基于地面激光扫描的红树林气生根生物量反演模型研究——以加勒比海红树为例

《Wetlands》：Terrestrial Laser Scanning for the Estimation of Above Ground Biomass of Mangrove Roots by Modelling Them as Inverted Trees

本研究针对红树林（特别是红树属）复杂气生根系统生物量估算难题，创新性地提出将气生根建模为倒置树木的地面激光扫描（TLS）方法。通过Leica BLK360扫描仪采集红树（Rhizophora mangle L.）三维点云数据，结合TreeQSM模型自动重建木质结构体积。验证结果显示木材体积高估6.18%-8.31%，地上生物量（AGB）估算误差仅2.07%-2.93%。该方法为非破坏性开发生物量方程提供了新范式，对蓝碳（Blue Carbon）精准计量具有重要意义。

　　

在应对气候变化的全球行动中，红树林作为沿海生态系统的“蓝碳明星”，其碳汇能力正受到前所未有的关注。这些生长在潮间带的绿色卫士，通过复杂的根系网络将大量碳封存在木质组织和土壤中，据研究显示其单位面积碳储量可达热带雨林的3-5倍。然而，当我们试图精准量化红树林的碳储存能力时，却面临着一个长期存在的技术困境——特别是对于红树属（Rhizophora）这类具有复杂气生根结构的物种，其蜿蜒交错的支柱根和气生根可占据整棵树生物量的40%，但传统异速生长方程却难以准确捕捉这些特殊结构的生物量。

更棘手的是，现有生物量估算主要依赖破坏性采样，这不仅会永久失去样本树木，还无法涵盖大型老龄树木（它们储存着不成比例的巨大碳量）。而不同地点红树林的形态差异使得跨区域应用异速生长方程会产生显著误差。正是为了解决这一系列难题，由西印度大学领衔的国际研究团队在《Wetlands》期刊上发表了一项创新研究，通过地面激光扫描技术（TLS）将红树的气生根系统建模为“倒置的树木”，开创了非破坏性生物量估算的新路径。

研究团队在2019-2024年间于特立尼达和多巴哥的红树林沼泽中，选取10株不同径级的红树（Rhizophora mangle L.）作为研究对象。技术方法的核心包含四个关键环节：首先采用Leica BLK360 TLS扫描仪进行多视角嵌套式扫描，通过黑白靶标和蓝色基准布实现点云精准配准；接着使用CloudCompare和3DForest软件分离单木点云，并将气生根点云进行180度倒置处理；然后通过TLSeparation算法区隔木质部和叶片点云，对分类误差进行人工校正；最后利用TreeQSM模型进行圆柱体拟合重建木质体积，对非规则结构辅以MeshLab的泊松表面重建算法补足。为验证精度，团队对两株样本树进行破坏性采样，通过排水法测量实际木材体积。

Field Measurements of Tree Dimensions

通过实地测量与TLS扫描的协同验证，研究发现DBH（胸径）等传统测量指标与点云提取数据高度吻合。标志带的定位设置确保了地面测量与三维模型的空间对应关系，为后续模型精度评估建立了可靠基准。

Comparison of Radius Measurements from Field and TLS Methods

半径对比分析显示，TLS重建的树干半径与实地测量值高度相关（紧邻1:1线分布），但存在系统性高估趋势。图4数据显示，95%置信区间内的QSM（定量结构模型）半径误差主要集中在较小径级，特别是直径小于4cm的树枝部分更易受点云噪声影响。绝对误差分布（图5）进一步证实该高估现象具有普遍性，为后续体积偏差分析提供了理论依据。

Comparison of Biomass Estimates from Field and TLS Methods

破坏性采样验证表明，TreeQSM对树木各组分体积重建存在差异化精度：树干和根部体积高估3-5%，而枝条部分高估达12-13%。整体木材体积高估6.18%（树1）和8.31%（树2），但转化为地上生物量（AGB）后误差显著收窄至2.07-2.93%。表1数据显示，两株样本树的气生根生物量占比分别为20%和8%，印证了传统方法忽略根系带来的估算偏差。通过35个木材芯样测得的平均碳含量（46.2%）换算，最终得出树1储碳5.99kg，树2储碳3.87kg的精准结果。

Discussion

本研究创新性地通过“气生根倒置”算法解决了复杂根系结构的三维重建难题，使红树属生物量估算误差控制在3%以内。虽然BLK360扫描仪在细小枝条重建精度上逊于高端RIEGL设备，但其轻便性更适应红树林软基环境。研究指出未来需扩大样本量（特别是大径级树木）以提升异速生长方程的普适性。该方法已被纳入由英国DEFRA资助、泛美开发银行实施的区域蓝碳项目，将在哥伦比亚、牙买加等国的红树林修复基地构建监测-报告-核查（MRV）体系，为蓝碳交易提供科学支撑。

该技术路线的成功实践，标志着红树林碳汇计量从“经验估算”向“精准反演”的重要转变。通过非破坏方式获取复杂根系生物量数据，不仅克服了传统异速生长方程的地域局限性，更为全球蓝碳市场提供了可验证、可复制的技术标准。随着碳汇经济价值的日益凸显，这种融合遥感技术与生态学原理的创新方法，有望成为热带沿海生态系统碳计量领域的新范式。