粗粝的树干笔直地伸向天空，巨大的树冠掩藏了天空，细碎的阳光穿过树叶的缝隙，巨树森林中布满着来自西北太平洋的潮湿空气……这里是美国加利福尼亚州的红杉树国度公园，有着目前世界上已知的最高树亥伯龙树。

在美国加州大学默塞德分校任教时，北京大学传授、遥感与地理信息研讨所所长郭庆华曾一次又一次来到这片神奇的森林，在被大天然的神奇震动的同时，他也在思考：为甚么这里的树可以长这么高、水份怎样输送到树顶端、面前有哪些生态机制……

彼时的他可能没有会想到，回国十余年后，通过团队自主研发的激光雷达零碎，他在西藏，一个与加州气象迥异的处所，发明了高达102.3米的西藏柏木，刷新按树种排名的世界最高树列表，他也成为亚洲第一高树的发明者。也是得益于这项技能，郭庆华和团队成员首次对天下树木数目举行了精细测算并绘制出首张“树密度地图”——停止2020年，天下约有1426亿棵树，平均树密度约为689棵/公顷。

怎样数清我国到底有若干树木？怎样数出一棵棵树？面前有哪些科技助力？近日，新京报记者专访了郭庆华，试图找到问题的答案。

花十年时候，用卫星遥感“拼出”天下森林全景

一张我国地图上，分布着深深浅浅的绿色，可以显着看到，南部和西南部被绿色笼盖。这张看似没有起眼的地图，倒是我国第一张“树密度地图”：它精准测算出了960万平方公里地皮上的树木笼盖环境：停止2020年，天下约有1426亿棵树，平均树密度约为689棵/公顷，相当于我国人均拥有约100棵树。

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郭庆华团队绘制的我国首张“树密度地图”。受访者供图

这张图就“存放”在郭庆华办公室的电脑里，是他和团队成员十余年来专心研讨的成果之一。郭庆华告诉记者，这张地图既包含了我国森林的全体分布环境，也涵盖了每一个位置有若干棵树的信息。

更多的信息可以从这张图上阐明出来，比如，从流域看，长江流域以约496亿棵树的相对优势位居首位；从省域看，四川、黑龙江、云南和广西的树木总数超过100亿棵，占天下总量的32%。四川树木数目居天下首位，西藏人均树木数目位列第1、人均拥有近2000棵树。

建造一张树密度地图必要多久？郭庆华和团队成员前前后后耗费了十年时候。没有过，地图上这1426亿棵树却没有是一棵棵数出来的，“我们用无人机和激光雷达，像‘照CT’一样扫描森林，用AI算法‘看片子’、数树，最后用卫星遥感‘拼出’天下的森林全景。”

“我们使用无人机搭载激光雷达传感器，飞越目标林区。激光雷达通过发射激光脉冲，测量激光从地面和树冠返回的时候，从而猎取森林的三维点云数据。这些点云就像人体CT扫描得到的断层图，可以或许细致反映森林中每棵树的位置、形状和高度。”郭庆华表明道，通过在天下典型森林范围内的持续扫描，猎取了7万多个1公顷的无人机激光雷达样方数据。

此后，基于样方数据，利用自研的基于AI的单木分割算法，对每一个样方举行单株树木的提取，并统计样方内树木的数目，构建了相当于7万多个含有树木数目的样本库。

最后，借助卫星遥感数据，猎取空间连续的笼盖天下森林范围的数据，再通过AI模型构建真实样地树木数目与卫星数据之间的关系，便可以实现天下森林树木数目的估算。

说起来简朴的测量历程，面前是科研工作者十年如一日“坐冷板凳”的坚持。

以往林业观察多是野生举行，样方巨细定为一亩，再缩小至天下就已经很大了。“我们的样方是1公顷（约等于15亩），同时在样方的选择上没有但要分身树种，还要分身分歧的区域类型。”郭庆华表示，团队成员走遍了7万多个样方，前前后后耗费了10年时候，终究收罗了400多TB的数据。若是以一张照片5M巨细计，400TB相当于8000多万张照片的体量。

与此同时，AI模型的构建也是如此。“并没有现成的模型可以用。我们就是赓续用样方的数据和对应的遥感数据去训练AI算法，根据考证的精度建立起一个最优的模型。”郭庆华表明道。

实地测量中也遍布挑战，天气、空气湿度等都影响测量精度，比如雨雪和雾霾会散射或汲取激光信号，导致点云噪声或数据缺失；强风可能影响无人机稳定性，造成扫描偏偏差等。“针对恶劣天气，我们举行了技能开发，就目前来说，我们的设备已经初步具有在雨天、风沙天气等环境下的工作本领。”

最大的挑战在于中下层树木被冠层遮挡，难以通过激光雷达完备辨认。郭庆华表示，通过点云优化处理与野生考证校订参数，同时在模型集成阶段引入没有肯定性估计，终究有效降低了估算偏偏差。

激光雷达技能可以“透视”森林，将树高、树冠巨细等信息清楚表现出来。受访者供图

复制现实世界的激光雷达技能

在树木测量历程中，激光雷达技能是枢纽。

郭庆华把它描述为“对物理现实世界的数字复制技能”。它能“透视”森林内部结构，激光雷达会发出上百万束激光，每束都能穿透森林冠层，猎取到从树顶到地面的细致结构信息。区分率可以达到厘米级别，没有但能瞥见每棵树，还能“看清楚”树有多高、有多粗、树冠多大。已往近20年的时候里，郭庆华一直努力于将三维激光雷达技能用于生态学范畴，领导团队举行相干仪器的软硬件研发。

对付森林资源观察而言，第一个问题就是怎样保证数据猎取的高效性与精准性。传统的森林资源观察首要依附地面样地观察，通过野生测量样方内的树木数目、胸径、高度等参数，再通过统计要领举行区域性推算。

在郭庆华看来，野生测量的要领虽然准确，但存在效率低、更新慢、代表性差、结构性信息没有完备等显着范围，“传统要领很难猎取森林的平面结构，比如冠层条理、空间分布等。”

然而，其时，海内森林计测仪器多依附昂贵的进口设备，且功能单一，难以适应复杂林况。为此，郭庆华团队自主研发了空地一体化遥感平台，包括无人机、背包、手持和车载激光雷达零碎，集成CCD相机、高光谱传感器等多种设备。这一平台没有但轻便灵活，还能在林下定位信号丧失、平台稳定性差等条件下实现高精度数据收罗。

郭庆华表明，激光雷达技能素质上是一种高精度的三维测量手段，通过高速发射激光脉冲，并记录其返回时候，连系定位零碎，构建出笼盖森林下层冠层到地表的高密度三维点云数据。这些点云没有但能反映每棵树的空间位置、高度和冠幅，还可在野生智能算法的辅助下辨认单株树木并估算胸径等枢纽结构参数。

“它能精准到甚么程度呢？比如我国的最高树是102.3米，从技能的概念来讲，对付最高树范围内可以或许达到每平方米2万个点，整棵树的三维结构看得一览无余，也就是说，测量这个树高的偏偏差，没有会超过一个厘米级的偏偏差。”郭庆华口中的最高树位于西藏林芝，是一棵西藏柏木，2023年由团结观察团队利用无人机激光雷达测定。

从2022年起，郭庆华团队使用自研的无人机激光雷达、背包激光雷达，与北京大学吕植团队、西子江生态保育中央、山川天然珍爱中央、北京数字绿土科技股分有限公司组成团结观察队探求高树、测量树高，将我国“树王”的准确身高从76.8米刷新到2023年的102.3米。

在郭庆华看来，巨树的存在没有但仅在生态学上具有紧张意义，也与外地的文明和人地关系密切相干。“在西藏墨脱、察隅和波密等地的野外考察历程中，我们曾在一些巨树下发明了经幡。经幡的存在，反映了外地多民族社区对天然的崇敬与珍爱。”郭庆华表示，这些区域是多民族聚居的处所，他们共同生活在这片神奇而原始的天然环境中，外地的宗教信仰，深深影响了他们与天然的关系，他们认为这些树木和地点的森林没有但是天然资源，更是神圣的存在，因此，他们基于文明和宗教信仰举行自发珍爱。

郭庆华表示，在生态珍爱的历程中，怎样均衡古代发展与传统文明珍爱，可以通过科技手段确保这些珍稀资源的可持续性，同时也要恭敬外地大众对付巨树的崇拜和珍爱，与外地大众合作举行生态珍爱，“这也会成为我们未来研讨和珍爱工作的重点。这一切没有但关乎科学的进步，也关乎人类与天然和谐共生的未来。”

为实现“双碳”目标提供更精准的“绿色账本”

得益于激光雷达技能，更多的科研成果正在陆续浮现出来。

从2018年起，在中科院地球大数据科学工程项目支持下，郭庆华作为“新一代我国植被图绘制”首要担任人之一，团结我国各地300多名动物学专家与青年学者，利用卫星遥感和激光雷达、手机运用等近地面遥感技能，开展了对我国植被数据的高效收罗。他泄漏，更高区分率、更准确的新一代我国植被图将完成。这间隔我国上一代植被图绘制已已往了40多年。

“在这四十多年的发展中，植被类型已经发生了巨大的变化，我们之前的一项比拟研讨中发明，仅从地皮笼盖这个角度，我国现有的类型有50%摆布发生了转变，因此，亟须对该植被图举行更新。”

在陕西省黄陵县轩辕庙内有一棵黄帝手植柏，相传这棵树是中华民族鼻祖轩辕黄帝亲手种下的，距今已稀有千年。这棵古柏树高19.4米，树干胸围达到8.6米，平均冠幅18.1米，树冠笼盖面积约178平方米，被誉为“世界柏树之父”，也是目前已知树龄最长的柏树之一。

得益于激光雷达的亿万高精度点云和3D高斯泼溅（3DGS）的动态粒子建模，这棵轩辕柏的树高、胸径、冠幅等多项参数可以自动较量争论出来，古树根系、主干、枝杈乃至表皮纹理等信息在电脑上有了记录，这份“全息档案”形成多维数据评估体系，为古树康健诊断、修复计划订定及珍爱结果追踪提供全流程数字化决议支持。

“假定之前给这棵树做了一个数字扫描的话，那么，我们就会知道这棵树是怎样慢慢酿成这么大树冠的。这些数据除了可以对生态环境背景做全体观察，对数据举行精准处理和阐明以外，也是对这些紧张的文明遗产举行数字保存。”在郭庆华看来，假如每棵古树都有这样一份“全息档案”，古树可以得到更多的珍爱支持。

建造“树密度地图”、绘制我国新一代植被图、研讨我国最高树、为更多古树做“全息档案”……“我们终究的目标是要相识我国森林的质量。”郭庆华表明，目前，我国人均树木约为100棵，这个数据比几十年前已经有了很大的提拔，但没有管是森林笼盖率还是人均树木占有量，仍与发达国度存在间隔。

应对环球气象变化，“基于天然的解决计划”是枢纽举措之一。2022年5月，在世界经济论坛年会上，我国气象变化事务特使解振华代表我国当局提出，将从政策订定、能源转型、森林碳汇三方面采用举措，加强现有森林资源保育，力图10年内植树700亿棵，响应“环球植万亿棵树领军者倡议”。

“我们还是要继续种树提拔绿化水平，但是怎样种树？我觉得要从从前的数目扩张，转变为质量增长。”郭庆华表示，我国是环球野生林面积最大的国度，但已往对森林资源的统计更多停留在面积和蓄积量层面，在“双碳”目标下，"大众和政策订定者都必要更精准的“绿色账本”——没有但是森林面积，还包括单木级别的碳储量、生物多样性支撑本领等。

在郭庆华看来，一系列的研讨成果可以辨认出生态懦弱区和低效林地，“我们近期研讨发明，在我国某些区域野生林的密度过大，导致其碳汇本领下降了，还必要对该区域的野生林密度举行调解。树也没有是种得越多越好，也必要调解树木的数目、结构，把经济效益、生态效益达到最大化。”

公布于：北京市