高穿透机载LiDAR与密集无人机扫描技术精准绘制热带密林三维光环境地图

研究人员针对热带雨林下层光环境难以准确表征的问题，采用高穿透机载LiDAR和密集无人机扫描技术，构建了三维光传输模型。研究发现LiDAR可空间角度一致地估算林下光环境，穿透率比脉冲密度更能准确描述森林结构，且考虑叶片倾角各向异性可提升光传输模拟精度，为森林生态研究和精准管理提供新工具。

　　

在茂密的热带雨林中，阳光如何穿透层层叠叠的树冠到达地面，直接影响着数百万物种的生存与繁衍。这片被称为"地球之肺"的生态系统，其内部的光环境却如同一个未解之谜——传统测量方法要么只能获取单点数据，要么因上层冠层遮挡而难以准确描述下层结构。更棘手的是，热带森林极高的物种多样性使得基于单一物种参数的模型难以适用，而光环境的各向异性特征（即不同入射角度的透光率差异）长期被简化处理。

针对这些挑战，来自法国农业国际合作研究发展中心（CIRAD）等机构的研究团队创新性地将高穿透力机载激光雷达（LiDAR）与密集无人机扫描技术相结合，在法属圭亚那的帕拉库研究站开展了一项突破性研究。通过分析激光脉冲在冠层中的衰减规律，团队构建了三维光传输模型，首次实现了热带雨林光环境的立体化、高精度表征。这项发表在《Agricultural and Forest Meteorology》的重要成果，为理解森林生态系统功能提供了全新视角。

研究团队运用三项核心技术：首先采用不同飞行高度（1000m和500m）的机载LiDAR（ALS）与低空（85m）无人机LiDAR（UAV）进行多尺度扫描；其次利用AMAPVox软件进行体素化处理，通过自由路径长度估算法计算光衰减；最后结合LAI2200C传感器和HOBO光度计的实地测量数据验证模型精度。特别创新的是，团队首次在热带雨林中测试了叶片倾角分布函数（LIDF）对光传输各向异性的影响。

【3.1 传感器数据交叉验证】

研究发现LAI2200传感器测量的前两个环形区域（0-28.6°）透光率与HOBO年度光强数据高度相关（r=0.98），证实了地面传感器对垂直入射光的有效监测能力。但外层环形区域（47.3-74.1°）的相关性显著降低（r=0.44-0.53），揭示了传统测量方法对斜射光捕获的局限性。

【3.2 LiDAR光估算验证】

低空ALS以19%的地面回波率表现最优，其模拟的透光率与实测值相关性达0.99（第一环形区域）。令人意外的是，尽管无人机LiDAR点云密度最高（2606点/m²），但因穿透率仅4%，其光模拟精度反而最低。这颠覆了"密度决定精度"的传统认知，证明穿透率才是准确刻画林下光环境的关键指标。

【3.3 垂直结构异质性】

通过分析不同高度层的半球透光率相关性，研究发现地面与30m冠层的空间光分布几乎无关联（r=0.02），相邻5m层间的相关性也随高度增加从0.8降至0.6。这一发现证实了热带雨林光环境的垂直梯度特征，否定了用地面测量推测冠层光状况的可行性。

研究结论深刻揭示了热带雨林光环境的复杂特性：LiDAR技术能够突破传统测量局限，实现光环境的三维精准表征；穿透率而非脉冲密度是保证林下结构准确描述的关键参数；考虑叶片倾角的各向异性（采用偏中生LIDF比球型分布误差降低50%）可显著提升光传输模拟精度。这些发现不仅为生态位分化、物种共存机制等理论问题提供量化工具，更对森林经营具有实践指导价值——通过LiDAR扫描获取的光环境图谱，可精准定位需要保护的稀有物种微生境，优化抚育采伐方案，甚至预测气候变化下的群落演替趋势。这项研究标志着森林生态学研究从二维走向三维的重要转折，为理解"垂直维度"在生物多样性维持中的作用开辟了新途径。