陳興國 洪聰慧 張應東

（1.湖北省鐘祥市盤石嶺林場，湖北 荊門 431900；2.華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院，湖北 武漢 430070）

隨著全球經(jīng)濟的快速增長，發(fā)展中國家人口急劇增長和資源消耗性工業(yè)的發(fā)展，導致生存環(huán)境變得惡劣。越來越多的人開始關(guān)注生態(tài)環(huán)境，提倡可持續(xù)發(fā)展，走既能滿足當代需求又不對后代人需求構(gòu)成危害的可持續(xù)發(fā)展道路，其中對于森林生物多樣性保護的研究，又是目前研究中比較重要的部分。森林生物多樣性的良好發(fā)展可以促進生態(tài)環(huán)境保持平衡，培養(yǎng)和保護森林從而達到獲取經(jīng)濟效益，生態(tài)效益和社會效益的目的，對于我國經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在可持續(xù)發(fā)展的理念下，森林生物多樣性得到進一步的保護，使得林業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出上升趨勢。但是，目前在林業(yè)發(fā)展過程中仍存在一些問題，因此，加強森林資源培育和保護任重而道遠。

近二十年來，主動式遙感技術(shù)因其不依賴于太陽輻射從而可以晝夜工作，同時，可以根據(jù)探測目標的不同選擇不同的電磁波波長和發(fā)射方式等優(yōu)點，在遙感領域發(fā)展迅速。光學遙感技術(shù)已經(jīng)逐步應用到區(qū)域性森林結(jié)構(gòu)參數(shù)及生物量反演研究中。激光雷達技術(shù)作為其中的一個主要分支，憑借其提供的高精度三維地物信息，已經(jīng)在林業(yè)、氣象等領域得到廣泛的應用。

基于此，本文主要概述了激光雷達的分類，其在森林生態(tài)中的應用價值，及其在森林生物多樣性研究中的應用，最后對激光雷達的森林生態(tài)應用前景進行了展望。

1.激光雷達的分類

隨著激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，激光雷達的種類不斷增多。按照測距原理，激光雷達主要分為脈沖式和相位式兩類；按照承載平臺的不同，激光雷達可分為地基激光雷達（terrestrial laser scanner，TLS）、機載激光雷達（airborne laser scanner，ALS）和星載激光雷達。由于不同激光雷達平臺的工作方式和工作原理具有區(qū)別，不同激光雷達平臺的組成部分和應用尺度也不盡形同。

1.1 地基激光雷達

地基激光雷達，也稱為地面激光雷達掃描儀，通常用于單一目標或者小尺度精細三維數(shù)據(jù)的采集。由于地基激光雷達可以詳細、準確地提供目標高質(zhì)量的三維點云數(shù)據(jù)，它的出現(xiàn)彌補了現(xiàn)有觀測手段的不足，正逐漸成為林業(yè)調(diào)查一個有力的工具。其可以用于獲取從單木到林分水平的高精度三維信息，提供了一種非破壞性的高分辨率冠層三維測量手段，為實現(xiàn)單木幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動獲取和重建真是三維森林場景提供了可能。

1.2 機載激光雷達

機載激光雷達以飛行器為搭載平臺，通常用于區(qū)域尺度三維信息數(shù)據(jù)的快速獲取。其核心的硬件組成有激光雷達傳感器、GPS和IMU。目前，機載激光雷達主要搭載的飛行器平臺有航天器、飛機、汽艇和無人機等，飛機平臺和無人機平臺是其中的兩個典型的代表。由于機載激光雷達平臺可以用于快速獲取區(qū)域尺度上的三維數(shù)據(jù)，為大面積森林清查和森林結(jié)構(gòu)參數(shù)提取提供了一種全新的技術(shù)手段。

1.3 星載激光雷達

星載激光雷達以衛(wèi)星平臺為依托進行大尺度三維信息數(shù)據(jù)的獲取，其研制和利用是在20世紀90年代逐步發(fā)展成熟的。相較于機載激光雷達，星載激光雷達運行軌道高、觀測視野廣，理論上具備提供全球激光雷達數(shù)據(jù)的能力。這些特點使它在地形測繪、環(huán)境監(jiān)測和森林調(diào)查等方面的應用具有獨特的優(yōu)勢。但是，由于星載激光雷達的軌道高度和發(fā)射頻率的限制，星載激光雷達的數(shù)據(jù)密度較低，難以實現(xiàn)空間上連續(xù)的觀測。我國于2020年發(fā)射搭載于國家林業(yè)和草原局碳衛(wèi)星上的星載激光雷達傳感器系統(tǒng)。

2.激光雷達在森林生態(tài)中的應用價值

森林生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)相比，在水平和垂直維度上都存在著較強的異質(zhì)性。森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，其所具有的生態(tài)功能也就不同，因此，研究森林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系對深入了解物種分布與環(huán)境的關(guān)系，以及探討森林生物多樣性和更新演替規(guī)律等都具有重要意義。早期森林結(jié)構(gòu)調(diào)查往往是在樣方水平上進行的，多采用人工調(diào)查的方式，具有耗時、費力的特點，而且調(diào)查結(jié)果多以文字解析或統(tǒng)計描述為主，無法有效地解決森林生物多樣性空間異質(zhì)性的問題。

隨著遙感技術(shù)在森林生態(tài)中的應用，遙感數(shù)據(jù)逐步應用到區(qū)域性生物量反演研究中，但由于這種被動式遙感穿透性差。另外，各類光學遙感數(shù)據(jù)在植被冠層郁閉度或生物量較高時易飽和，對參數(shù)的變化響應敏感性大大降低，從而限制了其在區(qū)域參數(shù)估算中的應用。

與傳統(tǒng)的被動式遙感不同，激光雷達可以直接、快速、精準地獲取研究對象的三維空間坐標。其發(fā)射的主動式脈沖波長主要位于紅外和近紅外波段，不受天氣、光照等自然條件的影響，可以真實實現(xiàn)全天時、全天候的數(shù)據(jù)獲取。國內(nèi)外已有很多關(guān)于此方面的研究，建立樣方尺度的生物量與機載激光雷達數(shù)據(jù)的關(guān)系，然后利用激光雷達數(shù)據(jù)與遙感光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)對更大尺度上的生物量估算。

3.激光雷達在森林生物多樣性研究中的應用

3.1 遙感技術(shù)在生物多樣性研究進展

20世紀90年代前后，科研人員就曾指出，衛(wèi)星影像具備即時性、系統(tǒng)性和可重復性，在大尺度監(jiān)測和評價生物多樣性要素方面具有優(yōu)勢。目前，基于遙感技術(shù)開展生物多樣性監(jiān)測的方法可分為兩類：直接法和間接法。直接法是直接識別物種或群落類型及其分布、多度，對遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率有相當高的要求，是該領域未來的發(fā)展方向；間接法是通過遙感數(shù)據(jù)衍生一些指標和變量，而這些指標或變量被認為或證實是與生物多樣性密切相關(guān)的，然后結(jié)合野外采樣構(gòu)建模型來預測物種分布以及多樣性格局。

基于直接法的生物多樣性應用研究都是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)生成土地覆蓋類信息，并在此基礎上區(qū)分植被類型，計算斑塊數(shù)量和面積、邊界密度、香濃多樣性等一系列景觀指數(shù)?；诰坝^指數(shù)分析的生物多樣性監(jiān)測方法適合較大的空間尺度，并在20世紀80年代開始到90年代末得到廣泛應用。隨著遙感影像數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜分辨率的不斷提高，在小范圍區(qū)域可以直接建立光譜輻射值與樣地調(diào)查得到的物種分布模式關(guān)系，來分析和監(jiān)測生物多樣性。相較于直接法監(jiān)測，間接法主要是利用遙感技術(shù)獲取以下四大類環(huán)境變量進行生物多樣性的間接估算與模擬：氣候和地形、生產(chǎn)力、生境狀況和干擾。氣候決定區(qū)域和全球尺度上的生物多樣性格局已是共識。

激光雷達點云數(shù)據(jù)能夠提取林下地形、樹高、枝下高、林冠體積等生境三維結(jié)構(gòu)信息，能夠與傳統(tǒng)光學遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補，增強遙感技術(shù)直接定量生物多樣性的實際應用效果。已有研究表明，激光雷達數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合在林冠樹種識別、地上生物量估算等方面都有成功的應用。利用激光雷達技術(shù)獲取的精確三維位置和結(jié)構(gòu)信息也可以作為間接估測生物多樣的一個數(shù)據(jù)源。Muller和Brandl（2009）利用激光雷達數(shù)據(jù)預測山區(qū)的森林甲蟲種群，發(fā)現(xiàn)激光雷達數(shù)據(jù)獲取的環(huán)境變量與實地調(diào)查結(jié)果具有較高的一致性，不僅表明激光雷達技術(shù)可實時、高效地評價復雜山區(qū)或復雜結(jié)構(gòu)的森林棲息地，并且能夠很好地建立大尺度上遙感觀測數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。還有研究表明，機載激光雷達數(shù)據(jù)提取大量結(jié)構(gòu)參數(shù)，可作為量化生物多樣性必須指標的一個重要途徑。

3.2 激光雷達在生物多樣性研究中的應用實例

激光雷達技術(shù)已經(jīng)被證實在生物多樣性應用研究中具有重要的價值，目前已有學者開展了激光雷達技術(shù)在生物多樣性領域開展了部分研究。本文章主要介紹其中的一項研究，森林生態(tài)系統(tǒng)中野生動物斑點貓頭鷹的研究。斑點貓頭鷹是美國森林的標志性動物，目前已經(jīng)瀕臨滅絕的危險。據(jù)統(tǒng)計，斑點貓頭鷹大約只有2000只。研究斑點貓頭鷹的生境喜好和其受林火、森林作業(yè)等人類活動的影響對其保護具有重要意義。

根據(jù)已有的研究結(jié)果，以冠蓋度和大樹密度兩個變量，結(jié)合觀測到的斑點貓頭鷹鳥巢的分布來分析斑點貓頭鷹的生境偏好，利用邏輯回歸方法擬合斑點貓頭鷹的生境。研究結(jié)果表示，90%斑點貓頭鷹喜歡在胸徑71.3cm以上的樹上筑巢。根據(jù)冠蓋度、大樹密度和建立好的回歸方程，即可估算斑點貓頭鷹的空間分布范圍。為了分析森林動態(tài)和林火對斑點貓頭鷹的影響，構(gòu)建了4個情景：①沒有疏伐措施，但有林火干擾；②疏伐措施和林火干擾；③有疏伐措施，但沒有林火干擾；④沒有疏伐措施和林火干擾。

采用激光雷達反演得到的植被信息和地表可燃物分布信息作為輸入，模擬了某地區(qū)的林火的火焰長度?；谒膫€模擬情景發(fā)現(xiàn)，當沒有林火發(fā)生時，疏伐措施對于斑點貓頭鷹的分布只有輕微影響，會稍微減少斑點貓頭鷹的分布范圍；當發(fā)生林火時，疏伐措施影響就會較大，會明顯減少適合斑點貓頭鷹的生境。

3.3 激光雷達技術(shù)在生物多樣性監(jiān)測中的發(fā)展前景

目前，生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡的地面觀測均非常完善并不斷引入各種學科領域的新技術(shù)，然而，遙感技術(shù)在生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡的使用仍然不足。中國生物多樣性監(jiān)測與研究網(wǎng)絡在引入遙感技術(shù)方面走在國際前列。激光雷達技術(shù)能夠為生物多樣性研究提供豐富的數(shù)據(jù)源，能更好地用于生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及相關(guān)物種多樣性的評價，量化生物多樣性的退化程度，實現(xiàn)傳統(tǒng)地面監(jiān)測難以實現(xiàn)的大尺度分析。在“十三五”期間，引入激光雷達以及高光譜系統(tǒng)，用于獲取典型地帶性植被類型監(jiān)測樣地生境的全方位、多尺度、多源遙感數(shù)據(jù)。相信在不遠的未來，激光雷達技術(shù)將會被更廣泛地應用到各個生物多樣性監(jiān)測，幫助研究人員更好理解生物多樣性。

4.結(jié)語

當今時代激光雷達技術(shù)的快速發(fā)展，除了在森林參數(shù)提取中已有廣泛應用外，在生物多樣性監(jiān)測中，激光雷達已經(jīng)作為一種重要的數(shù)據(jù)源可以與光學遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，為物種分布模擬和生物多樣性監(jiān)測提供重要的輸入數(shù)據(jù)。但目前森林生物多樣性工作仍面臨著數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜等問題，如何有效地進行森林生物多樣性更新管理是亟待解決的問題。