双时相ALS评估温带城市森林的垂直-水平结构及其结构关联

《Forest Science and Technology》：Bi-temporal ALS assessment of vertical-horizontal forest structures and their structural association in a temperate urban forest

　　

本研究利用高密度双时相机载激光扫描（ALS）数据（晚秋和早春）量化了韩国果川市城市森林中四个植被层（灌木层、亚乔木层、乔木层和大乔木层）的垂直和水平结构特征。针对1,074个多边形进行的实地验证表明，ALS衍生的亚乔木层覆盖度偏差最小，乔木层存在高估，灌木层存在低估。出现了清晰的物种和季节特异性模式：落叶树种如板栗（Castanea crenata）在早春期间表现出显著的冠层损失，而常绿树种如赤松（Pinus densiflora）则在不同季节保持相对稳定。观测到ALS衍生的垂直点分布与水平覆盖度之间存在显著的正相关，特别是在乔木层和大乔木层，且在控制平均冠层高度后这种关联仍然存在（大乔木层偏相关系数r=0.75-0.98）。结构特征一致地分化为两个功能群——上层冠层群（乔木层/大乔木层）和下层地层群（亚乔木层/灌木层）——各自具有不同的相关模式和季节敏感性。通过解析这些跨物种、跨季节和跨层的关联，本研究展示了双时相ALS在温带城市森林进行物种特异性结构评估的价值。

森林作为动态且结构多样的生态系统，其垂直分层和水平连续性对生物多样性、光合效率及生态服务功能至关重要。然而，现有研究常将垂直和水平结构视为独立属性，忽略了二者间的相互作用，导致对森林生产力、更新和多样性模式的解释受限。此外，季节动态和物种特异性特征显著影响ALS（机载激光扫描）信号返回，但多时相、多物种的整合分析仍较罕见。为填补这一空白，研究人员利用高密度双时相ALS数据（2021年11月晚秋和2022年4月早春），在韩国果川市城市森林中，量化了四种植被层（灌木层、亚乔木层、乔木层和大乔木层）的垂直点分布和水平覆盖度，并解析了这些结构特征在物种、季节和层间的关联。研究发现，垂直-水平结构关联具有层依赖性和物种特异性，且季节变化在落叶和常绿树种间差异显著，揭示了双时相ALS在物种特异性结构评估中的价值。该论文发表在《Forest Science and Technology》。

关键技术方法概括如下：研究使用高密度双时相ALS数据（点密度42.7 pts/m²），对韩国果川市城市森林区域（样本来源：果川市城市生态图，包含8个主要树种，共3,591个多边形）进行垂直分层（固定高度阈值：灌木0.5–2 m，亚乔木2–8 m，乔木8–16 m，大乔木16–30 m）。计算每个多边形的垂直点分布（各层体素化点数占总点数比例）和水平覆盖度（各层0.5 m栅格占用面积占总面积比例）。与1,074个实地调查多边形对比验证覆盖度精度，使用皮尔逊相关、控制平均冠层高度的偏相关分析以及空间自相关（Moran’s I）检验结构关联的稳健性。

**3.1 植被覆盖度分层验证**
通过对比ALS衍生的覆盖度与实地调查数据，发现亚乔木层偏差最小（平均绝对差异≤5.5个百分点），但R2中等（0.219）；乔木层系统性高估（平均偏差-8.6个百分点），其中针叶树种（如赤松Pinus densiflora）偏差较小（+1.8个百分点），而落叶阔叶树种（如麻栎Quercus acutissima）偏差较大（-14.2个百分点）；灌木层系统性低估（平均偏差+23.4个百分点），尤其在赤松冠层下最为严重（+28.4个百分点）。这显示ALS精度具有显著层依赖性。

**3.2 双时相植被垂直发展与覆盖度分析**
比较晚秋与早春两期数据，垂直点分布和水平覆盖度均表现出物种和季节特异性模式。大乔木层在早春期间比例显著下降（落叶树种如板栗Castanea crenata变化Δ=+0.187），而常绿针叶树种（赤松、刚松Pinus rigida、红松Pinus koraiensis）变化较小。水平覆盖度对叶片存在与否更为敏感，季节差异显著（Kruskal–Wallis检验p<0.001），大乔木层效应量最大（η2=0.149）。早春期间，落叶树种冠层减少导致激光脉冲穿透增加，下层（亚乔木层、灌木层）返回比例上升，但灌木层增加可能反映可见性偏差而非实际生长。

**3.3 垂直点分布与水平覆盖度的结构关联**
皮尔逊相关分析显示，同一季节同一层内垂直与水平特征高度正相关，大乔木层相关系数r>0.92，乔木层r>0.78（除个别物种外）。控制平均冠层高度后，偏相关仍显著，大乔木层偏r=0.75–0.98，表明关联并非单纯由测量几何引起。结构特征分化为两个功能群：上层冠层群（乔木层和大乔木层）与下层地层群（亚乔木层和灌木层），组内正相关，组间负相关（如赤松组间r=-0.91）。空间自相关检验（Moran’s I）表明，空间稀疏后相关性基本稳定，说明关联不受空间依赖性影响。

讨论部分总结了结构关联的生态意义：垂直-水平关联在控制冠层高度后仍存在，且物种和季节差异支持其生态解释，而非纯测量伪影。层依赖性分组（上层vs下层）在控制高度后仍成立，但下层关联更易受冠层高度混淆。季节性动态显示，落叶树种（如板栗）在早春冠层损失显著，常绿树种（如赤松）结构稳定，而灌木层早春增加主要源于可见性改善。跨季节一致性部分受冠层高度介导，但某些物种（如赤松）表现出一定直接关联。局限性包括：垂直分布未独立验证、相关性部分源于数学耦合、灌木层低估、以及单站点单季节的设计限制结论普适性。

研究结论翻译如下：
本研究强调了高密度双时相ALS同时捕捉城市森林垂直和水平结构特征的能力，从而揭示了复杂的物种和季节特异性变化。其新颖贡献不在于垂直-水平关联的存在（这在ALS文献中已有确立），而在于解析这种关联——以及底层结构度量——如何随八个物种、两个物候期和四个植被层而变化，并针对城市森林中的实地调查多边形进行了验证。与实地调查的对比显示，ALS衍生的覆盖度在亚乔木层偏差最小（平均绝对差异≤5.5个百分点），但R2仅为中等；乔木层系统性高估，灌木层系统性低估。在乔木层，针叶树种的一致性较强，但某些成熟落叶阔叶树种（麻栎、刺槐Robinia pseudoacacia、栓皮栎Quercus variabilis）的聚合水平覆盖度应谨慎解读。除验证外，分析揭示了清晰的结构关联模式。ALS衍生的垂直点分布与水平覆盖度之间存在显著正相关，尤其在乔木层和大乔木层，表明在该温带城市森林中，垂直分层和水平连续性密切相关，这与先前ALS数据中报道的垂直-水平协变一致。偏相关分析确认，这些关联在控制平均冠层高度后仍然存在。由于垂直和水平度量是同一层内占用体素集的两个投影，部分层内耦合是构建性的，生态信号在于关联如何随物种、季节和层变化，而非仅关注相关幅度。这些关系在季节和物种间一致，且对空间自相关和多边形面积效应具有稳健性。重要的是，垂直和水平结构特征分化为两个功能群：上层冠层（乔木层和大乔木层）和下层地层（亚乔木层和灌木层），各自表现出特征性的层间相关模式和季节敏感性。季节性动态进一步揭示，常绿树种（如赤松）在不同时期保持结构稳定，而落叶树种（如板栗）在早春期间表现出显著的冠层损失和向下层重新分布。跨季节相关性提供了某些物种结构一致性的初步证据，但偏相关分析显示，这种跨季节关联很大程度上由冠层高度介导。总体而言，研究结果强调了整合垂直和水平结构评估以实现对森林空间异质性全面理解的价值。本研究还表明，ALS不仅是物种特异性结构表征的有力工具，也是捕捉森林结构时间变化的有效手段。未来研究应针对地面测量（如TLS（地面激光扫描）、半球照片）验证ALS垂直剖面，评估替代分层方法，并将分析扩展到多站点、多年数据集以评估观察模式的普适性。