北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長郭慶華
十年“數(shù)”遍神州樹，“拼”出森林全景圖
中國到底有多少棵樹？

在一張地圖上，呈現(xiàn)出深淺各異的綠色，可以明顯地看到，南部和東北部會更綠……這是我國第一張“樹密度地圖”，它測算出960多萬平方公里土地上的樹木覆蓋情況——截至2020年，我國約有1426億棵樹，平均樹密度約為每公頃689棵，相當(dāng)于人均擁有約100棵樹。這張“樹密度地圖”今年4月由北京大學(xué)郭慶華團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)發(fā)布。

制作“樹密度地圖”、探索“樹有多高”，10余年的努力與堅持，北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長郭慶華帶領(lǐng)團(tuán)隊，取得一個個突破性成果。

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

這張“樹密度地圖”，直觀呈現(xiàn)出我國樹木分布的具體情況——

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

從流域看，長江流域以約496億棵樹的絕對優(yōu)勢位居首位。

制作“樹密度地圖”，郭慶華和團(tuán)隊前后花了10年時間。

“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)，通過掃描森林，用AI算法‘看片子’、‘?dāng)?shù)’樹，最后用衛(wèi)星遙感‘拼’出全國的森林全景圖?！惫鶓c華介紹。

“我們的樣方是1公頃，同時，在樣方的選擇上，不僅要考慮樹種，還要兼顧不同的地區(qū)類型。”郭慶華表示，團(tuán)隊成員走遍了7萬多個樣方，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，400太字節(jié)，相當(dāng)于8000多萬張照片的體量。

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)，對中國植被數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效采集。

“我們的最終目的，是摸清中國森林資源的家底?！惫鶓c華表示，過去對森林資源的統(tǒng)計，更多會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，在一個地方種什么樹、種多少樹是最適宜的，這些都是要研究的目標(biāo)”。

激光雷達(dá)使人們“看清楚”樹有多高、多粗，樹冠有多大

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，主要是通過人工測量方式，獲取樣方內(nèi)的樹木數(shù)量、胸徑、高度等參數(shù)，再通過統(tǒng)計方法進(jìn)行大面積推算。

在郭慶華看來，人工測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。

激光雷達(dá)是一種高精度的三維測量手段?！巴ㄟ^向地面上的目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，并記錄其返回時間，結(jié)合導(dǎo)航定位定姿系統(tǒng)，可以獲得從樹頂?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’樹有多高、多粗，樹冠有多大。”郭慶華介紹。

過去，國內(nèi)移動激光雷達(dá)測量系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，價格較高且后期數(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。“我們一定要自主研發(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，郭慶華團(tuán)隊攻克了激光雷達(dá)硬件系統(tǒng)集成、海量數(shù)據(jù)采集和處理的算法自動化等難題，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)定性差等條件下實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。

此外，郭慶華團(tuán)隊還面向全國高校和科研機(jī)構(gòu)師生開設(shè)激光雷達(dá)森林生態(tài)應(yīng)用培訓(xùn)，10年來，線上線下共培訓(xùn)兩三萬人，推動激光雷達(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，激光雷達(dá)技術(shù)將讓人類看見地球家園更多細(xì)微的變化，從而更珍視和保護(hù)它。

不斷探索“樹有多高”，也是為了喚起更多人對大自然的熱愛

樹能長到多高？

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)隊與北京大學(xué)呂植團(tuán)隊等組成聯(lián)合調(diào)查隊，開始了探索之旅。

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

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。

“樹非常龐大，支撐根像一座巨大的雕塑?！北本┐髮W(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院特聘副研究員任淯記憶猶新，站在樹下，隊員們既震撼又興奮。令人驚喜的是，隊員們還發(fā)現(xiàn)了大量高度在85米以上的樹木，其中包含25棵90米以上高樹。

“我們采用無人機(jī)搭載高清相機(jī)，從樹底部起飛，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的‘等身照’。”郭慶華說。

“未來我們還會繼續(xù)在這個區(qū)域搜尋，也許會發(fā)現(xiàn)更高的樹。”郭慶華說，“下一步，我們還將深入研究：這棵樹為什么長這么高？最上端的葉片通過什么途徑吸收水分？”

“一棵大樹的生長，往往需要上百年甚至千年，不斷探索‘樹有多高’，也是為了喚起更多人對大自然的熱愛。”郭慶華表示。（施芳 董絲雨）