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主題詞 生態遙感、森林生態系統、冠層結構光資源 降水分配、生產力、微氣候、穩定性 遙感學報NRSB  森林冠層結構調控著森林內部光水資源分配，是理解森林生態系統碳水循環過程及其對全球氣候變化響應的關鍵因素。森林冠層結構是樹木冠層要素在三維空間分布格局的表現，如何準確描述森林冠層結構一直是森林生態系統研究的重要內容。冠層結構復雜性(canopy structural complexity)是一種用于描述冠層內部枝干與葉片空間分布情況的綜合參數，也稱冠層結構多樣性(canopy structure diversity)或復雜度。隨著激光雷達技術的發展，快速獲取森林冠層三維結構信息成為可能，冠層結構復雜性相關研究進入爆發式增長，廣泛應用于群落組成、森林管理、野生動物保護、干擾監測等領域。然而，國內此類研究相對較少，尚處于起步階段。 中國科學院植物研究所胡天宇和蘇艷軍等在《遙感學報》發表文章“森林冠層結構復雜性研究進展及展望”，旨在促進森林冠層結構復雜性研究領域研究在國內的發展。文章介紹了常用的冠層結構復雜性觀測手段與表征方法，并綜述了其在森林生態系統光水資源分配、微氣候、生產力和穩定性調控等方面的應用現狀，并對未來的機遇與挑戰進行了展望。 森林冠層結構復雜性的表征方式  地面調查和激光雷達遙感是定量化表征冠層結構復雜性的數據來源，主要通過獲取樹木位置、胸徑、樹高、冠幅等單木信息，并通過統計單木屬性大小和分布的異質性來量化冠層結構復雜性。根據現有表征冠層結構復雜性的指數來看，其可劃分為水平分布指標、垂直分布指標與整合分布指標三類。 水平分布指標主要量化冠層元素在水平方向的分布，不考慮冠層元素在垂直方向的分布。胸徑與樹冠存在異速生長關系，胸徑的變化直接影響冠層在水平方向的結構變化。其代表性指標主要由胸徑得出，如平均胸徑、胸徑的標準差以及胸徑多樣性指數。 垂直分布指標主要描述冠層元素在垂直方向上的分布異質性，但忽略了冠層元素在水平方向的分布。相較于水平結構復雜性，垂直結構復雜性更難被度量，這主要因為傳統調查方法中樹高較胸徑更難準確獲取。其代表性指標包括樹高的各種統計值以及基于樹高的多樣性指數、葉高度多樣性等。 整合分布指標同時考慮了冠層結構在水平與垂直方向的分布異質性，可以有效克服水平分布指標與垂直分布指標僅考慮單一方向的局限性。其代表性指標包括基于樹高、胸高斷面積、樹木密度、林冠物種數量的乘積的冠層結構復雜性（Holdridge,1967）,基于樹木的空間位置(x，y)和樹高(z)構建的冠層結構復雜性指數（Zenner，2000）、冠層褶皺度、分形維數、整合分形維數和冠層有效分層數的SSCI (Stand structural complexity index)、適用于多種激光雷達平臺的冠層熵（Liu et al., 2022）。
圖1 傳統調查數據和激光雷達數據表征冠層結構復雜度指數示意圖（在傳統調查數據中胸徑、覆蓋度、樹高常用于表 征水平或垂直方向的冠層結構復雜性。冠層褶皺度、分形維數和冠層熵為激光雷達數據構建的新型冠層結構復雜度指標，能夠同時反映水平和垂直方向的復雜度） 森林冠層結構復雜性對生態系統功能的調控 森林冠層結構復雜性在生態系統功能的調控中發揮著重要作用，尤其是在光水資源、微氣候、森林生產力和生態系統穩定性等方面。 光資源調控：森林冠層的光截獲及其分布對于初級生產力、樹木生存和更新至關重要。冠層中枝干和葉片的分布直接影響直射光和散射光的強度與比例，進而影響光合作用的效率。傳統的觀測方法多采用輻射計，僅能測量局部區域的光照，無法全面反映冠層內部光資源的分布。激光雷達獲取的冠層結構可作為代理變量，研究者借助這些數據能夠更加準確地模擬光在冠層中的分布。例如，通過定義不同的觀測視場角，研究者能夠計算冠層的光合有效輻射截獲率，從而揭示冠層開闊度和樹冠形狀對光分布的顯著影響。 降水再分配調控：森林冠層通過截留降水和降雪實現降水的空間再分配。早期研究主要聚焦于冠層表面積和葉面積指數，但這些指標往往無法反映冠層內部的復雜性?，F有研究發現樹木體積、冠層結構復雜性參數等與降水的截留量之間存在良好的關系，為進一步準確模擬降水截流、土壤侵蝕等提供了新的思路。 森林微氣候調控：冠層結構通過調節光水資源的分配影響森林微氣候。不同的冠層結構對微氣候的影響機制存在顯著差異，水平結構主要通過輻射吸收、蒸散作用影響夜間輻射，而垂直結構則通過改變輻射通量和氣流降低森林內部的風速。冠層結構的復雜性與森林微氣候之間存在密切關系，但其影響機制在不同研究中可能存在不一致，這可能與不同的植被類型和氣候條件有關。 森林生產力調控：森林冠層結構對生產力和碳固存能力的影響也得到了廣泛關注。研究發現，復雜的冠層結構有助于提高光能的截獲，進而促進生產力的提升。然而，在不同環境條件下，冠層結構與生產力的關系可能表現為正向或負向效應，這與物種生態位和資源競爭密切相關。激光雷達數據的使用促進了冠層結構與森林生產力關系的研究，發現內部冠層結構復雜性與物種多樣性和生產力之間的關系更加緊密。 森林穩定性調控：森林的穩定性是生態系統抵御外界干擾和恢復能力的重要指標。研究表明，結構復雜的森林在抵抗干擾和恢復方面表現更優。例如，復雜的冠層結構能夠增強森林對林火和颶風的抵抗力，并加速干擾后的恢復過程。然而，不同冠層結構復雜程度的森林對干旱和其他干擾的響應機制存在差異，這也需要進行進一步的深入研究。 森林冠層結構復雜性在未來研究中面臨的挑戰 森林冠層結構復雜性的概念在森林生態系統研究中受到了廣泛關注，尤其是激光雷達技術的進步，使得對森林冠層復雜性的表征變得更加準確和全面。然而，相較于其他常用的森林冠層參數，冠層結構復雜性仍然較為新穎，且信息維度更高，涉及的可表征參數較多，在實際應用中仍存在很多挑戰。 冠層結構復雜性表征與其含義：盡管森林冠層結構復雜性的概念早已提出，但真正實現其表征是在激光雷達技術廣泛應用之后。該概念包含了葉片和枝干的空間分布，但現有許多參數僅反映了葉片或枝干的單一方向分布。因此，篩選和使用冠層結構復雜性指數時，應理解各種指數的局限性，以避免得出相反的結果。 冠層結構復雜性指標的跨平臺通用性：近地面激光雷達平臺獲取的三維點云數據是計算森林冠層結構復雜性的主要依據。然而，不同平臺的采樣概率差異可能導致同一指標不可比。例如，無人機激光雷達數據的上部采樣概率高于下部。這種不一致性限制了部分冠層復雜性指數的通用性，目前只有冠層熵指數能夠實現很強的跨平臺通用性。未來研究需要關注指標的跨平臺能力，以增強數據的一致性和可比性。 冠層結構復雜性的尺度問題：尺度問題是生態遙感領域的重點關注點。對于冠層結構復雜性而言，涉及觀測尺度和大尺度反演的問題。目前研究多集中在樣地尺度，適合的觀測范圍尚不明確。冠層結構復雜性指標的觀測尺度依賴性較強，不同尺度可能導致飽和現象。此外，星載激光雷達提供的全球觀測為大尺度冠層結構復雜性繪制提供了可能，但如何消除不同數據源之間的差異，全面準確地表征冠層結構復雜性仍是挑戰。 長時間序列的冠層結構復雜性監測：長時間序列的監測對于理解森林生態系統過程及其穩定性具有重要意義。目前大部分研究主要依賴傳統地面調查數據，利用激光雷達數據進行長時間序列監測的研究相對較少。雖然近地面遙感可以解決樣地到區域的監測問題，但難以實現大尺度的監測。星載激光雷達雖能覆蓋大尺度，但由于平臺特性限制，長時間序列監測仍面臨挑戰。因此，結合其他衛星遙感數據與機器學習等方法，實現大尺度和長時間序列的冠層結構復雜性繪制，將是未來研究的重點。 結語 隨著激光雷達技術的廣泛應用，森林冠層結構復雜性在全面、準確的定量表征方面取得了重大進展，并在森林生態系統功能調控研究中得到了廣泛關注與應用。本文介紹了森林冠層結構復雜性的主要表征方法和常用指數，并總結了冠層結構復雜性在森林生態系統光資源、降水分配、微氣候、生產力和穩定性等調控方面的應用現狀。盡管目前森林冠層結構復雜性在國內應用較少，且長時序、大尺度產品匱乏，但隨著森林冠層結構復雜性表征方法的改進以及森林冠層結構復雜性內涵的不斷深入理解，未來在日益豐富的長時序、多源遙感數據和各種深度學習方法的加持下，森林冠層結構復雜性將在森林生態系統研究和可持續經營管理中發揮更重要的作用，為應對全球氣候變化和服務國家“雙碳戰略”提供數據、技術和理論支持。  胡天宇，中國科學院植物研究所副研究員，研究方向為激光雷達植被生態遙感與生態模型建模。 E-mail: tianyuhu@ibcas.ac.cn   蘇艷軍，中國科學院植物研究所研究員，研究方向為激光雷達植被生態遙感。 E-mail: ysu@ibcas.ac.cn ?? 論文信息 題目：森林冠層結構復雜性研究進展及展望 作者：胡天宇，劉小強，吳曉永，牛春躍，蘇艷軍 第一作者單位：中國科學院植物研究所 發表期刊：遙感學報 DOI：10.11834/jrs.20244007 論文鏈接：  胡天宇，劉小強，吳曉永，牛春躍，蘇艷軍.2025.森林冠層結構復雜性研究進展及展望.遙感學報，29（1）：83-101 DOI：10.11834/jrs.20244007. Hu T Y，Liu X Q，Wu X Y，Niu C Y and Su Y J. 2025. Advance in forest canopy structural complexity research. National Remote Sensing Bulletin，29（1）：83-101［DOI：10.11834/jrs.20244007］. Liu, X., Ma, Q., Wu, X., Hu, T., Dai, G., Wu, J., ... & Su, Y. (2022). Nonscalability of fractal dimension to quantify canopy structural complexity from individual trees to forest stands. Journal of Remote Sensing, 2022, 0001. Liu, X., Ma, Q., Wu, X., Hu, T., Liu, Z., Liu, L., ... & Su, Y. (2022). A novel entropy-based method to quantify forest canopy structural complexity from multiplatform lidar point clouds. Remote Sensing of Environment, 282, 113280. Wu, X., Niu, C., Liu, X., Hu, T., Feng, Y., Zhao, Y., ... & Su, Y. (2024). Canopy structure regulates autumn phenology by mediating the microclimate in temperate forests. Nature Climate Change, 14(12), 1299-1305. Liu, X., Feng, Y., Hu, T., Luo, Y., Zhao, X., Wu, J., ... & Su, Y. (2024). Enhancing ecosystem productivity and stability with increasing canopy structural complexity in global forests. Science Advances, 10(20), eadl1947. Ma, Q., Su, Y., Niu, C., Ma, Q., Hu, T., Luo, X., ... & Guo, Q. (2023). Tree mortality during long-term droughts is lower in structurally complex forest stands. Nature communications, 14(1), 7467. Ma, Q., Su, Y., Hu, T., Jiang, L., Mi, X., Lin, L., ... & Guo, Q. (2024). The coordinated impact of forest internal structural complexity and tree species diversity on forest productivity across forest biomes. Fundamental Research, 4(5), 1185-1195. 1 END 1 官網 視頻號 遙感學報視頻號 梧桐會直播 直播+回放平臺 B站 梧桐會B站UP主 最新期刊 編輯：薇薇 審校/指導：梧桐君 聲明 |
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