基于激光雷达的森林生物多样性研究概况

陈兴国 洪聪慧 张应东

（1.湖北省钟祥市盘石岭林场，湖北 荆门 431900；2.华中农业大学园艺林学学院，湖北 武汉 430070）

随着全球经济的快速增长，发展中国家人口急剧增长和资源消耗性工业的发展，导致生存环境变得恶劣。越来越多的人开始关注生态环境，提倡可持续发展，走既能满足当代需求又不对后代人需求构成危害的可持续发展道路，其中对于森林生物多样性保护的研究，又是目前研究中比较重要的部分。森林生物多样性的良好发展可以促进生态环境保持平衡，培养和保护森林从而达到获取经济效益，生态效益和社会效益的目的，对于我国经济发展起着至关重要的作用。在可持续发展的理念下，森林生物多样性得到进一步的保护，使得林业的发展呈现出上升趋势。但是，目前在林业发展过程中仍存在一些问题，因此，加强森林资源培育和保护任重而道远。

近二十年来，主动式遥感技术因其不依赖于太阳辐射从而可以昼夜工作，同时，可以根据探测目标的不同选择不同的电磁波波长和发射方式等优点，在遥感领域发展迅速。光学遥感技术已经逐步应用到区域性森林结构参数及生物量反演研究中。激光雷达技术作为其中的一个主要分支，凭借其提供的高精度三维地物信息，已经在林业、气象等领域得到广泛的应用。

基于此，本文主要概述了激光雷达的分类，其在森林生态中的应用价值，及其在森林生物多样性研究中的应用，最后对激光雷达的森林生态应用前景进行了展望。

1.激光雷达的分类

随着激光雷达技术的不断发展，激光雷达的种类不断增多。按照测距原理，激光雷达主要分为脉冲式和相位式两类；按照承载平台的不同，激光雷达可分为地基激光雷达（terrestrial laser scanner，TLS）、机载激光雷达（airborne laser scanner，ALS）和星载激光雷达。由于不同激光雷达平台的工作方式和工作原理具有区别，不同激光雷达平台的组成部分和应用尺度也不尽形同。

1.1 地基激光雷达

地基激光雷达，也称为地面激光雷达扫描仪，通常用于单一目标或者小尺度精细三维数据的采集。由于地基激光雷达可以详细、准确地提供目标高质量的三维点云数据，它的出现弥补了现有观测手段的不足，正逐渐成为林业调查一个有力的工具。其可以用于获取从单木到林分水平的高精度三维信息，提供了一种非破坏性的高分辨率冠层三维测量手段，为实现单木几何结构参数的自动获取和重建真是三维森林场景提供了可能。

1.2 机载激光雷达

机载激光雷达以飞行器为搭载平台，通常用于区域尺度三维信息数据的快速获取。其核心的硬件组成有激光雷达传感器、GPS和IMU。目前，机载激光雷达主要搭载的飞行器平台有航天器、飞机、汽艇和无人机等，飞机平台和无人机平台是其中的两个典型的代表。由于机载激光雷达平台可以用于快速获取区域尺度上的三维数据，为大面积森林清查和森林结构参数提取提供了一种全新的技术手段。

1.3 星载激光雷达

星载激光雷达以卫星平台为依托进行大尺度三维信息数据的获取，其研制和利用是在20世纪90年代逐步发展成熟的。相较于机载激光雷达，星载激光雷达运行轨道高、观测视野广，理论上具备提供全球激光雷达数据的能力。这些特点使它在地形测绘、环境监测和森林调查等方面的应用具有独特的优势。但是，由于星载激光雷达的轨道高度和发射频率的限制，星载激光雷达的数据密度较低，难以实现空间上连续的观测。我国于2020年发射搭载于国家林业和草原局碳卫星上的星载激光雷达传感器系统。

2.激光雷达在森林生态中的应用价值

森林生态系统与其他生态系统相比，在水平和垂直维度上都存在着较强的异质性。森林生态系统结构不同，其所具有的生态功能也就不同，因此，研究森林结构与功能的关系对深入了解物种分布与环境的关系，以及探讨森林生物多样性和更新演替规律等都具有重要意义。早期森林结构调查往往是在样方水平上进行的，多采用人工调查的方式，具有耗时、费力的特点，而且调查结果多以文字解析或统计描述为主，无法有效地解决森林生物多样性空间异质性的问题。

随着遥感技术在森林生态中的应用，遥感数据逐步应用到区域性生物量反演研究中，但由于这种被动式遥感穿透性差。另外，各类光学遥感数据在植被冠层郁闭度或生物量较高时易饱和，对参数的变化响应敏感性大大降低，从而限制了其在区域参数估算中的应用。

与传统的被动式遥感不同，激光雷达可以直接、快速、精准地获取研究对象的三维空间坐标。其发射的主动式脉冲波长主要位于红外和近红外波段，不受天气、光照等自然条件的影响，可以真实实现全天时、全天候的数据获取。国内外已有很多关于此方面的研究，建立样方尺度的生物量与机载激光雷达数据的关系，然后利用激光雷达数据与遥感光谱数据之间的关系，实现对更大尺度上的生物量估算。

3.激光雷达在森林生物多样性研究中的应用

3.1 遥感技术在生物多样性研究进展

20世纪90年代前后，科研人员就曾指出，卫星影像具备即时性、系统性和可重复性，在大尺度监测和评价生物多样性要素方面具有优势。目前，基于遥感技术开展生物多样性监测的方法可分为两类：直接法和间接法。直接法是直接识别物种或群落类型及其分布、多度，对遥感数据的空间分辨率和光谱分辨率有相当高的要求，是该领域未来的发展方向；间接法是通过遥感数据衍生一些指标和变量，而这些指标或变量被认为或证实是与生物多样性密切相关的，然后结合野外采样构建模型来预测物种分布以及多样性格局。

基于直接法的生物多样性应用研究都是利用卫星遥感数据生成土地覆盖类信息，并在此基础上区分植被类型，计算斑块数量和面积、边界密度、香浓多样性等一系列景观指数。基于景观指数分析的生物多样性监测方法适合较大的空间尺度，并在20世纪80年代开始到90年代末得到广泛应用。随着遥感影像数据空间分辨率和光谱分辨率的不断提高，在小范围区域可以直接建立光谱辐射值与样地调查得到的物种分布模式关系，来分析和监测生物多样性。相较于直接法监测，间接法主要是利用遥感技术获取以下四大类环境变量进行生物多样性的间接估算与模拟：气候和地形、生产力、生境状况和干扰。气候决定区域和全球尺度上的生物多样性格局已是共识。

激光雷达点云数据能够提取林下地形、树高、枝下高、林冠体积等生境三维结构信息，能够与传统光学遥感数据实现数据优势互补，增强遥感技术直接定量生物多样性的实际应用效果。已有研究表明，激光雷达数据与高光谱数据结合在林冠树种识别、地上生物量估算等方面都有成功的应用。利用激光雷达技术获取的精确三维位置和结构信息也可以作为间接估测生物多样的一个数据源。Muller和Brandl（2009）利用激光雷达数据预测山区的森林甲虫种群，发现激光雷达数据获取的环境变量与实地调查结果具有较高的一致性，不仅表明激光雷达技术可实时、高效地评价复杂山区或复杂结构的森林栖息地，并且能够很好地建立大尺度上遥感观测数据和实地调查数据之间的关系。还有研究表明，机载激光雷达数据提取大量结构参数，可作为量化生物多样性必须指标的一个重要途径。

3.2 激光雷达在生物多样性研究中的应用实例

激光雷达技术已经被证实在生物多样性应用研究中具有重要的价值，目前已有学者开展了激光雷达技术在生物多样性领域开展了部分研究。本文章主要介绍其中的一项研究，森林生态系统中野生动物斑点猫头鹰的研究。斑点猫头鹰是美国森林的标志性动物，目前已经濒临灭绝的危险。据统计，斑点猫头鹰大约只有2000只。研究斑点猫头鹰的生境喜好和其受林火、森林作业等人类活动的影响对其保护具有重要意义。

根据已有的研究结果，以冠盖度和大树密度两个变量，结合观测到的斑点猫头鹰鸟巢的分布来分析斑点猫头鹰的生境偏好，利用逻辑回归方法拟合斑点猫头鹰的生境。研究结果表示，90%斑点猫头鹰喜欢在胸径71.3cm以上的树上筑巢。根据冠盖度、大树密度和建立好的回归方程，即可估算斑点猫头鹰的空间分布范围。为了分析森林动态和林火对斑点猫头鹰的影响，构建了4个情景：①没有疏伐措施，但有林火干扰；②疏伐措施和林火干扰；③有疏伐措施，但没有林火干扰；④没有疏伐措施和林火干扰。

采用激光雷达反演得到的植被信息和地表可燃物分布信息作为输入，模拟了某地区的林火的火焰长度。基于四个模拟情景发现，当没有林火发生时，疏伐措施对于斑点猫头鹰的分布只有轻微影响，会稍微减少斑点猫头鹰的分布范围；当发生林火时，疏伐措施影响就会较大，会明显减少适合斑点猫头鹰的生境。

3.3 激光雷达技术在生物多样性监测中的发展前景

目前，生物多样性监测网络的地面观测均非常完善并不断引入各种学科领域的新技术，然而，遥感技术在生物多样性监测网络的使用仍然不足。中国生物多样性监测与研究网络在引入遥感技术方面走在国际前列。激光雷达技术能够为生物多样性研究提供丰富的数据源，能更好地用于生态系统现状及相关物种多样性的评价，量化生物多样性的退化程度，实现传统地面监测难以实现的大尺度分析。在“十三五”期间，引入激光雷达以及高光谱系统，用于获取典型地带性植被类型监测样地生境的全方位、多尺度、多源遥感数据。相信在不远的未来，激光雷达技术将会被更广泛地应用到各个生物多样性监测，帮助研究人员更好理解生物多样性。

4.结语

当今时代激光雷达技术的快速发展，除了在森林参数提取中已有广泛应用外，在生物多样性监测中，激光雷达已经作为一种重要的数据源可以与光学遥感数据相结合，为物种分布模拟和生物多样性监测提供重要的输入数据。但目前森林生物多样性工作仍面临着数据量大、数据结构复杂等问题，如何有效地进行森林生物多样性更新管理是亟待解决的问题。