郭慶華團隊成員在進(jìn)行野外調查。
郭慶華（中）與團隊在進(jìn)行測量。
郭慶華團隊采集生成的數據圖。本文圖片由受訪(fǎng)者提供
推窗見(jiàn)綠，出門(mén)見(jiàn)景，成為越來(lái)越多中國人日常生活的寫(xiě)照。
截至2023年底，中國森林覆蓋率超過(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家。
在人民日報海外版“俠客島”開(kāi)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研究所所長(cháng)郭慶華進(jìn)行了交流。
十年“數”樹(shù)
“中國有多少棵樹(shù)？在完成調查之前，說(shuō)實(shí)話(huà)，我對這個(gè)數字也沒(méi)有概念?！惫鶓c華說(shuō)，“現在，我可以告訴大家的是，根據我們的調查估計，截至2020年，中國大約有1426億棵樹(shù)，平均樹(shù)密度約為689棵/公頃?！?
1426億棵，相當于中國人均擁有約100棵樹(shù)。
在調查研究中，郭慶華團隊有很多有意思的發(fā)現——
從植被類(lèi)型看，寒溫帶針葉林植被區以約720棵/公頃的樹(shù)密度，貢獻了全國超六成的樹(shù)木（約879億棵樹(shù)），而暖溫帶落葉闊葉林區的樹(shù)木密度最高，約達到989棵/公頃。
從地理區域看，西南地區樹(shù)最多，約360億棵；東北、東南和西南地區的樹(shù)木數量和密度，顯著(zhù)高于北方和西北地區。從流域看，長(cháng)江流域以約496億棵樹(shù)的絕對優(yōu)勢位居首位，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(shù)。
從省域看，四川、黑龍江、云南和廣西的樹(shù)木總數超過(guò)100億棵，占全國總量的32%。其中，四川憑借其復雜的地形和多樣的氣候條件，樹(shù)木數量居全國首位。而在人均樹(shù)木數量方面，西藏位列第一，人均擁有近2000棵樹(shù)。
中國這么大，這么多的樹(shù)，是怎么“數”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)地調查了這些樣方之后，估算出了全國的樹(shù)木總量?！惫鶓c華說(shuō)，“這7萬(wàn)多個(gè)樣方，我們團隊全部走遍了，可以說(shuō)，全國各地的樹(shù)林是我們工作的‘主戰場(chǎng)’?！?
做這項調查，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的數據?！惫鶓c華說(shuō)，如果以一張照片5M大小計，400TB相當于8000多萬(wàn)張照片的體量。
給樹(shù)林做CT
“‘數’樹(shù)的過(guò)程，形象地說(shuō)，就是給一片樹(shù)林做全面的CT掃描?！惫鶓c華說(shuō)。
采集這么多的數據，如果光靠肉眼、手持相機拍攝、紙和筆記錄是遠遠做不到的。
給樹(shù)林做CT，離不開(kāi)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)人機的激光雷達傳感器。
“這片樹(shù)林面上的整體情況如何，無(wú)人機在空中飛一下，很快我們就能知道。當然，我們用的無(wú)人機，跟大家平時(shí)拍照用的無(wú)人機是不一樣的?！惫鶓c華說(shuō)，根據研究的需要，團隊研發(fā)了一些設備和工具，將它們掛在無(wú)人機上，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，而且是可以旋轉的，能多角度采集數據；這里面還有一個(gè)相機，可以同步拍攝照片、視頻等數據，與激光數據互為補充。
隨身攜帶的“眼睛”，是手持設備中的激光雷達傳感器。
郭慶華介紹，最早，他們隨身攜帶的是類(lèi)似于背包的設備，這幾年迭代到手持大小，更輕便，功能也更豐富了。跟無(wú)人機上的“載荷”有些類(lèi)似，手持設備也是可以同步采集激光和影像數據，便于在林下隨走隨拍，效率比以前高了很多。
茂密的樹(shù)林，常常在野外。一旦沒(méi)信號怎么辦？設備豈不是要宕機？
現在，沒(méi)有信號也不再是問(wèn)題?！盁o(wú)論是無(wú)人機還是手持設備，我們都運用了一些技術(shù)，可以實(shí)現準確的坐標定位?！惫鶓c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(shù)林的全景圖就很容易繪制出來(lái)了。
“很自豪地告訴大家，這些設備和技術(shù)都是我們自主研發(fā)的?！惫鶓c華說(shuō)。
當下，人工智能備受關(guān)注，在“數”樹(shù)的過(guò)程中，人工智能也得到了不少應用。
在郭慶華看來(lái)，如果說(shuō)激光雷達和相機是眼睛，那么AI就是充滿(mǎn)智慧的大腦。
無(wú)論是硬件端，還是軟件端，AI都成了郭慶華團隊的好幫手。
“在實(shí)際測量過(guò)程中，我們經(jīng)常遇到一個(gè)難題，同一片樹(shù)林的地表是有起有伏的，如果要知道這里面每棵樹(shù)的高度，顯然不能簡(jiǎn)單地把所有的樹(shù)都放在同一個(gè)水平面上來(lái)計算。因此，我們針對地形的起伏，把包含相應AI算法的模組固化到硬件里面去，這樣便可以在飛行過(guò)程中針對地形的起伏來(lái)調整飛行高度，這被稱(chēng)為仿地飛行?！惫鶓c華說(shuō)。
AI在軟件端的應用，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據，如果都要靠人工一個(gè)個(gè)去提取關(guān)鍵數據點(diǎn)的話(huà)，那會(huì )非常費時(shí)費力，這時(shí)候就需要應用AI的一些算法。
“我從許多年前就開(kāi)始研發(fā)相關(guān)的算法，比如怎么能自動(dòng)提取森林的結構參數等信息。通俗來(lái)講，我們的研究就是用激光雷達給樹(shù)林做了一個(gè)CT掃描，然后用AI來(lái)讀這個(gè)片子，發(fā)現其中的關(guān)鍵信息并整理成我們需要的報告，如樹(shù)密度地圖等?！惫鶓c華說(shuō)。
“一件很酷的事”
“十年‘數’樹(shù)，我們是認真的，我覺(jué)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”樹(shù)？
在郭慶華看來(lái)，有兩個(gè)原因——
“第一個(gè)原因，樹(shù)的數量或者叫樹(shù)的密度是生態(tài)系統質(zhì)量的晴雨表，一個(gè)地方生態(tài)比較好的話(huà)，它的樹(shù)密度會(huì )比較高一點(diǎn)。反之亦然。第二個(gè)原因，現在全球都面臨著(zhù)應對氣候變化的時(shí)代課題。中國作為一個(gè)負責任的大國，這些年人工林的種植面積居世界首位，未來(lái)我們還將繼續為地球增添綠色?！?
基于這樣的考慮，郭慶華認為，要摸清樹(shù)木家底十分重要，這樣可以為我們更高質(zhì)量地種樹(shù)提供數據支撐，比如，在哪里種樹(shù)，種什么類(lèi)型的樹(shù)，種多少棵樹(shù)等等?！耙虼?，我們團隊許多年如一日，堅持做森林研究?！惫鶓c華說(shuō)。
令郭慶華印象最深的，是2023年在西藏自治區測量目前中國最高樹(shù)的經(jīng)歷。
“以前開(kāi)展森林調查，一個(gè)樣方可能要好幾個(gè)小時(shí)，現在有了激光雷達設備，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)數據?！惫鶓c華說(shuō)，在激光雷達的幫助下，“尋找最高樹(shù)”變成了一個(gè)可重復的科學(xué)工作。不僅如此，植物生態(tài)學(xué)家也可以在相關(guān)數據基礎上進(jìn)行更多深入研究，研究為什么樹(shù)能長(cháng)這么高，它的限制因子是什么，對我們理解整個(gè)生態(tài)的機理也有一定的幫助。
樹(shù)木不僅是森林的基本組成單元，更是地球生態(tài)系統的“穩定器”。當前，各國紛紛響應“全球種植萬(wàn)億棵樹(shù)”倡議，共同應對氣候變化、助力生態(tài)系統修復。中國也在為“未來(lái)十年種植、保護和恢復700億棵樹(shù)”的目標而不斷努力。
“我們團隊的研究成果為上述目標提供了有益的科學(xué)支撐。通過(guò)精準掌握全國范圍內的樹(shù)木密度分布，相關(guān)部門(mén)與科研單位能夠更科學(xué)地規劃造林區域，提升種植成效，避免盲目和浪費。讓高精度數據與智能模型深度融合，就是為了讓每一棵樹(shù)都能在最合適的地方扎根成長(cháng)，切實(shí)發(fā)揮生態(tài)與經(jīng)濟價(jià)值，為全球生態(tài)可持續管理與治理貢獻‘中國方案’?！惫鶓c華說(shuō)。
迄今，郭慶華和激光雷達技術(shù)已經(jīng)打了20多年交道?！白鳛榭蒲泄ぷ髡?，我們希望能夠通過(guò)自己的研究，為地球的可持續發(fā)展貢獻一份力量?！惫鶓c華說(shuō)。（劉發(fā)為）
