北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)郭慶華

十年“數(shù)”遍神州樹(shù)，“拼”出森林全景圖

中國(guó)到底有多少棵樹(shù)？

在一張地圖上，呈現(xiàn)出深淺各異的綠色，可以明顯地看到，南部和東北部會(huì)更綠……這是我國(guó)第一張“樹(shù)密度地圖”，它測(cè)算出960多萬(wàn)平方公里土地上的樹(shù)木覆蓋情況——截至2020年，我國(guó)約有1426億棵樹(shù)，平均樹(shù)密度約為每公頃689棵，相當(dāng)于人均擁有約100棵樹(shù)。這張“樹(shù)密度地圖”今年4月由北京大學(xué)郭慶華團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)發(fā)布。

制作“樹(shù)密度地圖”、探索“樹(shù)有多高”，10余年的努力與堅(jiān)持，北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)郭慶華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，取得一個(gè)個(gè)突破性成果。

通過(guò)掃描森林，用AI算法“看片子”、“數(shù)”樹(shù)，最后用衛(wèi)星遙感“拼”出全國(guó)的森林全景圖

這張“樹(shù)密度地圖”，直觀呈現(xiàn)出我國(guó)樹(shù)木分布的具體情況——

從地理區(qū)域看，西南地區(qū)樹(shù)最多，約360億棵；東北、東南和西南地區(qū)的樹(shù)木數(shù)量和密度，顯著高于北方和西北地區(qū)；

從流域看，長(zhǎng)江流域以約496億棵樹(shù)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)位居首位。

制作“樹(shù)密度地圖”，郭慶華和團(tuán)隊(duì)前后花了10年時(shí)間。

“我們使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)傳感器，飛越目標(biāo)林區(qū)，通過(guò)掃描森林，用AI算法‘看片子’、‘?dāng)?shù)’樹(shù)，最后用衛(wèi)星遙感‘拼’出全國(guó)的森林全景圖?！惫鶓c華介紹。

“我們的樣方是1公頃，同時(shí)，在樣方的選擇上，不僅要考慮樹(shù)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(wàn)多個(gè)樣方，最終采集了400多太字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果以一張照片5兆字節(jié)大小計(jì)，400太字節(jié)，相當(dāng)于8000多萬(wàn)張照片的體量。

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)。

2018年起，郭慶華與300多名植物學(xué)專家、青年學(xué)者一起，利用衛(wèi)星遙感和激光雷達(dá)等近地面遙感技術(shù)，對(duì)中國(guó)植被數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效采集。

“我們的最終目的，是摸清中國(guó)森林資源的家底。”郭慶華表示，過(guò)去對(duì)森林資源的統(tǒng)計(jì)，更多會(huì)停留在面積和蓄積量方面；在“雙碳”目標(biāo)下，需要更精準(zhǔn)的“綠色賬本”，追求更優(yōu)的生態(tài)效益，“譬如說(shuō)，在一個(gè)地方種什么樹(shù)、種多少樹(shù)是最適宜的，這些都是要研究的目標(biāo)”。

激光雷達(dá)使人們“看清楚”樹(shù)有多高、多粗，樹(shù)冠有多大

郭慶華主要研究遙感和地理信息系統(tǒng)方法及其在生態(tài)與環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查，主要是通過(guò)人工測(cè)量方式，獲取樣方內(nèi)的樹(shù)木數(shù)量、胸徑、高度等參數(shù)，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行大面積推算。

在郭慶華看來(lái)，人工測(cè)量的方法具有較高準(zhǔn)確性，但在效率、更新速度、代表性和三維信息的完整性方面，仍存在一些局限?！皞鹘y(tǒng)方法很難獲取森林的立體結(jié)構(gòu)，比如冠層信息、空間分布等?！惫鶓c華說(shuō)。

激光雷達(dá)是一種高精度的三維測(cè)量手段。“通過(guò)向地面上的目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，并記錄其返回時(shí)間，結(jié)合導(dǎo)航定位定姿系統(tǒng)，可以獲得從樹(shù)頂?shù)降孛娴脑敿?xì)三維結(jié)構(gòu)信息。激光雷達(dá)使人們‘看清楚’樹(shù)有多高、多粗，樹(shù)冠有多大?！惫鶓c華介紹。

過(guò)去，國(guó)內(nèi)移動(dòng)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，價(jià)格較高且后期數(shù)據(jù)處理軟件欠缺，軟硬件智能化不強(qiáng)，難以適應(yīng)復(fù)雜的地形與林況?！拔覀円欢ㄒ灾餮邪l(fā)出讓科學(xué)家都能用得上的激光雷達(dá)軟硬件系統(tǒng)?！惫鶓c華下定決心。

多年來(lái)，郭慶華團(tuán)隊(duì)攻克了激光雷達(dá)硬件系統(tǒng)集成、海量數(shù)據(jù)采集和處理的算法自動(dòng)化等難題，自主研發(fā)了空地一體化遙感平臺(tái)，包括無(wú)人機(jī)、背包、手持和車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，集成數(shù)碼相機(jī)、慣性導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)、多光譜傳感器等多種設(shè)備。這一平臺(tái)不僅輕便靈活，還能在林下定位信號(hào)丟失、平臺(tái)穩(wěn)定性差等條件下實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。

此外，郭慶華團(tuán)隊(duì)還面向全國(guó)高校和科研機(jī)構(gòu)師生開(kāi)設(shè)激光雷達(dá)森林生態(tài)應(yīng)用培訓(xùn)，10年來(lái)，線上線下共培訓(xùn)兩三萬(wàn)人，推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)在森林生態(tài)方面的應(yīng)用與普及。

在郭慶華看來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)將讓人類看見(jiàn)地球家園更多細(xì)微的變化，從而更珍視和保護(hù)它。

不斷探索“樹(shù)有多高”，也是為了喚起更多人對(duì)大自然的熱愛(ài)

樹(shù)能長(zhǎng)到多高？

依托自主研發(fā)的激光雷達(dá)軟硬件系統(tǒng)，2022年4月，郭慶華團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)呂植團(tuán)隊(duì)等組成聯(lián)合調(diào)查隊(duì)，開(kāi)始了探索之旅。

通過(guò)衛(wèi)星圖，隊(duì)員們將目標(biāo)鎖定在西藏、云南一帶的山谷中。高大的樹(shù)木大多生長(zhǎng)在人跡罕至的原始森林中，山勢(shì)陡峭，行走困難。茂密的草叢中有時(shí)還會(huì)突然竄出毒蛇，得格外小心。有一回，在攀爬一個(gè)傾斜角度較大的斜坡時(shí)，郭慶華手拉的藤蔓突然松動(dòng)，差點(diǎn)掉入山谷。

功夫不負(fù)有心人。2023年5月，在西藏林芝市波密縣通麥鎮(zhèn)境內(nèi)，隊(duì)員們發(fā)現(xiàn)了一棵高達(dá)102.3米的西藏柏木，它是目前已知的亞洲第一高樹(shù)。

“樹(shù)非常龐大，支撐根像一座巨大的雕塑。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院特聘副研究員任淯記憶猶新，站在樹(shù)下，隊(duì)員們既震撼又興奮。令人驚喜的是，隊(duì)員們還發(fā)現(xiàn)了大量高度在85米以上的樹(shù)木，其中包含25棵90米以上高樹(shù)。

“我們采用無(wú)人機(jī)搭載高清相機(jī)，從樹(shù)底部起飛，停留在不同高度進(jìn)行拍攝，最后拍攝了160多張照片，將照片拼接后形成巨樹(shù)的‘等身照’?！惫鶓c華說(shuō)。

“未來(lái)我們還會(huì)繼續(xù)在這個(gè)區(qū)域搜尋，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)更高的樹(shù)?！惫鶓c華說(shuō)，“下一步，我們還將深入研究：這棵樹(shù)為什么長(zhǎng)這么高？最上端的葉片通過(guò)什么途徑吸收水分？”

“一棵大樹(shù)的生長(zhǎng)，往往需要上百年甚至千年，不斷探索‘樹(shù)有多高’，也是為了喚起更多人對(duì)大自然的熱愛(ài)?！惫鶓c華表示。（施芳 董絲雨）