树冠的生长方向可能体现了树木寻找光线的积极程度。无人机机载激光扫描技术（Airborne Drone Laser scanning，DLS）已被用于准确分类单个树冠（Individual Tree Crowns, ITC），并能够得出与树冠结构相关的指标。本文比较了树冠结构不同的6种基因型火炬松（Pinus taeda L.）间的ITC，将DLS数据分类为ITC对象，提出了计算ITC结构度量的新方法。
本文基于模型聚类和大小加权聚类定位树干。作者利用DLS在同一地点相隔四年采集数据，使用三维Alphashapes算法生成ITC结构度量。除了计算特定方位角的三维体积外，还可以在多个高度估计树冠与树茎的水平距离。结果表明，DLS可以用来评估树冠的生长、不对称结构和可塑性。随时间变化，不同基因型之间的差异具有统计学意义，表明树冠不对称性的发育差异，以及与光拦截和生长空间利用有关的生长方向性。具体结果如下：6个基因型的树冠结构在不同空间、时间和不同树种间差异显著（p <0.05）。大多数基因型朝向南（150~173°）的树冠体积较大。另外，树冠不对称与：(i)太阳辐射方向一致；（ii）邻近树冠的空间排列和邻近程度相关；（iii）基因型相关。冠体生长的增加与茎体生长的增加有统计学上的相关性；与北部树冠体积相比，南部树冠体积的增加表明茎体积的增加更大。这一发现表明行取向可能影响人工林的生长速度，特别是影响其早期发育。随着生长，以上差异可能会减少，特别是如果林冠生长空间减少后，林分没有及时稀疏。
综上所述，DLS数据集在三维ITC结构方面具有很强的表征能力。本文提出了一种基于激光雷达的三维冠形评价方法，将DLS分类为ITC对象从而确定树干的位置，并从两个年份间不同的DLS中计算3D Alphashapes指标，比较了具有不同树冠结构的六种基因型火炬松林分变化。未来的研究需要进一步将此方法和DLS/ALS数据集应用于其他环境背景的植物。
图1. 基于无人机机载激光扫描数据分类的单个树冠点云图像，并在2017年和2021年进行空间匹配。
图2. 所有的图都代表了一棵树的一部分的点云。将基于模型的聚类（图A）应用于数据，其中聚类是随机着色的。应用权重并在三维空间中对可能的主干集群进行分类（此处为集群数为7）。可能属于主干的返回值在图B中进行了说明（以蓝灰色线或虚线突出显示）。2017年(图C)和2021(图D)年一棵树的两个重叠点云和重叠3D alphashape形状。黄线代表估计的树干位置，球代表树顶高度。在3D alphashape网格上，通过一个平面(图F)在点云(图E)周围确定一个横截面(在本例中高度为6米),生成的横截面被转换为标准2D多边形(图F)。图E中的绿色球体表示图B中所示平面的轮廓，并且根据估计的树干位置，每隔10°计算到多边形边缘的投影距离。
图3. 根据估计的朝北或朝南的3D树冠90°部分体积，回归单棵树干的体积变化（2017年至2021年）
图4. 每个楔形代表每种基因型在2017年和2021年之间树冠体积的平均差异。楔形相对于树冠中心以相应的罗盘方向（0-360°）定向。体积以2017年树冠体积增加的百分比表示，因此50%的值表示2017年的体积加上50%。
Matthew Sumnall, David R. Carter, Timothy J. Albaugh, Rachel L. Cook, Otávio C. Campoe, Rafael A. Rubilar. Evaluating the influence of row orientation and crown morphology on growth of Pinus taeda L. with drone-based airborne laser scanning. Plant Phenomics. 0:DOI:10.34133/plantphenomics.0264
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