a międzynarodowe standardy dotyczące sposobów skanowania i udostępniania danych dopiero zaczynają się pojawiać. Nawet tak, postęp w sztucznej inteligencji, wspólne zbiory danych i skoordynowane sieci stopniowo obniżają te bariery. Autorzy konkludują, że naziemny LiDAR stał się już kluczową częścią globalnego zestawu narzędzi do rozumienia lasów, oferując szczegół strukturalny potrzebny do łączenia pomiarów terenowych, teorii ekologicznej i monitoringu satelitarnego — i pomagając społeczeństwu zarządzać oraz chronić lasy w szybko zmieniającym się świecie.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: naziemny LiDAR, struktura lasu, cyfrowe lasy, zaburzenia w lesie, składowanie węgla