“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)。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖，測量激光從地面和樹冠返回的時間，從而獲取森林的三維點云數(shù)據(jù)。這些點云就像人體CT掃描得到的斷層圖，能夠詳細(xì)反映森林中每一棵樹的位置、形狀和高度?！惫鶓c華解釋道，通過在全國典型森林范圍內(nèi)的持續(xù)掃描，獲取了7萬多個1公頃的無人機(jī)激光雷達(dá)樣方數(shù)據(jù)。

無人機(jī)在為樹林做“CT掃描”。

此后，基于樣方數(shù)據(jù)，利用自研的基于AI的單木分割算法，對每個樣方進(jìn)行單株樹木的提取，并統(tǒng)計樣方內(nèi)樹木的數(shù)量，構(gòu)建了相當(dāng)于7萬多個含有樹木數(shù)量的樣本庫。

最后，借助衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，獲取空間連續(xù)的覆蓋全國森林范圍的數(shù)據(jù)，再通過AI模型構(gòu)建真實樣地樹木數(shù)量與衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，就可以實現(xiàn)全國森林樹木數(shù)量的估算。

說起來簡單的測量過程，背后是科研工作者十年如一日“坐冷板凳”的堅持。

以往林業(yè)調(diào)查多是人工進(jìn)行，樣方大小定為一畝，再放大至全國就已經(jīng)很大了。“我們的樣方是1公頃（約等于15畝），同時在樣方的選擇上不僅要兼顧樹種，還要兼顧不同的地區(qū)類型?！惫鶓c華表示，團(tuán)隊成員走遍了7萬多個樣方，前前后后花費了10年時間，最終采集了400多TB的數(shù)據(jù)。如果以一張照片5M大小計，400TB相當(dāng)于8000多萬張照片的體量。

郭慶華團(tuán)隊在開展野外調(diào)查。

與此同時，AI模型的構(gòu)建也是如此?！安]有現(xiàn)成的模型可以用。我們就是不斷用樣方的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)去訓(xùn)練AI算法，根據(jù)驗證的精度創(chuàng)建起一個最優(yōu)的模型?！惫鶓c華解釋道。

實地測量中也遍布挑戰(zhàn)，天氣、空氣濕度等都影響測量精度，比如雨雪和霧霾會散射或吸收激光信號，導(dǎo)致點云噪聲或數(shù)據(jù)缺失；強(qiáng)風(fēng)可能影響無人機(jī)穩(wěn)定性，造成掃描偏差等?！搬槍毫犹鞖?，我們進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)，就目前來說，我們的設(shè)備已經(jīng)初步具有在雨天、風(fēng)沙天氣等環(huán)境下的工作能力?！?/p>

最大的挑戰(zhàn)在于中下層樹木被冠層遮擋，難以通過激光雷達(dá)完整識別。郭慶華表示，通過點云優(yōu)化處理與人工驗證校正參數(shù)，同時在模型集成階段引入不確定性估計，最終有效降低了估算誤差。

復(fù)制現(xiàn)實世界的激光雷達(dá)技術(shù)

在樹木測量過程中，激光雷達(dá)技術(shù)是關(guān)鍵。

郭慶華把它形容為“對物理現(xiàn)實世界的數(shù)字復(fù)制技術(shù)”。它能“透視”森林內(nèi)部結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)會發(fā)出上百萬束激光，每一束都能穿透森林冠層，獲取到從樹頂?shù)降孛娴脑敿?xì)結(jié)構(gòu)信息。分辨率可以達(dá)到厘米級別，不僅能看見每一棵樹，還能“看清楚”樹有多高、有多粗、樹冠多大。過去近20年的時間里，郭慶華一直致力于將三維激光雷達(dá)技術(shù)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，帶領(lǐng)團(tuán)隊進(jìn)行相關(guān)儀器的軟硬件研發(fā)。

激光雷達(dá)技術(shù)可以“透視”森林，將樹高、樹冠大小等信息清晰顯示出來。

對于森林資源調(diào)查而言，第一個問題就是如何保證數(shù)據(jù)獲取的高效性與精準(zhǔn)性。傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查主要依賴地面樣地調(diào)查，通過人工測量樣方內(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)行區(qū)域性推算。

在郭慶華看來，人工測量的方法雖然準(zhǔn)確，但存在效率低、更新慢、代表性差、結(jié)構(gòu)性信息不完整等明顯局限，“傳統(tǒng)方法很難獲取森林的立體結(jié)構(gòu)，比如冠層層次、空間分布等?！?/p>

然而，當(dāng)時，國內(nèi)森林計測儀器多依賴昂貴的進(jìn)口設(shè)備，且功能單一，難以適應(yīng)復(fù)雜林況。為此，郭慶華團(tuán)隊自主研發(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CCD相機(jī)、高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。

郭慶華解釋，激光雷達(dá)技術(shù)本質(zhì)上是一種高精度的三維測量手段，通過高速發(fā)射激光脈沖，并記錄其返回時間，結(jié)合定位系統(tǒng)，構(gòu)建出覆蓋森林上層冠層到地表的高密度三維點云數(shù)據(jù)。這些點云不僅能反映每棵樹的空間位置、高度和冠幅，還可在人工智能算法的輔助下識別單株樹木并估算胸徑等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

激光雷達(dá)點云單木分割結(jié)果。

“它能精準(zhǔn)到什么程度呢？比如中國的最高樹是102.3米，從技術(shù)的概念來講，對于最高樹范圍內(nèi)能夠達(dá)到每平方米2萬個點，整棵樹的三維結(jié)構(gòu)看得一清二楚，也就是說，測量這個樹高的偏差，不會超過一個厘米級的偏差。”

郭慶華口中的最高樹位于西藏林芝，是一棵西藏柏木，2023年由聯(lián)合調(diào)查團(tuán)隊利用無人機(jī)激光雷達(dá)測定。

從2022年起，郭慶華團(tuán)隊使用自研的無人機(jī)激光雷達(dá)、背包激光雷達(dá)，與北京大學(xué)呂植團(tuán)隊、西子江生態(tài)保育中心、山水自然保護(hù)中心、北京數(shù)字綠土科技股份有限公司組成聯(lián)合調(diào)查隊尋找高樹、測量樹高，將中國“樹王”的準(zhǔn)確身高從76.8米刷新到2023年的102.3米。

“這也會成為我們未來研究和保護(hù)工作的重點。這一切不僅關(guān)乎科學(xué)的進(jìn)步，也關(guān)乎人類與自然和諧共生的未來?！?/p>

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)

提供更精準(zhǔn)的“綠色賬本”

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)出來。

從2018年起，在中科院地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程項目支持下，郭慶華作為“新一代中國植被圖繪制”主要負(fù)責(zé)人之一，聯(lián)合中國各地300多名植物學(xué)專家與青年學(xué)者，利用衛(wèi)星遙感和激光雷達(dá)、手機(jī)應(yīng)用等近地面遙感技術(shù)，開展了對中國植被數(shù)據(jù)的高效采集。他透露，更高分辨率、更準(zhǔn)確的新一代中國植被圖將完成。這距離中國上一代植被圖繪制已過去了40多年。

“在這四十多年的發(fā)展中，植被類型已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，我們之前的一項對比研究中發(fā)現(xiàn)，僅從土地覆蓋這個角度，中國現(xiàn)有的類型有50%左右發(fā)生了改變，因此，亟須對該植被圖進(jìn)行更新?！?/p>

在陜西省黃陵縣軒轅廟內(nèi)有一棵黃帝手植柏，相傳這棵樹是中華民族始祖軒轅黃帝親手種下的，距今已有數(shù)千年。這棵古柏樹高19.4米，樹干胸圍達(dá)到8.6米，平均冠幅18.1米，樹冠覆蓋面積約178平方米，被譽(yù)為“世界柏樹之父”，也是目前已知樹齡最長的柏樹之一。

黃帝手植柏。李一璠 攝

得益于激光雷達(dá)的億萬高精度點云和3D高斯?jié)姙R（3DGS）的動態(tài)粒子建模，這棵軒轅柏的樹高、胸徑、冠幅等多項參數(shù)可以自動計算出來，古樹根系、主干、枝杈乃至表皮紋理等信息在電腦上有了記錄，這份“全息檔案”形成多維數(shù)據(jù)評估體系，為古樹健康診斷、修復(fù)方案制定及保護(hù)效果追蹤提供全流程數(shù)字化決策支持。

“假設(shè)之前給這棵樹做了一個數(shù)字掃描的話，那么，我們就會知道這棵樹是如何慢慢變成這么大樹冠的。這些數(shù)據(jù)除了可以對生態(tài)環(huán)境背景做整體調(diào)查，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)處理和分析之外，也是對這些重要的文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字保存?！?/p>

在郭慶華看來，假如每一棵古樹都有這樣一份“全息檔案”，古樹可以得到更多的保護(hù)支持。

郭慶華（中）在開展野外調(diào)查。

制作“樹密度地圖”、繪制中國新一代植被圖、研究中國最高樹、為更多古樹做“全息檔案”……“我們最終的目的是要了解中國森林的質(zhì)量。”郭慶華表示，中國是全球人工林面積最大的國家，但過去對森林資源的統(tǒng)計更多停留在面積和蓄積量層面，在“雙碳”目標(biāo)下，我們需要更精準(zhǔn)的“綠色賬本”——不僅是森林面積，還包括單木級別的碳儲量、生物多樣性支撐能力等。