多回波地面激光扫描技术提升南方北方森林树木表征能力的优势研究

推荐：针对传统单回波地面激光扫描(TLS)在植被遮挡下难以完整重建树木结构的问题，研究人员采用Riegl VZ-400i多回波TLS对55个样地1974棵树进行扫描。结果显示多回波数据使三维观测点增加48.4%，冠层体素体积提升39.5%，挪威云杉改善最显著，为 boreal 森林精准监测提供了新方法。

　　

在森林资源监测领域，准确获取树木三维结构数据一直是重大挑战。传统地面激光扫描技术(Terrestrial Laser Scanning, TLS)通常采用单回波模式，即每个激光脉冲仅记录首次回波，这导致在茂密冠层环境下难以穿透枝叶获取完整茎干信息。尤其在 boreal（北方）森林中，常绿针叶树全年保持叶片，使得"叶落期扫描"的常规解决方案失效。这种技术局限严重制约了树木形态参数的精确测量，包括茎干锥度曲线、冠层投影面积和体积等关键指标。

针对这一技术瓶颈，芬兰东部大学(University of Eastern Finland)森林科学学院的研究团队创新性地采用多回波TLS技术，通过对比分析55个样地1974棵树木的单/多回波数据集，系统评估了多回波技术对树木表征的改善效果。这项发表在《Remote Sensing of Environment》的研究证实，多回波技术可显著提升 boreal 森林树木三维重建质量，为森林精准监测提供了新范式。

研究采用Riegl VZ-400i扫描仪（最大8回波/脉冲）获取数据，通过"全景40"扫描模式实现3.5 mm/10 m点间距。关键技术包括：(1)采用倾斜支架实现360°垂直视场；(2)基于反射率(Reflectance)和偏差值(Deviation)的茎干点云滤波；(3)霍夫圆变换(Hough Circle Transform)识别树干横截面；(4)三维Dijkstra区域生长算法分割单木；(5)随机抽样一致(RANSAC)圆柱拟合区分茎冠点云；(6)体素化(voxelization)量化冠层体积。

3.1 三维观测点数量差异

多回波数据使总观测点增加48.4%，其中冠层点增幅达72.4%，茎干点增加22.7%。挪威云杉(Picea abies)表现最显著，冠层点增加89.7%。高度分析显示，茎干上部(p80-p100)点云增量达30-70%，证实多回波技术能有效穿透冠层获取高位茎干数据。

3.2 冠层表征差异

冠层体素体积(voxel volume)增加39.5%（绝对值8.5 m³），而凸包体积(convex hull volume)仅增2.6%。投影面积和表面积分别提升1.5%和1.8%，表明多回波主要改善冠层内部结构表征，对宏观几何形态影响较小。

3.3 茎干表征差异

多回波使茎干可重建高度平均增加0.66 m（6.5%），但直径测量差异≤1 mm。树高测量值平均提高1.0%（0.20 m），茎干体积增加0.9%，证实多回波技术对茎干形态参数影响有限但能扩展测量范围。

这项研究首次系统论证了多回波TLS在 boreal 森林树木表征中的独特价值。相较于传统单回波技术，多回波模式通过记录后续回波，能显著增加冠层内部和茎干上部的点云密度，尤其对挪威云杉等冠层浓密树种改善明显。研究创新性地量化了不同回波模式对树木各部位表征的差异化影响：冠层体素体积39.5%的增幅凸显了该技术在叶面积指数(LAI)估算等生态应用中的潜力，而茎干重建高度的提升则有助于减少锥度曲线外推误差。

技术层面研究发现，多回波点中66.6%属于拓展性点（距单回波点>1 cm），而茎干点中67.8%为互补性点（距单回波点1 mm-1 cm），揭示多回波主要通过在已有结构周边"填补空白"来改善重建质量。这一发现为优化扫描策略提供了理论依据——在复杂林分中，仍需结合多站扫描来克服大尺度遮挡问题。

该研究为 boreal 森林精准监测提供了技术规范，建议未来TLS测量优先采用多回波模式。特别是在挪威云杉占优的林分或需要精细冠层结构参数的场景中，多回波技术可提供更完整的树木三维架构信息，推动森林碳储量估算、生长模型构建等研究向更高精度发展。