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本综述聚焦精准林业(PF)中机载激光扫描(ALS)与卫星时间序列数据的整合应用,探讨其在人工林场地评估、监测、营林等阶段对提升生产力、可持续性和运营效率的作用,同时分析挑战与未来方向。
精准林业(PF)依赖高分辨率、及时数据指导营林并促进可持续性。本综述探讨机载激光扫描(ALS)和卫星时间序列数据在精准林业关键阶段的支持作用,包括场地评估、建立、监测、库存更新、生长跟踪、营林干预和收获规划等。
场地评估
森林场地生产力定量估计是场地评估的核心,常用指标为立地指数(SI),传统模型基于样地数据,缺乏空间连续性。ALS 数据可通过高分辨率地形指标提升场地评估,其衍生的数字高程模型(DEM)能有效整合微地形变量到林分生产力模型,还可关联土壤形成因素。多项研究通过 ALS 数据结合环境变量成功预测 SI,为 site-specific 营林规划提供依据。
人工林建立
人工林建立阶段关键活动包括控制竞争植被、施肥和监测树苗存活。施肥需依据土壤养分状况,传统方法耗时昂贵,RS 技术可辅助数字土壤 mapping,结合多源数据优化施肥方案。树苗存活监测中,ALS 结合多光谱数据可提升预测精度,但区分活植被与非活成分仍有挑战,需先进方法整合多源信息。控制竞争植被方面,ALS 在成熟林应用效果较好,但在幼苗阶段分类精度有待提高。
森林 inventory 更新
传统森林资源信息收集方法存在不足,Enhanced Forest Inventories(EFIs)通过 ALS 结合地面数据构建模型,提供详细森林指标。ALS 数据估计森林属性常用面积法(ABA)和单木检测(ITD),两者适用场景不同。整合卫星 RS 可降低 ALS 成本,动态更新森林 inventory,在多地应用中展现出 scalability 和 cost-effectiveness。
森林生长与健康监测
连续监测森林生长和健康对决策至关重要,传统方法难以满足需求。卫星时间序列数据结合变化检测算法可捕捉森林动态,植被指数(VI)如 NDVI、EVI 等用于检测 stress 状况,热成像技术也被用于评估水分 stress。RS 在估计叶面积指数(LAI)方面效果显著,助力监测森林生产力和 canopy 动态。
thinning
thinning 是 mid-rotation 阶段重要措施,旨在管理林分密度和结构。传统 thinning 依赖经验,缺乏精准信息。ALS 的 ITD 模型可提供细尺度数据,计算竞争指数(CI)辅助决策,同时需考虑 wind 风险,结合多源数据建模预测树木细长度,优化 thinning 策略。
收获规划
收获规划需准确地形数据优化机械路线,ALS 衍生的 DEM 可用于森林道路布局和机械效率评估,结合地形指数如地形湿度指数(TWI)和水深(DTW)评估土壤排水和 damage 风险。动态方法整合气候数据提升交通性预测精度,相关技术已在实际应用中取得进展。
挑战与未来方向
当前技术面临数据整合、模型开发、应用准确性等挑战,需在模型优化、技术整合、工具开发、政策支持等方面进一步研究。新兴技术如无人机(UAV)和高光谱传感器展现潜力,未来需解决数据处理和法规限制等问题,推动 RS 技术在精准林业中的广泛应用。
结论
ALS 和卫星时间序列数据整合显著提升人工林管理决策,需进一步研究扩展应用,确保可持续和高效的人工林管理,为精准林业提供实践指导。