陳興國(guó) 洪聰慧 張應(yīng)東

（1.湖北省鐘祥市盤(pán)石嶺林場(chǎng)，湖北 荊門(mén) 431900；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，發(fā)展中國(guó)家人口急劇增長(zhǎng)和資源消耗性工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致生存環(huán)境變得惡劣。越來(lái)越多的人開(kāi)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(dāng)代需求又不對(duì)后代人需求構(gòu)成危害的可持續(xù)發(fā)展道路，其中對(duì)于森林生物多樣性保護(hù)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(jìn)生態(tài)環(huán)境保持平衡，培養(yǎng)和保護(hù)森林從而達(dá)到獲取經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)效益和社會(huì)效益的目的，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步的保護(hù)，使得林業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。但是，目前在林業(yè)發(fā)展過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，因此，加強(qiáng)森林資源培育和保護(hù)任重而道遠(yuǎn)。

近二十年來(lái)，主動(dòng)式遙感技術(shù)因其不依賴于太陽(yáng)輻射從而可以晝夜工作，同時(shí)，可以根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的不同選擇不同的電磁波波長(zhǎng)和發(fā)射方式等優(yōu)點(diǎn)，在遙感領(lǐng)域發(fā)展迅速。光學(xué)遙感技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)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(dá)技術(shù)作為其中的一個(gè)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

基于此，本文主要概述了激光雷達(dá)的分類，其在森林生態(tài)中的應(yīng)用價(jià)值，及其在森林生物多樣性研究中的應(yīng)用，最后對(duì)激光雷達(dá)的森林生態(tài)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1.激光雷達(dá)的分類

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

1.1 地基激光雷達(dá)

地基激光雷達(dá)，也稱為地面激光雷達(dá)掃描儀，通常用于單一目標(biāo)或者小尺度精細(xì)三維數(shù)據(jù)的采集。由于地基激光雷達(dá)可以詳細(xì)、準(zhǔn)確地提供目標(biāo)高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有觀測(cè)手段的不足，正逐漸成為林業(yè)調(diào)查一個(gè)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(cè)量手段，為實(shí)現(xiàn)單木幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動(dòng)獲取和重建真是三維森林場(chǎng)景提供了可能。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)以飛行器為搭載平臺(tái)，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(dá)傳感器、GPS和IMU。目前，機(jī)載激光雷達(dá)主要搭載的飛行器平臺(tái)有航天器、飛機(jī)、汽艇和無(wú)人機(jī)等，飛機(jī)平臺(tái)和無(wú)人機(jī)平臺(tái)是其中的兩個(gè)典型的代表。由于機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)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(dá)

星載激光雷達(dá)以衛(wèi)星平臺(tái)為依托進(jìn)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(jì)90年代逐步發(fā)展成熟的。相較于機(jī)載激光雷達(dá)，星載激光雷達(dá)運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣，理論上具備提供全球激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的能力。這些特點(diǎn)使它在地形測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)和森林調(diào)查等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，由于星載激光雷達(dá)的軌道高度和發(fā)射頻率的限制，星載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)密度較低，難以實(shí)現(xiàn)空間上連續(xù)的觀測(cè)。我國(guó)于2020年發(fā)射搭載于國(guó)家林業(yè)和草原局碳衛(wèi)星上的星載激光雷達(dá)傳感器系統(tǒng)。

2.激光雷達(dá)在森林生態(tài)中的應(yīng)用價(jià)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(qiáng)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(duì)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(jìn)行的，多采用人工調(diào)查的方式，具有耗時(shí)、費(fèi)力的特點(diǎn)，而且調(diào)查結(jié)果多以文字解析或統(tǒng)計(jì)描述為主，無(wú)法有效地解決森林生物多樣性空間異質(zhì)性的問(wèn)題。

隨著遙感技術(shù)在森林生態(tài)中的應(yīng)用，遙感數(shù)據(jù)逐步應(yīng)用到區(qū)域性生物量反演研究中，但由于這種被動(dòng)式遙感穿透性差。另外，各類光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在植被冠層郁閉度或生物量較高時(shí)易飽和，對(duì)參數(shù)的變化響應(yīng)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(yīng)用。

與傳統(tǒng)的被動(dòng)式遙感不同，激光雷達(dá)可以直接、快速、精準(zhǔn)地獲取研究對(duì)象的三維空間坐標(biāo)。其發(fā)射的主動(dòng)式脈沖波長(zhǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的數(shù)據(jù)獲取。國(guó)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(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的關(guān)系，然后利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與遙感光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)更大尺度上的生物量估算。

3.激光雷達(dá)在森林生物多樣性研究中的應(yīng)用

3.1 遙感技術(shù)在生物多樣性研究進(jìn)展

20世紀(jì)90年代前后，科研人員就曾指出，衛(wèi)星影像具備即時(shí)性、系統(tǒng)性和可重復(fù)性，在大尺度監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)生物多樣性要素方面具有優(yōu)勢(shì)。目前，基于遙感技術(shù)開(kāi)展生物多樣性監(jiān)測(cè)的方法可分為兩類：直接法和間接法。直接法是直接識(shí)別物種或群落類型及其分布、多度，對(duì)遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率有相當(dāng)高的要求，是該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向；間接法是通過(guò)遙感數(shù)據(jù)衍生一些指標(biāo)和變量，而這些指標(biāo)或變量被認(rèn)為或證實(shí)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(lái)預(yù)測(cè)物種分布以及多樣性格局。

基于直接法的生物多樣性應(yīng)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(chǔ)上區(qū)分植被類型，計(jì)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(cè)方法適合較大的空間尺度，并在20世紀(jì)80年代開(kāi)始到90年代末得到廣泛應(yīng)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(lái)分析和監(jiān)測(cè)生物多樣性。相較于直接法監(jiān)測(cè)，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(jìn)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(shí)。

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠提取林下地形、樹(shù)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(xué)遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)遙感技術(shù)直接定量生物多樣性的實(shí)際應(yīng)用效果。已有研究表明，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合在林冠樹(shù)種識(shí)別、地上生物量估算等方面都有成功的應(yīng)用。利用激光雷達(dá)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(cè)生物多樣的一個(gè)數(shù)據(jù)源。Muller和Brandl（2009）利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)山區(qū)的森林甲蟲(chóng)種群，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的環(huán)境變量與實(shí)地調(diào)查結(jié)果具有較高的一致性，不僅表明激光雷達(dá)技術(shù)可實(shí)時(shí)、高效地評(píng)價(jià)復(fù)雜山區(qū)或復(fù)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(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。還有研究表明，機(jī)載激光雷達(dá)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(biāo)的一個(gè)重要途徑。

3.2 激光雷達(dá)在生物多樣性研究中的應(yīng)用實(shí)例

激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)在生物多樣性應(yīng)用研究中具有重要的價(jià)值，目前已有學(xué)者開(kāi)展了激光雷達(dá)技術(shù)在生物多樣性領(lǐng)域開(kāi)展了部分研究。本文章主要介紹其中的一項(xiàng)研究，森林生態(tài)系統(tǒng)中野生動(dòng)物斑點(diǎn)貓頭鷹的研究。斑點(diǎn)貓頭鷹是美國(guó)森林的標(biāo)志性動(dòng)物，目前已經(jīng)瀕臨滅絕的危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，斑點(diǎn)貓頭鷹大約只有2000只。研究斑點(diǎn)貓頭鷹的生境喜好和其受林火、森林作業(yè)等人類活動(dòng)的影響對(duì)其保護(hù)具有重要意義。

根據(jù)已有的研究結(jié)果，以冠蓋度和大樹(shù)密度兩個(gè)變量，結(jié)合觀測(cè)到的斑點(diǎn)貓頭鷹鳥(niǎo)巢的分布來(lái)分析斑點(diǎn)貓頭鷹的生境偏好，利用邏輯回歸方法擬合斑點(diǎn)貓頭鷹的生境。研究結(jié)果表示，90%斑點(diǎn)貓頭鷹喜歡在胸徑71.3cm以上的樹(shù)上筑巢。根據(jù)冠蓋度、大樹(shù)密度和建立好的回歸方程，即可估算斑點(diǎn)貓頭鷹的空間分布范圍。為了分析森林動(dòng)態(tài)和林火對(duì)斑點(diǎn)貓頭鷹的影響，構(gòu)建了4個(gè)情景：①?zèng)]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(méi)有林火干擾；④沒(méi)有疏伐措施和林火干擾。

采用激光雷達(dá)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(zhǎng)度?；谒膫€(gè)模擬情景發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒(méi)有林火發(fā)生時(shí)，疏伐措施對(duì)于斑點(diǎn)貓頭鷹的分布只有輕微影響，會(huì)稍微減少斑點(diǎn)貓頭鷹的分布范圍；當(dāng)發(fā)生林火時(shí)，疏伐措施影響就會(huì)較大，會(huì)明顯減少適合斑點(diǎn)貓頭鷹的生境。

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

目前，生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的地面觀測(cè)均非常完善并不斷引入各種學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)，然而，遙感技術(shù)在生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的使用仍然不足。中國(guó)生物多樣性監(jiān)測(cè)與研究網(wǎng)絡(luò)在引入遙感技術(shù)方面走在國(guó)際前列。激光雷達(dá)技術(shù)能夠?yàn)樯锒鄻有匝芯刻峁┴S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(píng)價(jià)，量化生物多樣性的退化程度，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)的大尺度分析。在“十三五”期間，引入激光雷達(dá)以及高光譜系統(tǒng)，用于獲取典型地帶性植被類型監(jiān)測(cè)樣地生境的全方位、多尺度、多源遙感數(shù)據(jù)。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)將會(huì)被更廣泛地應(yīng)用到各個(gè)生物多樣性監(jiān)測(cè)，幫助研究人員更好理解生物多樣性。

4.結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今時(shí)代激光雷達(dá)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(yīng)用外，在生物多樣性監(jiān)測(cè)中，激光雷達(dá)已經(jīng)作為一種重要的數(shù)據(jù)源可以與光學(xué)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(cè)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(fù)雜等問(wèn)題，如何有效地進(jìn)行森林生物多樣性更新管理是亟待解決的問(wèn)題。