Расширение исследований лесов с помощью наземной технологии лидар

Почему 3D-леса важны для всех

Леса — это не только пейзажи и древесина: они накапливают углерод, охлаждают воздух, служат убежищем для дикой природы и смягчают климатические экстремумы. Тем не менее многие решения по климатической политике, охране природы и землепользованию по-прежнему опираются на удивительно простые измерения деревьев. В этой статье объясняется, как наземная лазерная технология — наземный лидар — дает учёным кардинально более подробное трёхмерное представление о лесах, помогая создавать реалистичные цифровые версии лесных массивов и отслеживать, как рубки, пожары и изменение климата изменяют их с течением времени.

Новые «глаза» в лесу

Десятилетиями спутники и самолёты картировали леса сверху, показывая, где растут деревья и как они меняются со временем. Наземный лидар смещает точку зрения на уровень лесной подстилки. Сканер на штативе посылает быстрые лазерные импульсы и измеряет, сколько времени требуется сигналу, чтобы отразиться от стволов, ветвей, листьев и даже поваленных брёвен. В результате получается плотное «облако точек», фиксирующее точное трёхмерное расположение растительного материала. По сравнению с традиционными полевыми измерениями рулеткой или фотографиями такие сканы выполняются быстрее, дают больше деталей и менее подвержены систематическим искажениям, особенно в густой или неровной местности. Последние достижения в аппаратуре сделали сканеры меньшими, дешевле и быстрее, что открывает путь для широкого использования их множеством исследовательских групп.

Создание цифровых лесов

После сбора точки лидар-скана можно преобразовать в правдоподобные цифровые деревья и насаждения. Алгоритмы оборачивают точки в простые формы — часто короткие цилиндры — чтобы восстановить каждую крупную ветвь в так называемых количественных моделях структуры. Фактически учёные могут взвешивать и измерять дерево, не срубая его, оценивая общий объём древесины и то, как эта древесина распределена от ствола до самых тонких веточек. Эти цифровые деревья входят в «цифровые двойники»: детализированные компьютерные версии лесов, которые можно использовать для моделирования того, как свет проходит через крону, как фотосинтез реагирует на смену сезонов или как формы деревьев формируются под влиянием генетики и окружающей среды. Такой уровень реализма помогает связать данные маленьких полевых участков с глобальными спутниковыми наблюдениями.

Переосмысление лесных инвентаризаций

Наземный лидар также трансформирует способы подсчёта и мониторинга деревьев в масштабах территорий. Национальные лесные инвентаризации традиционно полагались на людей, измеряющих диаметр стволов и высоту на выборочных участках. Лидар может предоставить те же базовые показатели с точностью до сантиметра, одновременно фиксируя ширину кроны, её объём, пространство, занимаемое каждым деревом, и степень сгущения листовой массы. Поскольку всё это хранится в 3D, старые сканы можно перепроцессировать с новыми алгоритмами, а повторные сканирования показывают, как стволы, кроны и даже тонкие ветви растут или деформируются после прореживания, штормов или засухи. Эта более полная картина помогает уточнить модели, преобразующие размеры деревьев в объём древесины и углерод, и выявляет региональные и управленческие различия, которые старые методы часто упускали.

Видеть структуру, среду обитания и нарушения

Глядя дальше отдельных деревьев, лидар позволяет учёным количественно описывать, как листья и ветви заполняют пространство в пределах целого насаждения. Можно измерить, сколько слоёв имеет лес, насколько открыта или закрыта крона и насколько сложна структура по высоте и по ширине. Эти закономерности тесно связаны с биоразнообразием и устойчивостью. Сложные кроны, как правило, поддерживают больше видов и продолжают наращивать древесину даже по мере старения леса. Детализированные 3D-карты также показывают, как рубки, пожары, фрагментация и крупные травоядные перестраивают леса. Исследования с использованием лидара показали, что деревья на кромках амазонских лесов растут иначе и накапливают меньше биомассы, что рубки оставляют следы в вертикальной структуре на несколько десятков лет, и что поверхностные пожары выжигают подлесок по-разному в зависимости от конкретного места.

Проблемы и дальнейший путь

Несмотря на обнадёживающие перспективы, наземный лидар не является волшебной заменой простых инструментов. Передовые сканеры остаются дорогими, а полевые работы могут замедлять ветер, дождь и труднопроходимая местность. Обработка огромных объёмов данных по-прежнему требует специализированного программного обеспечения и квалификации, а международные стандарты сканирования и обмена данными только начинают формироваться. Тем не менее постоянный прогресс в области искусственного интеллекта, общие наборы данных и скоординированные сети постепенно снижают эти барьеры. Авторы делают вывод, что наземный лидар уже стал ключевой частью глобального набора инструментов для понимания лесов, предлагая структурные детали, необходимые для связывания полевых измерений, экологической теории и спутникового мониторинга — и помогая обществу управлять и защищать леса в условиях быстрого изменения мира.

Цитирование: 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

Ключевые слова: наземный лидар, структура леса, цифровые леса, нарушение лесов, хранение углерода