郭慶華團(tuán)隊(duì)成員在進(jìn)行野外調(diào)查。
郭慶華（中）與團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行測(cè)量。
郭慶華團(tuán)隊(duì)采集生成的數(shù)據(jù)圖。本文圖片由受訪者提供
推窗見綠，出門見景，成為越來(lái)越多中國(guó)人日常生活的寫照。
截至2023年底，中國(guó)森林覆蓋率超過(guò)25%，森林蓄積量超過(guò)200億立方米，人工林面積居世界首位，成為全球增綠最多的國(guó)家。
在人民日?qǐng)?bào)海外版“俠客島”開展的微博直播連麥中，記者與北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)郭慶華進(jìn)行了交流。
十年“數(shù)”樹
“中國(guó)有多少棵樹？在完成調(diào)查之前，說(shuō)實(shí)話，我對(duì)這個(gè)數(shù)字也沒有概念。”郭慶華說(shuō)，“現(xiàn)在，我可以告訴大家的是，根據(jù)我們的調(diào)查估計(jì)，截至2020年，中國(guó)大約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃?！?
1426億棵，相當(dāng)于中國(guó)人均擁有約100棵樹。
在調(diào)查研究中，郭慶華團(tuán)隊(duì)有很多有意思的發(fā)現(xiàn)——
從植被類型看，寒溫帶針葉林植被區(qū)以約720棵/公頃的樹密度，貢獻(xiàn)了全國(guó)超六成的樹木（約879億棵樹），而暖溫帶落葉闊葉林區(qū)的樹木密度最高，約達(dá)到989棵/公頃。
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(zhǎng)江流域以約496億棵樹的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)位居首位，東南諸河流域、西南諸河流域、珠江流域與松遼流域等均超過(guò)100億棵樹。
從省域看，四川、黑龍江、云南和廣西的樹木總數(shù)超過(guò)100億棵，占全國(guó)總量的32%。其中，四川憑借其復(fù)雜的地形和多樣的氣候條件，樹木數(shù)量居全國(guó)首位。而在人均樹木數(shù)量方面，西藏位列第一，人均擁有近2000棵樹。
中國(guó)這么大，這么多的樹，是怎么“數(shù)”出來(lái)的呢？
“我們通過(guò)科學(xué)抽樣，選取了7.6萬(wàn)多個(gè)樣方，實(shí)地調(diào)查了這些樣方之后，估算出了全國(guó)的樹木總量?！惫鶓c華說(shuō)，“這7萬(wàn)多個(gè)樣方，我們團(tuán)隊(duì)全部走遍了，可以說(shuō)，全國(guó)各地的樹林是我們工作的‘主戰(zhàn)場(chǎng)’。”
做這項(xiàng)調(diào)查，需要時(shí)間。
“前前后后，我們花了10年左右的時(shí)間，采集了400多TB的數(shù)據(jù)?！惫鶓c華說(shuō)，如果以一張照片5M大小計(jì)，400TB相當(dāng)于8000多萬(wàn)張照片的體量。
給樹林做CT
“‘?dāng)?shù)’樹的過(guò)程，形象地說(shuō)，就是給一片樹林做全面的CT掃描?！惫鶓c華說(shuō)。
采集這么多的數(shù)據(jù)，如果光靠肉眼、手持相機(jī)拍攝、紙和筆記錄是遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到的。
給樹林做CT，離不開兩只“眼睛”——一只是空中的，一只是隨身攜帶的。
空中的“眼睛”是無(wú)人機(jī)的激光雷達(dá)傳感器。
“這片樹林面上的整體情況如何，無(wú)人機(jī)在空中飛一下，很快我們就能知道。當(dāng)然，我們用的無(wú)人機(jī)，跟大家平時(shí)拍照用的無(wú)人機(jī)是不一樣的?！惫鶓c華說(shuō)，根據(jù)研究的需要，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一些設(shè)備和工具，將它們掛在無(wú)人機(jī)上，也就是所謂的“載荷”。這里面有激光發(fā)射器，每秒可以發(fā)射出上百萬(wàn)個(gè)激光的脈沖，而且是可以旋轉(zhuǎn)的，能多角度采集數(shù)據(jù)；這里面還有一個(gè)相機(jī)，可以同步拍攝照片、視頻等數(shù)據(jù)，與激光數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充。
隨身攜帶的“眼睛”，是手持設(shè)備中的激光雷達(dá)傳感器。
郭慶華介紹，最早，他們隨身攜帶的是類似于背包的設(shè)備，這幾年迭代到手持大小，更輕便，功能也更豐富了。跟無(wú)人機(jī)上的“載荷”有些類似，手持設(shè)備也是可以同步采集激光和影像數(shù)據(jù)，便于在林下隨走隨拍，效率比以前高了很多。
茂密的樹林，常常在野外。一旦沒信號(hào)怎么辦？設(shè)備豈不是要宕機(jī)？
現(xiàn)在，沒有信號(hào)也不再是問(wèn)題。“無(wú)論是無(wú)人機(jī)還是手持設(shè)備，我們都運(yùn)用了一些技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位。”郭慶華說(shuō)。
一只天上的“眼睛”，能俯瞰下面的情況，另一只是隨身攜帶的“眼睛”，可以平視和仰視，這樣一來(lái)，一片樹林的全景圖就很容易繪制出來(lái)了。
“很自豪地告訴大家，這些設(shè)備和技術(shù)都是我們自主研發(fā)的?！惫鶓c華說(shuō)。
當(dāng)下，人工智能備受關(guān)注，在“數(shù)”樹的過(guò)程中，人工智能也得到了不少應(yīng)用。
在郭慶華看來(lái)，如果說(shuō)激光雷達(dá)和相機(jī)是眼睛，那么AI就是充滿智慧的大腦。
無(wú)論是硬件端，還是軟件端，AI都成了郭慶華團(tuán)隊(duì)的好幫手。
“在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，我們經(jīng)常遇到一個(gè)難題，同一片樹林的地表是有起有伏的，如果要知道這里面每棵樹的高度，顯然不能簡(jiǎn)單地把所有的樹都放在同一個(gè)水平面上來(lái)計(jì)算。因此，我們針對(duì)地形的起伏，把包含相應(yīng)AI算法的模組固化到硬件里面去，這樣便可以在飛行過(guò)程中針對(duì)地形的起伏來(lái)調(diào)整飛行高度，這被稱為仿地飛行?！惫鶓c華說(shuō)。
AI在軟件端的應(yīng)用，就更重要了。
試想，在上千平方公里或者更大面積上采集了這么多數(shù)據(jù)，如果都要靠人工一個(gè)個(gè)去提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的話，那會(huì)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這時(shí)候就需要應(yīng)用AI的一些算法。
“我從許多年前就開始研發(fā)相關(guān)的算法，比如怎么能自動(dòng)提取森林的結(jié)構(gòu)參數(shù)等信息。通俗來(lái)講，我們的研究就是用激光雷達(dá)給樹林做了一個(gè)CT掃描，然后用AI來(lái)讀這個(gè)片子，發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)鍵信息并整理成我們需要的報(bào)告，如樹密度地圖等?！惫鶓c華說(shuō)。
“一件很酷的事”
“十年‘?dāng)?shù)’樹，我們是認(rèn)真的，我覺得我們干了一件很酷的事?！惫鶓c華說(shuō)。
這么多年，不少人問(wèn)過(guò)郭慶華同樣的問(wèn)題：為什么要“數(shù)”樹？
在郭慶華看來(lái)，有兩個(gè)原因——
“第一個(gè)原因，樹的數(shù)量或者叫樹的密度是生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的晴雨表，一個(gè)地方生態(tài)比較好的話，它的樹密度會(huì)比較高一點(diǎn)。反之亦然。第二個(gè)原因，現(xiàn)在全球都面臨著應(yīng)對(duì)氣候變化的時(shí)代課題。中國(guó)作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，這些年人工林的種植面積居世界首位，未來(lái)我們還將繼續(xù)為地球增添綠色?！?
基于這樣的考慮，郭慶華認(rèn)為，要摸清樹木家底十分重要，這樣可以為我們更高質(zhì)量地種樹提供數(shù)據(jù)支撐，比如，在哪里種樹，種什么類型的樹，種多少棵樹等等。“因此，我們團(tuán)隊(duì)許多年如一日，堅(jiān)持做森林研究?！惫鶓c華說(shuō)。
令郭慶華印象最深的，是2023年在西藏自治區(qū)測(cè)量目前中國(guó)最高樹的經(jīng)歷。
“以前開展森林調(diào)查，一個(gè)樣方可能要好幾個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在有了激光雷達(dá)設(shè)備，能縮短到幾分鐘。經(jīng)過(guò)電腦自動(dòng)處理，可以很快獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。”郭慶華說(shuō)，在激光雷達(dá)的幫助下，“尋找最高樹”變成了一個(gè)可重復(fù)的科學(xué)工作。不僅如此，植物生態(tài)學(xué)家也可以在相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行更多深入研究，研究為什么樹能長(zhǎng)這么高，它的限制因子是什么，對(duì)我們理解整個(gè)生態(tài)的機(jī)理也有一定的幫助。
樹木不僅是森林的基本組成單元，更是地球生態(tài)系統(tǒng)的“穩(wěn)定器”。當(dāng)前，各國(guó)紛紛響應(yīng)“全球種植萬(wàn)億棵樹”倡議，共同應(yīng)對(duì)氣候變化、助力生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)。中國(guó)也在為“未來(lái)十年種植、保護(hù)和恢復(fù)700億棵樹”的目標(biāo)而不斷努力。
“我們團(tuán)隊(duì)的研究成果為上述目標(biāo)提供了有益的科學(xué)支撐。通過(guò)精準(zhǔn)掌握全國(guó)范圍內(nèi)的樹木密度分布，相關(guān)部門與科研單位能夠更科學(xué)地規(guī)劃造林區(qū)域，提升種植成效，避免盲目和浪費(fèi)。讓高精度數(shù)據(jù)與智能模型深度融合，就是為了讓每一棵樹都能在最合適的地方扎根成長(zhǎng)，切實(shí)發(fā)揮生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為全球生態(tài)可持續(xù)管理與治理貢獻(xiàn)‘中國(guó)方案’?！惫鶓c華說(shuō)。
迄今，郭慶華和激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)打了20多年交道。“作為科研工作者，我們希望能夠通過(guò)自己的研究，為地球的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。”郭慶華說(shuō)。（劉發(fā)為）
