結合多尺度光達技術以了解熱帶雨林動態

RIEGL

2025.10.07

點雲資料如何幫助縮小知識鴻溝

作者：Luna Soenens、Zane Cooper、Geike De Sloover 2025年9月30日

熱帶雨林是既關鍵又脆弱的生態系統，蘊藏著大量碳儲量並孕育了驚人的生物多樣性。了解其結構如何回應氣候變遷與外界擾動是預測雨林未來韌性的關鍵。本文探討了結合多尺度光達技術（地面、空載與無人機載）與微氣候監測的方法，解鎖了森林動態的新見解。從微小尺度的三維樹木模型到大尺度的測繪，點雲資料在縮小對於雨林結構與微氣候如何共同影響其穩定性的知識鴻溝上，扮演了關鍵的橋樑角色。
熱帶雨林生態系的特徵在於很高的年降雨量（1,500 - 4,000毫米）及全年穩定溫暖的氣候（17 - 30°C）。它們約占全球森林面積的 45%，在全球碳循環與氣候調節中扮演關鍵角色。此外，熱帶雨林是生物多樣性的熱點，孕育了地球上大多數的生物量。然而，這些生態系正日益受到氣候變遷的威脅，表現在各種擾動事件上（如熱帶氣旋、熱浪與火災）。雖然這些擾動事件在塑造森林結構、維持森林動態方面具有重要性，但隨著全球氣候變暖導致擾動的頻率與強度增加，其對森林韌性可能產生強烈的負面影響。
儘管熱帶雨林的重要性無庸置疑，但我們對其動態如何影響森林結構的理解仍然相當缺乏，特別是在更廣泛的空間與時間尺度上。地面雷射掃描技術（TLS，或稱「地面式光達」）是了解樹木與森林結構的有力工具。TLS具有強大的能力，可對單棵樹木進行精確建模，建立完整的三維樹木結構模型。這些模型能用於量化生物量—這是一項評估森林碳儲存量的重要指標。雖然TLS非常適合對森林進行詳細的林分結構研究，但當它與更大空間尺度的光達技術結合使用，如無人機光達掃描（UAV-LS）或空載光達掃描（ALS）時，其潛力將被大幅放大。

微氣候緩衝效應建模

森林光達資料近年一項重要的應用是與其他資料類型結合，用於模擬如「微氣候緩衝效應」等複雜過程。微氣候緩衝能力是熱帶雨林的關鍵功能之一。茂密的雨林樹冠能顯著緩解氣候極端現象（例如溫度、降雨與風力），因此為許多物種提供穩定且理想的棲息環境。然而，這種由微氣候緩衝效應所帶來的穩定性，可能會受到自然擾動（如熱帶氣旋）的威脅，進而改變森林結構，並影響森林的微氣候。因此，深入了解微氣候與森林結構之間的關係，對於預測氣候變遷對這些生態系的影響極端重要。

圖1：a)　RIEGL VZ400i地面雷射掃描儀；b)　由TLS資料分割出的樹木點雲模型。

從2024年6月至9月，比利時根特大學（Ghent University）Q-ForestLab的現地研究團隊在澳洲東北昆士蘭濕熱帶（該地區擁有世界上最古老的熱帶雨林）進行一場結合了TLS、UAV-LS、ALS以及微氣候資料的蒐集行動。團隊在整個區域內共調查了16個樣區，面積介於0.5至1公頃之間，涵蓋了海拔（15 - 1,200平均海拔公尺）與降雨量（1,236 - 3,470毫米）的梯度變化。這些樣區屬於昆士蘭永久雨林樣區（QPRP）網路的一部分。該項研究與英國公司Sylvera Ltd合作進行，由該公司主導ALS資料採集，同時也與兩家澳洲機構合作—TERN（負責維護與普查Robson Creek超級樣區）以及CSIRO（負責UAV-LS資料採集）。

地面雷射掃描

高密度的TLS點雲資料是利用RIEGL VZ-400i掃描儀（見圖1a）採集的，此專案由比利時研究基金會（FWO）資助。研究團隊在每個森林樣區內規劃了10公尺的規則網格進行高密度採樣，每公頃的掃描作業需耗時約一週，最終獲得了極為精細的森林樹冠三維模型。由於掃描儀是由人員手動在森林中攜帶移動的，同時掃描儀能夠追蹤自身位置，使得後續的資料處理更為順暢。包含拼接多個掃描資料，以建立完整的樣區級點雲模型。掃描儀不僅採集點雲與本地位置資料，還結合Emlid基站進行地理定位（georeferencing），這將有助於未來更容易地與其他資料來源（如微氣候感測器位置或UAV-LS點雲）對齊。總體而言，在如此偏遠（且有時具潛在危險性）的熱帶雨林生態系中進行資料採集，是一項既刺激又高強度的任務—而這一切能順利完成，全仰賴緊密的團隊合作與緊密的規劃。

雖然TLS通常能提供最完整且細節最豐富的點雲資料（見圖1b），但其視角主要受限於樹冠下方。在像澳洲東北昆士蘭這類密集的雨林環境中，即使是性能最強大的雷射掃描儀，也可能因樹冠上層的遮蔽效應而有資料缺漏。因此，提升TLS資料品質的最佳方式之一，就是將其與UAV-LS或ALS資料進行融合。

圖2：a)　配備RIEGL VUX-120掃描儀的BELL 407直升機；b)　英國公司Sylvera Ltd.

空載雷射掃描

為了將TLS結構資料擴展到更大範圍，研究行動的另一個部分是ALS。這項工作於2024年8至9月由Sylvera Ltd執行，使用安裝在BELL 407直升機（圖2a）上的RIEGL VUX-120掃描儀（圖2b），涵蓋所有16個QPRP樣區，總面積達65,000公頃。直升機飛行高度為距地面160公尺，航線間距為127公尺；VUX-120掃描儀以1,200 kHz的脈衝重複率（Pulse Repetition Rate，PRR）運作，每秒記錄400條掃描線，視場角為100°。這些設定產生了密度約 300點/m²的高解析點雲，使得大範圍、高解析度的森林結構三維地圖得以實現。

UAV雷射掃描

當TLS在覆蓋範圍上存在限制，而ALS在單棵樹細節上不足時，UAV-LS提供了一個兩者兼具的強大解決方案。由於飛行高度接近樹冠，UAV-LS能產生高度精細的點雲，實現細微尺度測量的放大，同時保留森林結構的細節。然而，UAV-LS的一個缺點是視線限制（line-of-sight），尤其在偏遠的熱帶雨林樣區中更為明顯。受到QPRP網路場地條件的限制，UAV-LS僅在兩個研究樣區進行：DRO（1公頃）與Robson Creek（25公頃）。

由Dr. Shaun Levick與Dr. Steph Johnson帶領的CSIRO團隊，自2024年起每年在DRO與Robson Creek使用安裝於Acecore NOA無人機平台（圖3）上的RIEGL VUX-120進行飛行掃描，並計畫在未來數年持續重新蒐集資料。VUX-120擁有100°視場角及高達1.8 MHz的快速資料獲取速度，非常適合高點密度掃描，能以卓越精準度獲取複雜的細節。透過正下（nadir）、前向（forward）、後向（backward）（NFB）掃描模式，在垂直表面（如樹幹）上進行掃描，分別採樣俯視、前傾10°與後傾10°，有效提升森林結構的測繪精度，UAV-LS資料因此成為TLS與ALS之間的重要橋樑。

圖3：裝載RIEGL VUX-120掃描儀的Acecore NOA無人機。

微氣候監測

在2024年的研究行動中，研究團隊在所有16個QPRP樣區建立了由190台EL-USB-2 Lascar空氣溫度與相對濕度記錄器組成的微氣候監測網路。這些記錄器安裝於1.50公尺高的位置，並以PVC遮蓋避免陽光直射，以蒐集微氣候資料（圖4a）。記錄器每60分鐘記錄一次，提供熱帶雨林對氣候變遷緩衝效應的見解（圖4b）。此外，研究團隊在樣區附近的開闊地區放置了兩台記錄器，用於測量森林外的當地氣溫。為了捕捉更廣泛的區域氣候背景，這兩個記錄器的資料將與當地氣象站及ERA5分析資料結合，以代表宏觀氣候條件。

結論

透過將完整的多尺度光達資料集與高密度微氣候測量結合，本專案提供了前所未有的熱帶雨林結構與動態觀察視角。整合來自TLS、UAV-LS與ALS等多種平台的光達資料，既能進行細微尺度分析，也能進行景觀層級的結構研究，從而更深入了解地上生物量（AGB）、族群結構與森林結構異質性。此外，本專案將利用TLS採集的高品質結構資料，為AGB開發新的、特定區域的異速生長模型。這些模型將再透過UAV-LS與ALS資料進行放大應用，提供該區域森林尺度的碳動態獨特觀點。

此外，研究微氣候與森林結構之間的關係，將加深對雨林結構如何回應擾動，以及這些變化如何影響森林緩衝氣候極端能力的理解。本專案是長期監測網路的一部分，為熱帶雨林韌性提供關鍵的新見解，也將成為未來熱帶生態系研究的重要基準。

圖4：a) 以輻射遮蓋保護的EL-USB-2 Lascar感測器；b) Luna Soenens安裝感測器的情景；c) 根據一年內Daintree Rainforest Observatory樣區內外測量資料，顯示熱帶雨林的緩衝能力。