《Pathophysiology》：LiDAR-Based Design of Canopy Consolidation Systems for Urban Pinus pinea Trees Using Handheld Mobile Laser Scanning and Quantitative Structure Models
编辑推荐：
本研究评估手持移动激光扫描（HMLS）能否在无需攀入树冠的情况下支持城市*Pinus pinea* L.树木树冠整合系统的设计。研究人员在意大利皮斯托亚一处历史公园内，采用基于SLAM的手持激光扫描仪对50株石松进行了调查，并实施视觉树木评估（VTA）；随后选
本研究评估手持移动激光扫描（HMLS）能否在无需攀入树冠的情况下支持城市*Pinus pinea* L.树木树冠整合系统的设计。研究人员在意大利皮斯托亚一处历史公园内，采用基于SLAM的手持激光扫描仪对50株石松进行了调查，并实施视觉树木评估（VTA）；随后选取5株树木用于整合设计。树高、胸径（DBH）及树冠指标由点云导出并与田间实测值进行比较，骨干枝被重建为一系列截锥体。对每一枝条，研究人员采用悬臂梁理论计算由自重产生的弯曲应力，并与新鲜*P. pinea*木材的抗压强度进行比较；此外增加了风荷载工况及对直径误差的敏感性分析。在自重作用下，易损枝条的安全系数范围为1.44至37；其中1根枝条低于通常的最低值1.5，另有1根枝条在27 m/s风速下降至1.69。锚固位置、绳索轨迹及系统等级（4 t或8 t）直接绘制于点云之上。本研究为概念验证：系统尚未安装，力学结果亦未经荷载试验验证，但该工作流程表明，整合设计所需的数据可通过远程、非侵入式方式获取。
**研究背景与问题**：城市树木在提供生态、经济与社会效益的同时，也因城市生长条件限制（根系空间受限、土壤压实、污染）及极端天气事件而存在结构失效风险，可能造成人身伤害或财产损失并引发法律责任。树冠整合（通过缆索与支撑系统稳定易损枝条或主干）需要精确的生物力学数据（如枝干直径、插入角）以设计具有适当承载能力的支撑系统。传统上这些数据依靠地面经验估算或直接攀爬评估获取，既限制精度、使操作人员暴露于风险之中，又仅有少数受过训练的人员能够执行。激光雷达（LiDAR）技术虽已用于城市树木监测，但当前应用多局限于资源清查、健康评估与危险筛查；将枝条级生物力学数据转化为锚固位置、绳索轨迹与荷载适配硬件的整合设计，此前鲜有研究。因此，本研究旨在评估手持移动激光扫描（HMLS）与基于定量结构模型（QSM）概念的枝条模型，在无需直接进入上层树冠的情况下设计城市*Pinus pinea* L.树冠整合干预措施的适用性。具体目标为：（i）从HMLS点云导出枝条级生物力学与静荷载数据；（ii）采用定量筛选标准识别结构易损枝条，并对照新鲜木材强度进行验证；（iii）将上述信息转化为空间精确的整合图纸与硬件规格。
**主要技术方法**：研究在意大利皮斯托亚"Parco Villone Puccini"公园开展，该园有50株同龄成熟石松（约50年），调查于2022年5月进行。采用基于SLAM的手持激光扫描仪GeoSLAM ZEB Horizon（重3.5 kg，每秒采集多达30万点，最大测程100 m）沿闭合回路蛇形路径扫描，以3个地面控制点（Trimble R12i多星座GNSS接收机）进行地理配准。点云在LiDAR360软件中经去噪、地面点滤波、归一化处理，采用比较最短路径（CSP）算法分割单株树木并提取树高、胸径、冠基高、冠幅、冠投影面积与冠体积。全部50株树经视觉树木评估（VTA）按意大利树木栽培学会（S.I.A.）方案分级，保留20株具树冠机械症状者，再排除已有整合系统者，最终选取5株用于设计。骨干枝（一阶枝）在LiDAR360中人工分离，按QSM概念重建为截锥体序列（16个枝要素共37段，每要素1–7段）。以悬臂梁理论计算自重弯曲应力，与新鲜*P. pinea*木材抗压强度（fc,green ≈ 20.1 MPa）比较，安全系数SF < 1.5判为临界。增加准静态风荷载工况（风速15、20、27 m/s）及直径误差±2.32 cm的敏感性分析。HMLS导出的胸径与树高与2022年4月18日田间实测值（卡尺与Vertex测高仪）比较，计算偏差与均方根误差（RMSE）。
**研究结果**：
*生物力学数据与易损枝条分析*：5株树高18.34 m（ID-5）至19.17 m（ID-4），胸径0.48 m（ID-1）至0.62 m（ID-5），冠基高10.88 m（ID-2）至13.06 m（ID-5），冠幅9.74 m（ID-1）至15.01 m（ID-3），冠体积379.23 m3（ID-1）至1179.32 m3（ID-3）。每株有2–3根骨干枝，共13根，其中12根满足全部三项几何标准（枝长≥3.5 m、结构倾角θ≥30°、枝体积>0.38 m3），第13根（ID-4/3）未满足体积标准但作为锚固点纳入系统；另对3根二阶枝建模。12根易损骨干枝长度3.89 m至15.69 m，体积0.43 m3至2.65 m3，结构倾角38°至88°。自重下最大弯曲应力σmax为0.54 MPa（ID-2/1）至13.94 MPa（ID-5/1）；ID-5/1因长度、体积与倾角最大，耗用约70%的新鲜木材抗压强度，安全系数1.44低于1.5；ID-4/2（6.63 MPa，SF=3.03）与ID-3/2（5.50 MPa，SF=3.65）次之，前者高应力源于基径较小（0.265 m）而非体积。27 m/s风工况下，ID-5/1基部安全系数降至1.40，ID-4/2降至1.69，其余骨干枝SF≥2.9。由于锥度，ID-1/1、ID-1/2与ID-5/2的最大应力出现在中间段而非基部。
*结构整合方案*：整合干预旨在提高5株石松的结构完整性、降低枝条失效风险并延长其功能寿命。依据欧洲树木缆索/支撑标准（EAS 02:2022）的分层决策，在修剪或树冠缩减会损害结构完整性或视觉形态之处予以排除，采用整合作为首选预防性干预。全部个体选用动态整合而非静态（刚性）系统，因树木在风荷载下的振荡运动不应被完全抑制，否则将妨碍适应性生长反应并增加固定锚点的应力集中；动态系统允许受控弹性变形并吸收突然荷载事件中的动能。系统最低等级依据ZTV-Baumpflege基于被固定枝条基径的规则（动态防断系统：40–60 cm → 4 t）确定：所有被固定枝条基径26–49 cm、锚点处直径0.22–0.54 m，4 t为全部5株的最低等级，ID-1至ID-3采用4 t系统。ID-4与ID-5采用8 t系统，理由为：（i）承载安全系数最低的枝条；（ii）最重被固定要素的止动校核中，ID-5/1设计力2·P（39.0 kN）等于4 t系统破断荷载（39.2 kN，利用率99%），而8 t下利用率为50%（ID-1至ID-3的4 t系统≤33%）；（iii）ID-5的环安装于地面以上7.72 m，远低于其最长枝长度的2/3，而当系统安装于被固定长度2/3以下时需要更高等级。动力荷载系数2为突加荷载作用于弹性系统的经典放大值，此处即失效枝条被绳索突然止动。ID-5采用中心环构型以在4根被固定枝条间分配荷载。绳索长度对应点云矢量图上量测的三维锚点间轨迹加标准操作余量（ID-1单链接4 m，其余系统6 m），范围为6.12 m（ID-1）至14.21 m（ID-2）；ID-3的双三角构型锚点间需8.13 m绳索，ID-5中心环构型沿4条径向臂需2.99 m。所有情形锚点均设于最接近易损要素的枝条上，以最小化力臂及主干插入处的弯矩。系统采用中空编织、抗紫外线稳定聚丙烯绳索；据制造商，4 t与8 t系统在破断荷载10%–60%下的工作伸长率分别为2%–9%与3%–10%（破断时17%），标称使用寿命分别为12年与8年，老化相关强度损失每年2%–3%；系统须每1–3年检查并在寿命结束时更换。整合图纸直接由LiDAR点云使用LiDAR360的Vector Edit插件生成，将锚点位置与绳索轨迹叠加于每株树的三维模型上，使设计基于实测空间数据而非视觉估算，便于树艺工作者在攀爬作业前识别精确锚点位置、核查绳索路径与周围枝条的空间间隙并估算安装几何。
*HMLS导出变量的精度与力学结果敏感性*：HMLS导出树高与田间实测吻合良好（n=5；偏差+0.09 m，RMSE 0.55 m，即3.0%）。胸径差异较大（偏差?0.7 cm，RMSE 10.0 cm，即17%），主要由ID-3主导（差异18 cm），该树干在胸高处以上分叉为3根骨干枝，田间卡尺读数包含了分叉愈合处的膨大，而HMLS估计拟合于树干横截面；剔除ID-3后胸径RMSE为6.5 cm（12%）。敏感性分析中，±2.32 cm的直径误差使σmax变化+16%至+32%（直径低估）或?13%至?23%（直径高估），最细枝条变化最大；不利情形下ID-5/1安全系数由1.44降至1.24，ID-4/2由3.03降至2.30，但若全部直径受同号误差影响，最关键枝条的排序不变。
**讨论与结论**：讨论指出，HMLS导出的生物力学参数与既往*P. pinea*研究一致，但枝条倾角（高达88°）与静荷载提示在外力（如风）下可能导致失效的机械应力点，支持关于枝条构型在树木稳定性中作用的生物力学研究。细长比（H/DBH）呈现表观悖论：ID-1细长比最高（39.6），传统上提示最易受风荷载影响，但其最大枝条应力（4.25 MPa）远低于ID-5/1（13.94 MPa）、ID-4/2（6.63 MPa）与ID-3/2（5.50 MPa），原因在于ID-1的易损枝条相对较短（最长9.60 m），限制了静荷载累积；这说明仅凭地面VTA可评估的细长比不足以表征枝条级结构风险，树冠几何数据对完整力学评价至关重要。枝条在树冠内的分布显著影响静荷载分配：ID-5最长易损枝（15.69 m）超出平均冠半径（5.98 m）2.62倍，表明极端树冠不对称，单枝远伸出树冠包络之外；而冠体积最大的ID-3（1179.32 m3）最大枝长与冠半径之比仅0.88（6.59 m对7.51 m），反映枝条质量径向分布均衡。这体现于枝基弯矩：ID-5最大弯矩（141.7 kN·m，ID-5/1）约为ID-3最大弯矩（16.0 kN·m，ID-3/2）的9倍，尽管ID-3冠体积最大。这些数据为差异化整合方案提供了定量依据：ID-3荷载分布于均衡树冠结构，中等强度系统（4 t）即足够；ID-5荷载集中于单根极长枝条，需高强度中心环构型（8 t）。冠基高与树高之比（CBH/H）范围为57.4%（ID-2）至71.2%（ID-5），ID-5兼具最高CBH/H比与最不对称树冠，在风荷载下放大主干弯矩，进一步支持为该个体选用最高强度整合系统。研究亦指出局限性：数据集仅含同一公园内同种同龄5株个体，限制定量结果的直接外推性，但分析工作流程具有可迁移性；系统尚未安装，枝条荷载与锚点力均未实测，系统有效性未经验证；仅胸径与树高可与田间实测比较，枝长与直径因方法旨在避免攀爬而无法实测，胸径差异表明直径这一应力模型中最具影响的变量亦最不确定；每枝仅赋予单一结构倾角，ID-5枝1建模为单一截锥体，未计算处理点云密度，未记录GNSS控制点精度；风工况为准静态筛查，不能替代动力分析。因此研究应视为概念验证：证明从HMLS数据生成整合设计的可行性，而非所导出力学参数的准确性；安装前应（如由攀爬者）核实关键枝条基径，未来工作包括系统安装、锚点距离量测及尽可能的绳索力量监测，以及面向更多树木的自动枝条重建。结论部分指出，本文提出了一种树冠整合系统设计的新工作流程，应用于"Parco Villone Puccini"的5株*P. pinea*。LiDAR扫描仪技术在树木整合干预中发挥重要作用，尤其在于分析树体结构、健康及评估整合需求。本研究主要目标是评估HMLS在无需直接进入上层树冠情况下设计树冠整合干预的适用性。从林分HMLS调查与基于VTA的筛选（评估50株、保留20株、选取5株）到枝条模型、弯曲应力与安全系数计算及点云上的整合图纸，该工作流程表明整合设计所需参数（枝长与直径、锚点位置与绳索轨迹）可远程、非侵入式获取；研究证明了方法的可行性，但尚未证明所导出力学参数的准确性或系统的有效性（系统未安装）。12根易损枝自重下最大弯曲应力跨越26倍范围（0.54至13.94 MPa），表明高度相近的树木可因树冠不对称与枝条几何而在枝条级力学状况上存在显著差异；冠体积不是枝条荷载的可靠代理——冠体积最大的ID-3最大枝弯矩远低于ID-5（675.78 m3），后者不对称树冠将荷载集中于单根枝长与冠半径之比为2.62的枝条。详细树冠数据支持详细树冠整合策略的设计，实现主动管理以缓解此类风险，同时优化绿地管理的时间与成本。将HMLS整合入城市森林规划是迈向更有效、更可持续*P. pinea*管理的一步，有助于为树冠干预高效分配资源；一旦枝条分割与重建实现自动化（本研究为人工），该方法可扩展至更大区域，成为未来城市林业规划的有价值资源。未来研究应探索HMLS在不同树种与情境（如行道树或住宅与庭院花园）中的应用。
