郭慶華團隊成員在進行野外調查。
郭慶華（中）與團隊在進行測量。
郭慶華團隊采集生成的數(shù)據(jù)圖。本文圖片由受訪者提供
推窗見綠，出門見景，成為越來越多中國人日常生活的寫照。
截至2023年底，中國森林覆蓋率超過25%，森林蓄積量超過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”開展的微博直播連麥中，記者與北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長郭慶華進行了交流。
十年“數(shù)”樹
“中國有多少棵樹？在完成調查之前，說實話，我對這個數(shù)字也沒有概念。”郭慶華說，“現(xiàn)在，我可以告訴大家的是，根據(jù)我們的調查估計，截至2020年，中國大約有1426億棵樹，平均樹密度約為689棵/公頃。”
1426億棵，相當于中國人均擁有約100棵樹。
在調查研究中，郭慶華團隊有很多有意思的發(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，貢獻了全國超六成的樹木（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，長江流域以約496億棵樹的絕對優(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，樹木數(shù)量居全國首位。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。
中國這么大，這么多的樹，是怎么“數(shù)”出來的呢？
“我們通過科學抽樣，選取了7.6萬多個樣方，實地調查了這些樣方之后，估算出了全國的樹木總量。”郭慶華說，“這7萬多個樣方，我們團隊全部走遍了，可以說，全國各地的樹林是我們工作的‘主戰(zhàn)場’。”
做這項調查，需要時間。
“前前后后，我們花了10年左右的時間，采集了400多TB的數(shù)據(jù)。”郭慶華說，如果以一張照片5M大小計，400TB相當于8000多萬張照片的體量。
給樹林做CT
“‘數(shù)’樹的過程，形象地說，就是給一片樹林做全面的CT掃描。”郭慶華說。
采集這么多的數(shù)據(jù)，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”是無人機的激光雷達傳感器。
“這片樹林面上的整體情況如何，無人機在空中飛一下，很快我們就能知道。當然，我們用的無人機，跟大家平時拍照用的無人機是不一樣的。”郭慶華說，根據(jù)研究的需要，團隊研發(fā)了一些設備和工具，將它們掛在無人機上，也就是所謂的“載荷”。這里面有激光發(fā)射器，每秒可以發(fā)射出上百萬個激光的脈沖，而且是可以旋轉的，能多角度采集數(shù)據(jù)；這里面還有一個相機，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。跟無人機上的“載荷”有些類似，手持設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。一旦沒信號怎么辦？設備豈不是要宕機？
現(xiàn)在，沒有信號也不再是問題。“無論是無人機還是手持設備，我們都運用了一些技術，可以實現(xiàn)準確的坐標定位。”郭慶華說。
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，一片樹林的全景圖就很容易繪制出來了。
“很自豪地告訴大家，這些設備和技術都是我們自主研發(fā)的。”郭慶華說。
當下，人工智能備受關注，在“數(shù)”樹的過程中，人工智能也得到了不少應用。
在郭慶華看來，如果說激光雷達和相機是眼睛，那么AI就是充滿智慧的大腦。
無論是硬件端，還是軟件端，AI都成了郭慶華團隊的好幫手。
“在實際測量過程中，我們經(jīng)常遇到一個難題，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，顯然不能簡單地把所有的樹都放在同一個水平面上來計算。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程中針對地形的起伏來調整飛行高度，這被稱為仿地飛行。”郭慶華說。
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(shù)據(jù)，如果都要靠人工一個個去提取關鍵數(shù)據(jù)點的話，那會非常費時費力，這時候就需要應用AI的一些算法。
“我從許多年前就開始研發(fā)相關的算法，比如怎么能自動提取森林的結構參數(shù)等信息。通俗來講，我們的研究就是用激光雷達給樹林做了一個CT掃描，然后用AI來讀這個片子，發(fā)現(xiàn)其中的關鍵信息并整理成我們需要的報告，如樹密度地圖等。”郭慶華說。
“一件很酷的事”
“十年‘數(shù)’樹，我們是認真的，我覺得我們干了一件很酷的事。”郭慶華說。
這么多年，不少人問過郭慶華同樣的問題：為什么要“數(shù)”樹？
在郭慶華看來，有兩個原因——
“第一個原因，樹的數(shù)量或者叫樹的密度是生態(tài)系統(tǒng)質量的晴雨表，一個地方生態(tài)比較好的話，它的樹密度會比較高一點。反之亦然。第二個原因，現(xiàn)在全球都面臨著應對氣候變化的時代課題。中國作為一個負責任的大國，這些年人工林的種植面積居世界首位，未來我們還將繼續(xù)為地球增添綠色。”
基于這樣的考慮，郭慶華認為，要摸清樹木家底十分重要，這樣可以為我們更高質量地種樹提供數(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，我們團隊許多年如一日，堅持做森林研究。”郭慶華說。
令郭慶華印象最深的，是2023年在西藏自治區(qū)測量目前中國最高樹的經(jīng)歷。
“以前開展森林調查，一個樣方可能要好幾個小時，現(xiàn)在有了激光雷達設備，能縮短到幾分鐘。經(jīng)過電腦自動處理，可以很快獲得相關數(shù)據(jù)。”郭慶華說，在激光雷達的幫助下，“尋找最高樹”變成了一個可重復的科學工作。不僅如此，植物生態(tài)學家也可以在相關數(shù)據(jù)基礎上進行更多深入研究，研究為什么樹能長這么高，它的限制因子是什么，對我們理解整個生態(tài)的機理也有一定的幫助。
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”。當前，各國紛紛響應“全球種植萬億棵樹”倡議，共同應對氣候變化、助力生態(tài)系統(tǒng)修復。中國也在為“未來十年種植、保護和恢復700億棵樹”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支撐。通過精準掌握全國范圍內的樹木密度分布，相關部門與科研單位能夠更科學地規(guī)劃造林區(qū)域，提升種植成效，避免盲目和浪費。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，切實發(fā)揮生態(tài)與經(jīng)濟價值，為全球生態(tài)可持續(xù)管理與治理貢獻‘中國方案’。”郭慶華說。
迄今，郭慶華和激光雷達技術已經(jīng)打了20多年交道。“作為科研工作者，我們希望能夠通過自己的研究，為地球的可持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量。”郭慶華說。（劉發(fā)為）
