·文章标题：Quantifying post-fire differences in forest structure and aboveground biomass using the TECIS full-waveform LiDAR system

·期刊名称：International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（中科院一区，IF = 8.6）

·文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jag.2026.105322

·发表日期：2026.5.8

研究背景

国产 TECIS 在刻画森林垂直结构扰动相关差异方面具有重要潜力，但其对不同森林类型中火烧与未火烧区域之间结构差异及足迹尺度 AGB 差异的捕捉能力，目前仍缺乏系统评估。因此，本研究围绕以下关键科学问题展开：TECIS 全波形激光雷达系统能否在足迹尺度上量化火烧与未火烧区域之间的森林垂直结构和 AGB 差异？这些足迹尺度估计结果能否进一步与光学和雷达数据结合，实现区域尺度的连续空间制图？

为回答上述问题，本研究协同地面实测、机载激光雷达（ALS）点云、TECIS 全波形以及 Sentinel-1/2 数据的分层验证与制图框架。首先基于机载激光雷达模拟波形，评估 TECIS 波形的物理一致性与跨平台可比性；其次，利用 TECIS 波形指标，针对不同森林类型建立足迹尺度 AGB 模型；最后，定量分析不同森林类型下火烧区域与未火烧区域之间的森林结构和 AGB 差异。

图1. 研究区范围。

图2. 研究技术流程图。

研究方法与关键指标

研究区位于湖南省 新田县，包含2022年10月17日林火影响形成的核心火烧区与火势蔓延区。研究共调查141个20m × 20m地面样地，其中33个样地位于ALS覆盖范围内，用于校准ALS生物量参考面；其余108个样地不参与模型训练，仅用于最终AGB制图结果的独立验证。ALS数据于2024年6月沿TECIS轨迹获取，并经过去噪、地面归一化和植被点分类等处理。TECIS数据经过质量控制、森林掩膜筛选和DEM辅助的足迹地形校正后，共保留2988个高质量森林足迹。研究在ALS覆盖范围内以25m直径圆形窗口匹配TECIS足迹，获得344个TECIS–ALS样本，并基于二维高斯足迹能量权重从ALS点云模拟TECIS波形，并评估了TECIS实测波形与模拟波形之间的形状和结构的一致性。在结构参数提取方面，研究从TECIS全波形中获取森林冠层高度（FCH）、冠层覆盖度、植物面积指数（PAI）和叶高多样性（FHD）等指标，同时构建35个波形特征，用于足迹尺度AGB建模。AGB模型采用森林类型分组策略，以FCH为核心高度变量，并结合最优波形能量指标建立足迹尺度AGB参数化模型，从而降低高生物量样本异方差对模型的影响。为实现连续空间制图，研究进一步将TECIS足迹尺度AGB和结构参数协同Sentinel-1和Sentinel-2中值合成影像进行匹配，提取光谱指数、红边指数、SAR后向散射及纹理特征，并利用随机森林回归生成30m分辨率的森林结构和AGB连续分布图。

图3.TECIS足迹采样模式与全波形观测示意图。

实验结果

（1）TECIS波形一致性与森林结构参数验证

ALS模拟波形与TECIS实测波形表现出较高的一致性，平均波形相关系数达到0.95，说明基于ALS的全波形模拟能够较好复现TECIS在真实森林条件下的主要回波形态。模拟波形的相对高度指标的RMSE范围为2.21-6.02 m，与已有GEDI波形模拟研究的误差量级相当，表明DEM辅助足迹校正和波形匹配能够支持后续足迹尺度结构参数提取。

图4. ALS模拟波形与TECIS实测波形对比结果。

在森林结构参数验证方面，TECIS反演的森林冠层高度与ALS参考结果取得R⟡ = 0.65、rRMSE = 30.25%的精度。PAI、冠层覆盖度和FHD也能够反映主要结构变化趋势，说明TECIS全波形指标不仅可以描述冠层高度，还能够捕捉垂直能量分布和冠层复杂度等生态结构信息。

图5.TECIS森林结构参数验证结果。

（2）林火造成的森林垂直结构差异

TECIS相对高度剖面揭示了火烧与未火烧森林之间清晰的垂直结构差异，尤其在中上层冠层（RH75–RH95）表现更为明显。火烧区的中高分位的高度指标整体低于未火烧区，说明林火对冠层上部结构和垂直分层产生了显著影响；这种差异在火源核心区更强，而在火势蔓延区相对较弱，体现出林火强度和空间位置对结构影响的异质性。除高度剖面外，火烧区的PAI、冠层覆盖度和FHD分布均向较低值移动，表明火烧后植被面积、冠层闭合度和垂直多样性均出现下降。核心火烧区中，PAI主要集中在0.5–1.0 m⟡/m⟡，未火烧区则多集中在1.0–1.5 m⟡/m⟡；冠层覆盖度在火烧区也呈现更低峰值，进一步说明TECIS能够有效捕捉林火造成的冠层损失和垂直结构简化。

图6.火烧与未火烧区域TECIS相对高度指标分布差异。

（3）足迹尺度AGB模型与林火影响量化

不同森林类型中，FCH始终是AGB估算的主导结构变量，并与AGB呈显著正相关。结合波形能量分布指标后，TECIS足迹尺度AGB模型在针叶林、阔叶林和混交林中均取得较稳定表现：针叶林模型R⟡ = 0.75、RMSE = 30.38 Mg/ha，阔叶林模型R⟡ = 0.74、RMSE = 27.39 Mg/ha，混交林模型R⟡ = 0.65、RMSE = 37.16 Mg/ha；总体模型R⟡ = 0.72、RMSE = 31.06 Mg/ha。

基于森林类型分组的AGB结果显示，火烧区AGB分布整体向低值方向移动。与未火烧区相比，火烧区针叶林、混交林和阔叶林的平均AGB分别低52.6%、50.1%和41.6%。火源区AGB分布呈现双峰特征，说明受损程度存在明显空间异质性；火势蔓延区的AGB分布更加平滑，反映出较弱但仍可识别的火烧影响。

图7.不同森林类型TECIS足迹尺度AGB模型表现。

图8.不同森林类型与区域中火烧对AGB的影响。

（4）森林结构与AGB连续制图

最后通过将TECIS足迹估计结果与Sentinel-1/2特征融合，研究获得了30 m分辨率的AGB、PAI、FCH、冠层覆盖度和FHD连续分布图。结果显示，研究区森林结构和生物量具有明显空间异质性，北部缓坡天然林AGB较高，南部和东部低山区域及近期火烧区域AGB和FHD较低。PAI与AGB呈现较强空间耦合，FCH总体分布在约10–30 m之间。

独立样地验证表明，最终Sentinel反演AGB图在108个未参与训练的地面样地上取得R⟡ = 0.64、RMSE = 27.69 Mg/ha、rRMSE = 34.71%的总体精度。分森林类型来看，针叶林验证精度最高（R⟡ = 0.85，rRMSE = 25.73%），阔叶林次之，混交林受结构复杂性影响精度相对较低。

图9.基于TECIS与Sentinel-1/2融合的森林结构和AGB连续制图结果。

图10. AGB图的独立样地验证结果。

研究意义

本研究从足迹和区域尺度系统验证了国产TECIS全波形激光雷达系统在林火后森林结构与AGB差异量化中的应用潜力。与单纯依赖光学或雷达影像的方法相比，TECIS能够直接提供垂直结构信息，使火烧与未火烧森林在高度剖面、冠层复杂度和生物量水平上的差异能够被更明确地量化和解释。研究提出的“地面样地—ALS—TECIS—Sentinel”分层验证与制图框架，为星载全波形激光雷达支持森林扰动评估和碳储量监测提供了可推广的技术路线。其创新性主要体现在：一是利用ALS模拟波形对TECIS波形一致性进行独立验证；二是针对不同森林类型建立足迹尺度AGB模型；三是将离散TECIS足迹与Sentinel-1/2融合，扩展到连续森林结构和AGB制图。该框架可为林火后碳损失评估、森林恢复监测和国产生态卫星应用提供重要参考。

作者介绍

第一作者：王储，中南林业科技大学2024级博士研究生。

通讯作者：孙华，中南林业科技大学教授，博士生导师。

共同通讯作者：马开森，湖南科技大学校聘副教授。

合作作者：中南林业科技大学蒋馥根讲师，硕士研究生陈明、蔡金莹。