粗糲的樹干筆直地伸向天空，巨大的樹冠遮蔽了天空，細(xì)碎的陽光穿過樹葉的縫隙，巨樹森林中彌漫著來自西北太平洋的濕潤空氣……這里是美國加利福尼亞州的紅杉樹國家公園，有著目前世界上已知的最高樹亥伯龍樹。

在美國加州大學(xué)默塞德分校任教時(shí)，北京大學(xué)教授、遙感與地理信息研究所所長郭慶華曾一次又一次來到這片神奇的森林，在被大自然的神奇震撼的同時(shí)，他也在思考：為什么這里的樹可以長這么高、水分如何輸送到樹頂端、背后有哪些生態(tài)機(jī)制……

彼時(shí)的他可能不會想到，回國十余年后，通過團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，他在西藏，一個與加州氣候迥異的地方，發(fā)現(xiàn)了高達(dá)102.3米的西藏柏木，刷新按樹種排名的世界最高樹列表，他也成為亞洲第一高樹的發(fā)現(xiàn)者。也是得益于這項(xiàng)技術(shù)，郭慶華和團(tuán)隊(duì)成員首次對全國樹木數(shù)量進(jìn)行了精細(xì)測算并繪制出首張“樹密度地圖”——截至2020年，全國約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃。

如何數(shù)清中國到底有多少樹木？如何數(shù)出一棵棵樹？背后有哪些科技助力？近日，新京報(bào)記者專訪了郭慶華，試圖找到問題的答案。

花十年時(shí)間，用衛(wèi)星遙感“拼出”全國森林全景

一張中國地圖上，分布著深深淺淺的綠色，可以明顯看到，南部和東北部被綠色覆蓋。這張看似不起眼的地圖，卻是我國第一張“樹密度地圖”：它精準(zhǔn)測算出了960萬平方公里土地上的樹木覆蓋情況：截至2020年，全國約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃，相當(dāng)于中國人均擁有約100棵樹。

郭慶華團(tuán)隊(duì)繪制的我國首張“樹密度地圖”。受訪者供圖

這張圖就“存放”在郭慶華辦公室的電腦里，是他和團(tuán)隊(duì)成員十余年來潛心研究的成果之一。郭慶華告訴記者，這張地圖既包含了中國森林的整體分布情況，也涵蓋了每個位置有多少棵樹的信息。

更多的信息可以從這張圖上分析出來，比如，從流域看，長江流域以約496億棵樹的絕對優(yōu)勢位居首位；從省域看，四川、黑龍江、云南和廣西的樹木總數(shù)超過100億棵，占全國總量的32%。四川樹木數(shù)量居全國首位，西藏人均樹木數(shù)量位列第一、人均擁有近2000棵樹。

制作一張樹密度地圖需要多久？郭慶華和團(tuán)隊(duì)成員前前后后花費(fèi)了十年時(shí)間。不過，地圖上這1426億棵樹卻不是一棵棵數(shù)出來的，“我們用無人機(jī)和激光雷達(dá)，像‘照CT’一樣掃描森林，用AI算法‘看片子’、數(shù)樹，最后用衛(wèi)星遙感‘拼出’全國的森林全景。”

“我們使用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)傳感器，飛越目標(biāo)林區(qū)。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖，測量激光從地面和樹冠返回的時(shí)間，從而獲取森林的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云就像人體CT掃描得到的斷層圖，能夠詳細(xì)反映森林中每一棵樹的位置、形狀和高度?！惫鶓c華解釋道，通過在全國典型森林范圍內(nèi)的持續(xù)掃描，獲取了7萬多個1公頃的無人機(jī)激光雷達(dá)樣方數(shù)據(jù)。

此后，基于樣方數(shù)據(jù)，利用自研的基于AI的單木分割算法，對每個樣方進(jìn)行單株樹木的提取，并統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)樹木的數(shù)量，構(gòu)建了相當(dāng)于7萬多個含有樹木數(shù)量的樣本庫。

最后，借助衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，獲取空間連續(xù)的覆蓋全國森林范圍的數(shù)據(jù)，再通過AI模型構(gòu)建真實(shí)樣地樹木數(shù)量與衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)全國森林樹木數(shù)量的估算。

說起來簡單的測量過程，背后是科研工作者十年如一日“坐冷板凳”的堅(jiān)持。

以往林業(yè)調(diào)查多是人工進(jìn)行，樣方大小定為一畝，再放大至全國就已經(jīng)很大了。“我們的樣方是1公頃（約等于15畝），同時(shí)在樣方的選擇上不僅要兼顧樹種，還要兼顧不同的地區(qū)類型?！惫鶓c華表示，團(tuán)隊(duì)成員走遍了7萬多個樣方，前前后后花費(fèi)了10年時(shí)間，最終采集了400多TB的數(shù)據(jù)。如果以一張照片5M大小計(jì)，400TB相當(dāng)于8000多萬張照片的體量。

與此同時(shí)，AI模型的構(gòu)建也是如此?！安]有現(xiàn)成的模型可以用。我們就是不斷用樣方的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)去訓(xùn)練AI算法，根據(jù)驗(yàn)證的精度創(chuàng)建起一個最優(yōu)的模型?！惫鶓c華解釋道。

實(shí)地測量中也遍布挑戰(zhàn)，天氣、空氣濕度等都影響測量精度，比如雨雪和霧霾會散射或吸收激光信號，導(dǎo)致點(diǎn)云噪聲或數(shù)據(jù)缺失；強(qiáng)風(fēng)可能影響無人機(jī)穩(wěn)定性，造成掃描偏差等?！搬槍毫犹鞖猓覀冞M(jìn)行了技術(shù)開發(fā)，就目前來說，我們的設(shè)備已經(jīng)初步具有在雨天、風(fēng)沙天氣等環(huán)境下的工作能力?！?/p>

最大的挑戰(zhàn)在于中下層樹木被冠層遮擋，難以通過激光雷達(dá)完整識別。郭慶華表示，通過點(diǎn)云優(yōu)化處理與人工驗(yàn)證校正參數(shù)，同時(shí)在模型集成階段引入不確定性估計(jì)，最終有效降低了估算誤差。

激光雷達(dá)技術(shù)可以“透視”森林，將樹高、樹冠大小等信息清晰顯示出來。受訪者供圖

復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界的激光雷達(dá)技術(shù)

在樹木測量過程中，激光雷達(dá)技術(shù)是關(guān)鍵。

郭慶華把它形容為“對物理現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字復(fù)制技術(shù)”。它能“透視”森林內(nèi)部結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)會發(fā)出上百萬束激光，每一束都能穿透森林冠層，獲取到從樹頂?shù)降孛娴脑敿?xì)結(jié)構(gòu)信息。分辨率可以達(dá)到厘米級別，不僅能看見每一棵樹，還能“看清楚”樹有多高、有多粗、樹冠多大。過去近20年的時(shí)間里，郭慶華一直致力于將三維激光雷達(dá)技術(shù)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行相關(guān)儀器的軟硬件研發(fā)。

對于森林資源調(diào)查而言，第一個問題就是如何保證數(shù)據(jù)獲取的高效性與精準(zhǔn)性。傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查主要依賴地面樣地調(diào)查，通過人工測量樣方內(nèi)的樹木數(shù)量、胸徑、高度等參數(shù)，再通過統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行區(qū)域性推算。

在郭慶華看來，人工測量的方法雖然準(zhǔn)確，但存在效率低、更新慢、代表性差、結(jié)構(gòu)性信息不完整等明顯局限，“傳統(tǒng)方法很難獲取森林的立體結(jié)構(gòu)，比如冠層層次、空間分布等?！?/p>

然而，當(dāng)時(shí)，國內(nèi)森林計(jì)測儀器多依賴昂貴的進(jìn)口設(shè)備，且功能單一，難以適應(yīng)復(fù)雜林況。為此，郭慶華團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了空地一體化遙感平臺，包括無人機(jī)、背包、手持和車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，集成CCD相機(jī)、高光譜傳感器等多種設(shè)備。這一平臺不僅輕便靈活，還能在林下定位信號丟失、平臺穩(wěn)定性差等條件下實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。

郭慶華解釋，激光雷達(dá)技術(shù)本質(zhì)上是一種高精度的三維測量手段，通過高速發(fā)射激光脈沖，并記錄其返回時(shí)間，結(jié)合定位系統(tǒng)，構(gòu)建出覆蓋森林上層冠層到地表的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云不僅能反映每棵樹的空間位置、高度和冠幅，還可在人工智能算法的輔助下識別單株樹木并估算胸徑等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

“它能精準(zhǔn)到什么程度呢？比如中國的最高樹是102.3米，從技術(shù)的概念來講，對于最高樹范圍內(nèi)能夠達(dá)到每平方米2萬個點(diǎn)，整棵樹的三維結(jié)構(gòu)看得一清二楚，也就是說，測量這個樹高的偏差，不會超過一個厘米級的偏差。”郭慶華口中的最高樹位于西藏林芝，是一棵西藏柏木，2023年由聯(lián)合調(diào)查團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)激光雷達(dá)測定。

從2022年起，郭慶華團(tuán)隊(duì)使用自研的無人機(jī)激光雷達(dá)、背包激光雷達(dá)，與北京大學(xué)呂植團(tuán)隊(duì)、西子江生態(tài)保育中心、山水自然保護(hù)中心、北京數(shù)字綠土科技股份有限公司組成聯(lián)合調(diào)查隊(duì)尋找高樹、測量樹高，將中國“樹王”的準(zhǔn)確身高從76.8米刷新到2023年的102.3米。

在郭慶華看來，巨樹的存在不僅僅在生態(tài)學(xué)上具有重要意義，也與當(dāng)?shù)氐奈幕腿说仃P(guān)系密切相關(guān)?！霸谖鞑啬?、察隅和波密等地的野外考察過程中，我們曾在一些巨樹下發(fā)現(xiàn)了經(jīng)幡。經(jīng)幡的存在，反映了當(dāng)?shù)囟嗝褡迳鐓^(qū)對自然的崇敬與保護(hù)。”郭慶華表示，這些地區(qū)是多民族聚居的地方，他們共同生活在這片神秘而原始的自然環(huán)境中，當(dāng)?shù)氐淖诮绦叛?，深深影響了他們與自然的關(guān)系，他們認(rèn)為這些樹木和所在的森林不僅是自然資源，更是神圣的存在，因此，他們基于文化和宗教信仰進(jìn)行自發(fā)保護(hù)。

郭慶華表示，在生態(tài)保護(hù)的過程中，如何平衡現(xiàn)代發(fā)展與傳統(tǒng)文化保護(hù)，可以通過科技手段確保這些珍稀資源的可持續(xù)性，同時(shí)也要尊重當(dāng)?shù)孛癖妼τ诰迾涞某绨莺捅Ｗo(hù)，與當(dāng)?shù)孛癖姾献鬟M(jìn)行生態(tài)保護(hù)，“這也會成為我們未來研究和保護(hù)工作的重點(diǎn)。這一切不僅關(guān)乎科學(xué)的進(jìn)步，也關(guān)乎人類與自然和諧共生的未來?！?/p>

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供更精準(zhǔn)的“綠色賬本”

得益于激光雷達(dá)技術(shù)，更多的科研成果正在陸續(xù)呈現(xiàn)出來。

從2018年起，在中科院地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程項(xiàng)目支持下，郭慶華作為“新一代中國植被圖繪制”主要負(fù)責(zé)人之一，聯(lián)合中國各地300多名植物學(xué)專家與青年學(xué)者，利用衛(wèi)星遙感和激光雷達(dá)、手機(jī)應(yīng)用等近地面遙感技術(shù)，開展了對中國植被數(shù)據(jù)的高效采集。他透露，更高分辨率、更準(zhǔn)確的新一代中國植被圖將完成。這距離中國上一代植被圖繪制已過去了40多年。

“在這四十多年的發(fā)展中，植被類型已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，我們之前的一項(xiàng)對比研究中發(fā)現(xiàn)，僅從土地覆蓋這個角度，中國現(xiàn)有的類型有50%左右發(fā)生了改變，因此，亟須對該植被圖進(jìn)行更新?！?/p>

在陜西省黃陵縣軒轅廟內(nèi)有一棵黃帝手植柏，相傳這棵樹是中華民族始祖軒轅黃帝親手種下的，距今已有數(shù)千年。這棵古柏樹高19.4米，樹干胸圍達(dá)到8.6米，平均冠幅18.1米，樹冠覆蓋面積約178平方米，被譽(yù)為“世界柏樹之父”，也是目前已知樹齡最長的柏樹之一。

得益于激光雷達(dá)的億萬高精度點(diǎn)云和3D高斯?jié)姙R（3DGS）的動態(tài)粒子建模，這棵軒轅柏的樹高、胸徑、冠幅等多項(xiàng)參數(shù)可以自動計(jì)算出來，古樹根系、主干、枝杈乃至表皮紋理等信息在電腦上有了記錄，這份“全息檔案”形成多維數(shù)據(jù)評估體系，為古樹健康診斷、修復(fù)方案制定及保護(hù)效果追蹤提供全流程數(shù)字化決策支持。

“假設(shè)之前給這棵樹做了一個數(shù)字掃描的話，那么，我們就會知道這棵樹是如何慢慢變成這么大樹冠的。這些數(shù)據(jù)除了可以對生態(tài)環(huán)境背景做整體調(diào)查，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)處理和分析之外，也是對這些重要的文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字保存?！痹诠鶓c華看來，假如每一棵古樹都有這樣一份“全息檔案”，古樹可以得到更多的保護(hù)支持。

制作“樹密度地圖”、繪制中國新一代植被圖、研究中國最高樹、為更多古樹做“全息檔案”……“我們最終的目的是要了解中國森林的質(zhì)量?！惫鶓c華解釋，目前，中國人均樹木約為100棵，這個數(shù)據(jù)比幾十年前已經(jīng)有了很大的提升，但無論是森林覆蓋率還是人均樹木占有量，仍與發(fā)達(dá)國家存在距離。

應(yīng)對全球氣候變化，“基于自然的解決方案”是關(guān)鍵行動之一。2022年5月，在世界經(jīng)濟(jì)論壇年會上，中國氣候變化事務(wù)特使解振華代表中國政府提出，將從政策制定、能源轉(zhuǎn)型、森林碳匯三方面采取行動，加強(qiáng)現(xiàn)有森林資源保育，力爭10年內(nèi)植樹700億棵，響應(yīng)“全球植萬億棵樹領(lǐng)軍者倡議”。

“我們還是要繼續(xù)種樹提升綠化水平，但是怎么種樹？我覺得要從以前的數(shù)量擴(kuò)張，轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量增長?！惫鶓c華表示，中國是全球人工林面積最大的國家，但過去對森林資源的統(tǒng)計(jì)更多停留在面積和蓄積量層面，在“雙碳”目標(biāo)下，公眾和政策制定者都需要更精準(zhǔn)的“綠色賬本”——不僅是森林面積，還包括單木級別的碳儲量、生物多樣性支撐能力等。

在郭慶華看來，一系列的研究成果可以識別出生態(tài)脆弱區(qū)和低效林地，“我們近期研究發(fā)現(xiàn)，在中國某些地區(qū)人工林的密度過大，導(dǎo)致其碳匯能力下降了，還需要對該區(qū)域的人工林密度進(jìn)行調(diào)整。樹也不是種得越多越好，也需要調(diào)整樹木的數(shù)量、結(jié)構(gòu)，把經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益達(dá)到最大化。”

“我們希望用先進(jìn)的遙感與AI技術(shù)，研究這個看似簡單卻極具戰(zhàn)略意義的科學(xué)問題。希望更多的公眾能夠了解中國的森林環(huán)境、參與森林保護(hù)。也希望我們能勾畫更多中國大自然的故事?！惫鶓c華想做的事情還有很多。

新京報(bào)記者 楊菲菲

編輯 繆晨霞 校對 翟永軍