探究全球生态系统动力学调查(GEDI)多波束激光雷达数据估测区域森林郁闭度(FCC)的潜力,对于评估森林生态系统状态和林分环境具有重要作用.选取滇西北典型生态脆弱区香格里拉为研究区,以GEDI波形数据为信息源,提取46245个有林地光斑参数,使用经验贝叶斯克里金法(EBK)获取光斑参数在研究区未知空间的连续分布,结合54块实测样地数据,采用支持向量机的递归特征消除法(SVM-RFE)、随机森林(RF)和Pearson分析分别优选特征变量,基于贝叶斯优化(BO)随机森林回归模型(BO-RFR)、贝叶斯优化梯度回归模型(BO-GBRT)和偏最小二乘法(PLSR)研建森林郁闭度最佳估测模型.结果表明:(1)EBK 法预测精度高,估测结果可靠,R2:0.20-0.92,RMSE:0.004-2812.912,MAE:0.003-1996.258,MRE:0.007-4.423;(2)基于不同特征优选方法筛选的特征变量和数量略有差异,SVM-RFE法优选出6个参数(cover、pai、sensitivity、rv_al、rv_a4、rg_a4)的平均交叉验证精度达0.84,RF法以贡献度5％为阈值筛选出5个参数(cover、pai、pgap_theta_error、modis_treecover、modis_nonvegetated),Pearson 法以相关性大于 0.3 且在 0.01 水平显著优选出 5 个参数(cover、pai、rv_a5、rg_a5、pgap_theta_error);(3)不同特征变量优选方法筛选的建模参数研建估测模型精度差异性较大,以SVM-RFE和RF方法优选参数构建估测模型的精度更佳,SVM-RFE方法优选参数研建估测模型精度变化相对稳定,以RF方法中的BO-GBRT模型为最佳FCC估测模型(R2=0.85、RMSE=0.069,P=86.5％);(4)采用BO-GBRT模型估测研究区森林郁闭度和空间制图,与GEDI pai参数预测的FCC具有较高空间相关性达0.53,FCC均值分别为0.58、0.61,主要分布在0.4-0.7,分别占比65.45％、51.79％.研究区森林郁闭度主要处于中度郁闭,北部区域主要为高度郁闭区,与研究区植被覆盖度的空间分布具有一致性,说明使用GEDI数据估测森林郁闭度的方法具有可行性、结果具有可靠性.研究为使用GEDI数据高效、及时、低成本估测大空间尺度的森林水平结构参数的相关研究奠定了基础.

开展林窗空间格局与林下木本植物多样性关系的研究,对于认识森林物种共存、生物多样性维持以及生态系统可持续发展具有重要意义.本研究以广西金钟山自然保护区24 hm2永久森林动态监测样地为对象,采用机载激光雷达获取样地点云数据,通过R语言提取林窗并计算各林窗的形状复杂指数,利用相关分析量化林窗特征与林下木本植物多样性的关系.结果表明:该研究区林窗空隙率为6.16％,密度为15.5个·hm-2,平均面积为39.72m2,整体以微小和中型林窗为主;林窗空间分布格局存在地形分异特征,多分布于低海拔和缓坡区域;林窗形状复杂指数与香农指数、物种丰富度指数均呈正相关,且在低海拔和陡坡处表现更加明显.本研究揭示了亚热带森林林窗植被更新特征,对区域生物多样性保护具有一定指导作用.

准确高效地提取人工林林木参数可为估算单木材积、林分蓄积量提供关键信息.本文提出基于机载LiDAR数据的高精度单木参数提取方法,其实现过程包括数据预处理、地面滤波、单木分割和参数提取.以福建省沙县官庄国有林场的福建柏大径材人工林为试验区,采集高密度机载点云数据,对点云进行去噪、重采样等预处理.使用布料滤波算法(CSF)分离出植被点云和地面点云,并采用Delaunay三角网法将植被点云数据插值生成数字表面模型(DSM),采用反距离加权插值法将地面点云数据插值生成数字高程模型(DEM),两者作差运算获得冠层高度模型(CHM).利用分水岭分割算法分析不同分辨率的CHM对单木分割及参数提取精度的影响.采用点云距离聚类算法对归一化植被点云进行单木分割,分析不同的距离阈值对单木分割及参数提取精度的影响.结果表明:使用分水岭分割算法处理0.3 m分辨率CHM单木分割调和值最高,达到91.1％,提取的树高精度较优,决定系数(R2)达到0.967,均方根误差(RMSE)为0.890 m;使用间距阈值为平均冠幅的点云分割算法单木分割调和值最高,达到91.3％,提取的冠幅精度较优,R2为0.937,RMSE为0.418 m.估算该试验区的树高、冠幅、株数和树木的空间分布等信息发现:共有福建柏5994株,平均树高为16.63 m,平均冠幅为3.98 m;树高在15～20 m区间的数量最多,有2661株,其次是10～15 m.本林木参数提取方法可为人工林资源监测和管理提供技术支撑.

林分结构可以表征森林群落光的可利用性和光环境的异质性,对群落物种组成的变异具有重要驱动作用.然而,目前还鲜有研究将林分结构用于解释群落物种组成的变异.本研究以哀牢山亚热带中山湿性常绿阔叶林20 ha森林动态监测样地及其周边区域按公里网格设置的19个1 ha森林动态样地为研究对象,将林分结构参数、环境因子和空间结构变量共同作为解释变量,采用基于冗余分析的变差分解和层次分割方法,在局域和区域尺度上同时解析群落物种组成变异的驱动因素.结果表明,在局域和区域尺度上,纳入林分结构后均提高了对物种组成变异的解释率.在局域尺度上,加入林分结构作为解释变量后,单纯的空间结构的解释率明显下降,林分结构与环境因子累计贡献了41.0％的解释率.在区域尺度上,林分结构与环境因子累计贡献了23.0％的解释率.从局域到区域尺度,环境过滤的相对作用明显增强.林分结构指示的光的可利用性对林冠下方的树种组成具有较强的塑造作用,今后的研究应进一步探讨林分结构对亚热带常绿阔叶林物种组成变异的驱动机制.

当前森林生态学研究在时空尺度上朝着更宏观和更微观两个方向发展,传统的观测研究方法或模式已不适合现代森林生态学研究的需求.尤其是在信息化技术的不断发展背景下,当前森林生态观测科研范式亟需变革.本文基于辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站的"科尔塔群",提出以塔(群)为核心的"天-空-塔-地"一体化观测研究体系.具体包括:主/被动星载遥感(天)、无人机+激光雷达+多/高光谱传感器的近地面遥感(空)、塔群或单塔(塔)、长期固定样地群(地);运用物联网、云计算和人工智能等新一代信息技术,实现海量数据的自动获取、传输、运算、分析与展示,形成"立体-全息"森林生态系统信息化观测研究方法体系.该研究方法体系旨在促进森林生态学或生态系统生态学、林学等领域知识创新,探索科研范式变革提供实现途径;并为地理学、遥感科学和边界层气象学等学科提供参考.

森林是重要的陆地生态系统,分布广、生物总量大,在全球碳循环中起着重要作用.森林地上生物量(AGB)是森林生态系统生产力的重要指标,也是碳循环的重要参数,森林AGB的精确估算对研究生态系统的物质循环和全球气候变化具有重要意义.传统的森林AGB估算方法需要获取单木尺度或者林分尺度的物理结构信息,较为耗时、耗力,而遥感技术因其可以获得全方位、多时相、大范围的森林结构信息,在森林AGB估算中发挥着不可替代的作用.因此,有必要对近年来遥感技术估算森林AGB领域所取得的进展进行归纳、总结和展望,以期进一步促进遥感数据和方法在该领域的应用以及有效指导相关行业的发展.该文系统归纳了光学数据、合成孔径雷达(SAR)数据与激光雷达(LiDAR)数据估算森林AGB的原理及方法,并对多源遥感数据协同估算森林AGB的研究现状进行了梳理,总结了如下结论:1)新型遥感数据(如高分系列卫星、全球生态系统动态监测激光雷达等)在生物量估算领域的应用愈加广泛,在时空分辨率方面不断突破,进一步丰富了森林AGB研究的数据来源;2)多源遥感数据协同方式能更好地提高森林AGB估算的精度,但相关模型仍需进行更深层次的优化;3)目前机器学习、人工智能、深度学习已广泛应用于森林AGB的估算,但是遥感机理的研究是创新的根源,模型或方法的改进仍需围绕遥感机理展开.

森林动态监测样地是研究群落构建和物种多样性维持机制的重要平台.半湿润常绿阔叶林是滇中高原的地带性植被类型.但由于人类活动的长期影响,半湿润常绿阔叶林天然群落当前仅呈片断化状态,零星分布于偏远山地.参照美国史密森热带研究院热带森林研究中心的样地建设标准,我们分别在云南省曲靖珠江源(ZJY)、楚雄雕翎山(DLS)和大理鸡足山(JZS)建立了面积为 10 ha(500 m × 200 m)、8.24 ha(1 个260 m × 240 m的小样地和2个 100 m × 100 m的小样地)和20.16 ha(720 m × 280 m)的3个森林动态监测样地.本文以这3个样地的植物群落为研究对象,运用背包式激光雷达、激光测距仪等获取相关基础数据,并对各样地的植物群落进行物种鉴定、区系分析、群落分类及群落结构分析.结果表明:(1)3个样地共发现维管植物619种,隶属于120科355属,其中珠江源样地70科120属157种,雕翎山样地92科224属319种,鸡足山样地100科255属353种;(2)DBH＞1 cm的木本植物存活个体共有103,951株,其中珠江源样地24,932株、雕翎山样地25,222株、鸡足山样地53,797株,活个体密度分别为2,493.2株/ha、3,060.9株/ha、2,689.9株/ha;(3)样地群内所有维管植物在属和种水平上的温带区系成分合计占比分别为51.3％和24.7％,中国特有种的比例为33.0％;(4)样地群内的植物群落可分为8个群系,分别为元江栲(Castanopsis orthacantha)群系、高山栲(C.delavayi)群系、白穗石栎(Lithocarpus craibianus)群系、滇石栎(L.dealbatus)群系、云南松(Pinus yunnanensis)群系、黄毛青冈(Cyclobalanopsis dfelavayi)群系、光叶石栎(L.mairei)群系和灰背栎(Quercts senescens)群系;雕翎山样地群系类型最多、珠江源样地最少;(5)鸡足山样地和雕翎山样地乔木树种的径级结构呈倒"J"型,珠江源样地呈单峰型;鸡足山样地在80-100年以前经历过一次局部性的严重干扰,雕翎山样地在50-80年前后经历过一次普遍性的轻中度干扰迹象,珠江源样地在37年前曾经历过一次覆盖性的火干扰,样地间森林群系类型和径级结构的差异主要取决于群落演替程度和地形差异.

森林的垂直结构是地上植被要素在垂直方向上的排列,它影响动植物多样性和生态系统功能,是许多植物生态学家关注的重点.背包激光雷达技术的发展为大面积、高精度扫描三维森林结构提供了基础.直观反映生物量的冠层高度(canopy height,CH)、代表植物光合能力的叶面积指数(leaf area index,LAI)和单木尺度上的特征是森林垂直结构最重要的参数.本研究旨在探索鸡足山半湿润常绿阔叶林样地尺度和单木尺度上的垂直结构特征.本研究基于背包激光雷达,对滇中高原20.16ha半湿润常绿阔叶林样地群落的CH和LAI进行了精细扫描和点云定量分析,在进行地形校正和群落分类的基础上,精细提取和分析了森林群落的叶面积指数的垂直变化和水平格局,并定量提取了群落常见乔木种的单木形态和垂直结构参数.结果显示:(1)以20 m × 20 m标准样方为统计单位的CH和LAI的分布接近正态分布;(2)根据LAI的垂直分布,森林动态监测样地群落冠层由上至下可划分为林冠上层、林冠中层、林冠下层与灌木层4个层次;(3)元江栲(Castanopsis orthacantha)和高山栲(C.delavayi)群落的LAI垂直变化呈单峰格局,峰值高度分别为15 m和13 m,云南松(Pinus yunnanensis)群落为双峰格局,峰值高度为5 m和10 m;(4)不同树种的各单木参数表现出较大的差异性,但冠幅面积/胸径比表现出相对的稳定性.本研究在国内首次基于激光雷达技术定量分析具有复杂结构的半湿润常绿阔叶林的叶面积指数的三维格局,或可对以后该类型森林生物多样性的研究和不同森林类型之间的比较研究提供数据基础.

屋顶绿化作为一种新型绿色基础设施与基于自然的解决方案,已成为提升城市生态韧性与维持生物多样性的重要生态路径.然而,目前城市生态网络研究多关注二维的地面生态空间,而顾及屋顶绿化的三维生态网络构建研究尚不多见.以南京市中心城区为例,基于LiDAR、高分辨率遥感及建筑属性等多源数据,采用多因子叠置与电路理论等方法,构建了顾及屋顶绿化的城市三维生态网络整合分析框架:即采用多因子叠置方法,从建筑高度、屋面坡度、建筑年代、历史文化属性四个方面分析了屋顶绿化建设的适宜性;其次,结合建筑与植被三维结构特征数据,采用电路理论构建了有无屋顶绿化两种情景下的生态网络;最后,通过比较生态廊道数量、长度、平均阻力等指标分析了屋顶绿化对城市三维生态网络结果的潜在影响.研究结果表明:1)研究区有 46.59%的屋顶适宜进行绿化,表明屋顶绿化具有很大的发展潜力.2)顾及屋顶绿化的生态廊道数量由 205 条增加到209 条,生态网络总长度增加,单位长度阻力值减小,表明屋顶绿化能够显著提高城市生态空间的景观连通性、增加生态廊道密度,为高流动性生物提供重要的栖息地和垫脚石.3)屋顶绿化对城市生态网络优化的作用存在显著的空间差异,在城市中心区的优化作用最大,工业区次之,在生态良好片区优化作用较小.研究结果可为实现城市高密度区域地面生态空间与屋顶绿化空间的整合分析与统筹规划提供决策参考.

以机载激光雷达为研究手段,结合1981和2021年的全色照片,利用多元回归树的方法对云南西双版纳国家级自然保护区勐仑子保护区的热带森林林冠高度结构及其与环境因子间的关系进行探讨.结果表明:勐仑子保护区西片森林可根据林冠高度结构差异而分为7类,其中包括热带季节雨林、季风常绿阔叶林、次生林和河漫滩林;潜在辐射强度、海拔、地形垂直曲率、坡度以及1981和2021年影像亮度平均值是影响林冠高度结构聚类的主要因子.以番龙眼为主要优势种的热带季节雨林在沟谷和低地地段占有最大的分布范围,而山脊和干扰迹地上则以短刺锥为优势种的季风常绿阔叶林为主.次生林地段林冠表面极为平整,结构上明显区别于天然林,30多年前的轮歇农业活动至今仍对森林外貌有着明显影响.