利用地面激光雷达技术扩展森林研究

为什么三维森林与每个人息息相关

森林不仅提供景观和木材：它们储存碳、降低气温、为野生动植物提供庇护，并缓冲气候极端事件。然而，我们在气候政策、保护和土地利用方面的许多决策，仍然依赖于对树木出人意料地简单的测量。本文解释了地面激光技术——称为地面激光雷达（terrestrial LiDAR）——如何为科学家提供更加详尽的三维森林视角，帮助他们构建逼真的数字林分，并追踪伐木、火灾和气候变化随时间如何重塑森林。

给森林的新视角

几十年来，卫星和飞机一直从高空绘制森林图，揭示树木生长位置及其随时间的变化。地面激光雷达将视角转向林地。安装在三脚架上的扫描仪发出快速的激光脉冲，并测量这些脉冲从树干、枝条、树叶，甚至倒下的原木反射回来所需的时间。结果是一个密集的“点云”，捕捉了植物材料的精确三维排列。与传统的带尺测量或照片相比，这些扫描速度更快、细节更多、偏差更小，尤其在茂密或地形复杂的区域尤为明显。近年来硬件的进步使扫描仪更小、更便宜、扫描更快，从而为更多研究团队采用它们打开了大门。

构建数字森林

采集到的LiDAR点云可被转换为栩栩如生的数字树木和林分。算法将点云包裹于简单的形状——通常是短圆柱体——以重建每一条主要枝干，形成所谓的定量结构模型。实际上，科学家可以在不砍伐树木的情况下对其称重和测量，估算其总木材量以及木材从树干到小枝的分布。这些数字树木构成了“数字孪生”：高度精细的计算机森林版本，可用于模拟光线如何穿过冠层、光合作用如何随季节变化而响应，或树形如何由基因与环境共同塑造。这种逼真度有助于弥合小样地观测与全球卫星观测之间的差距。

重新思考森林清查

地面激光雷达也在改变我们在更大尺度上计数和监测树木的方式。国家森林清查传统上依赖人员在样地上测量树干直径和树高。LiDAR可以以厘米级精度提供这些基本数据，同时捕捉冠幅宽度、冠层体积、每棵树所占空间以及叶片的聚集程度。由于所有这些信息以三维形式保存，旧扫描可以用新的算法重新处理，重复扫描可以揭示在间伐、风暴或干旱后，树干、冠层甚至细小枝条如何生长或变形。这幅更丰富的图景有助于改进将树尺寸转换为木材体积和碳量的模型，并揭示以往方法常常忽视的区域性和管理驱动差异。

观测结构、栖息地与扰动

超越单株树木，LiDAR使科学家能够量化叶片和枝条如何在整个林分中填充空间。他们可以测量一片森林有多少层、冠层是开放还是封闭，以及在高度和宽度上结构有多复杂。这些格局与生物多样性和韧性紧密相关。复杂的冠层往往支持更多物种，即便在森林老化时也能持续产生木材。精细的三维地图还揭示了伐木、火灾、破碎化和大型食草动物如何重塑森林。研究利用LiDAR表明，亚马逊森林边缘的树木生长方式不同并储存较少生物量，伐木留下的疤痕在垂直结构中数十年仍可见，地表火则以因地制宜的方式雕刻下层植被。

挑战与前路

尽管前景可期，地面激光雷达并不能魔法般取代简单工具。高端扫描仪仍然昂贵，野外工作可能因风、雨和艰难地形而放慢。处理海量数据仍需专门软件和专业知识，关于如何扫描与共享数据的国际标准也才刚刚开始出现。即便如此，人工智能、共享数据集和协同网络的持续进展正在稳步降低这些门槛。作者总结认为，地面激光雷达已成为理解森林的全球工具箱中的关键组成，为将地面测量、生态理论与卫星监测联系起来提供了必要的结构细节—并在快速变化的世界中帮助社会管理和保护森林。

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

关键词: 地面激光雷达, 森林结构, 数字森林, 森林扰动, 碳储量