美国留学

厚厚的树干向天空伸直，巨大的树冠遮盖了天空，细的阳光穿过叶子之间的缝隙，巨大的树森林充满了西北太平洋的潮湿空气……这是美国加利福尼亚州的红杉国家公园，是美国最高的树。

当他在加利福尼亚大学任教时，梅塞德（Merced），北北京大学教授郭金瓦瓦（Guo Qinghua）兼遥感和地理信息研究所主任，一次又一次地来到了这个神奇的森林。他也被自然的魔力感到震惊，但他也在思考：为什么这里的树木能够如此高，如何将水运到树的顶部，以及它背后有哪些生态机制.

当时，他可能还没有想到，通过团队独立开发的激光雷达系统返回中国后的十年以上，他发现藏族柏树在西藏的高达102.3米，这个地方的气候与加利福尼亚州不同，并刷新了世界上最高的树木的清单。他还成为亚洲最高树的发现者。多亏了这项技术，郭金瓦（Guo Qinghua）和他的团队成员首次对全国树木数量进行了详细的计算，并绘制了第一个“树密度地图” ——截至2020年，全国大约有1426亿棵树木，平均树木密度约为689棵树/公顷。

如何计算中国有多少树？如何计算树木？它背后有什么技术支持？最近，《北京新闻》的一名记者采访了郭金瓦阿，并试图找到问题的答案。

花十年的时间“粉碎”卫星遥感的国家森林的全景

在中国地图上，有深绿色的绿色分布，可以清楚地看到南部和东北地区被绿色覆盖。这张看似不起眼的地图是我国家的第一张“树密度地图”：它准确地计算了960万平方公里的土地上的树木覆盖范围：截至2020年，全国大约有1426亿棵树木，平均树密度约为689棵树，每公顷约689棵树，相当于平均中国人群的平均树木。

我国的第一张“树密度地图”由郭·金华（Guo Qinghua）团队绘制。由受访者提供的照片

这张照片是在郭金瓦阿的办公室计算机中“存储”的，是他和他的团队成员在过去十年中专门研究的结果之一。郭金瓦亚告诉记者，这张地图不仅包含了中国森林的整体分布，而且还涵盖了每个地点有多少树的信息。

可以从这张图片中分析更多信息。例如，从盆地河的角度来看，长江盆地的排名第一，其绝对优势约为496亿棵树。从该省的角度来看，四川，海隆吉安，云南和广西的树木总数超过100亿，占该国总数的32。四川在人均树木数量方面排名第一，西藏在人均树木数量中排名第一，人均有近2,000棵树。

制作树密度图需要多长时间？郭金瓦阿和他的团队成员花了十年的时间。但是，地图上的1426亿棵树并未一一计算。 “我们使用无人机和激光雷达来扫描森林，例如'检查CT'，使用AI算法来观看电影'，并计算树木，最后使用卫星遥感来'Swer'整个国家的森林全景。”

“我们使用无人机携带激光雷达传感器飞越目标森林区域。激光雷达发出激光脉冲，以测量激光从地面和冠层返回的时间，从而获得森林的三维点云数据。这些点云就像人类CT扫描所获得的层状图一样，可以反映每个森林的位置和森林的森林中的森林，这些云都可以反映出每个森林的森林。郭金瓦阿解释说，通过在该国典型森林中进行连续扫描，获得了超过70,000个无人机雷达样品数据。

之后，基于样品方形数据，使用一个自开发的单树分割算法为每个样品平方提取一棵树，并计数样品平方中的树数量，并构建了相当于70,000棵树的样品库。

最后，借助卫星遥感数据，可以在太空中连续获得涵盖该国森林范围的数据，然后可以通过AI模型构建实际样品图中的树木数量与卫星数据之间的关系，以便可以估算该国的树木数量。

简单的测量过程是科学研究人员在“坐在板凳上”的持久性十年。

过去，林业调查主要是手动进行的，样本量设置为1英亩，如果将其扩大到整个国家，它将非常大。 “我们的样本配方是1公顷（约15英亩）。与此同时，我们不仅必须考虑样品食谱选择中的不同区域类型。”郭金瓦亚说，团队成员的旅行超过70,000种样本食谱，并花了10年的时间收集了400多个TB的数据。如果您在照片中算作5M，则400TB等于超过8000万张照片的卷。

同时，AI模型的构建也相同。 “没有现成的模型可以使用。我们一直在使用示例数据和相应的遥感数据来训练AI算法，以创建基于验证精度的最佳模型。”郭金瓦阿解释说。

现场测量以及天气，空气湿度等也有挑战。都影响了测量精度。例如，雨水，雪和雾化会散布或吸收激光信号，从而导致点云噪声或数据丢失；强风可能会影响无人机的稳定性并导致扫描偏差。 “我们已经针对恶劣天气进行了技术发展。目前，我们的设备最初已经实现了在雨天，大风和沙质天气以及其他环境中工作的能力。”

最大的挑战是中层和下树被树冠阻塞，并且很难与LiDAR完全识别。郭金瓦亚说，通过点云优化处理和校正参数的手动验证，以及在模型集成阶段中引入不确定性估计，最终有效地减少了估计误差。

激光雷达技术可以“浏览”森林，并清楚地显示诸如树高和冠层大小之类的信息。由受访者提供的照片

复制现实世界的激光雷达技术

激光雷达技术是树木测量的关键。

郭金瓦亚将其描述为“物理现实世界的数字复制技术”。它可以“看到”森林的内部结构。激光雷达发出数百万激光束，每种激光束可以穿透森林冠层，并从树顶到地面获得详细的结构信息。分辨率可以达到厘米的水平，不仅可以看到每棵树，而且还可以“清楚地看到”高，厚和冠的高度。在过去的20年中，郭金瓦亚一直致力于在生态学领域使用三维激光雷达技术，并带领团队开发相关仪器的软件和硬件。

对于森林资源调查，第一个问题是如何确保数据获取的效率和准确性。传统的森林资源调查主要依赖于地面样品调查，手动测量参数，例如树木的数量，乳房直径和样本正方形的高度，然后通过统计方法进行区域计算。

在郭金瓦阿（Guo Qinghua）的观点中，尽管手动测量方法是准确的，但它具有明显的局限性，例如低效率，缓慢的更新，代表性差和不完整的结构信息。 “传统方法很难获得森林的三维结构，例如树冠等级，空间分布等。”

但是，当时，家庭森林测量工具主要依靠昂贵的进口设备，并且具有一个功能，因此很难适应复杂的森林条件。为此，郭金瓦阿（Guo Qinghua）的团队独立开发了一个集成的空中遥感平台，包括无人机，背包，手持式LIDAR系统，集成的CCD摄像头，超光镜传感器和其他设备。该平台不仅是轻巧且灵活的，而且可以在诸如丢失森林不足的位置信号和较差的平台稳定性等条件下实现高精度数据获取。

郭金瓦阿解释说，激光雷达技术本质上是一种高精度的三维测量方法。它以高速发射激光脉冲，并记录其返回时间。结合定位系统，构建了覆盖森林上冠层到表面的高密度的三维点云数据。这些点云不仅反映了每棵树的空间位置，高度和冠状大小，而且还识别单个树木并估计关键的结构参数，例如在人工智能算法的帮助下乳房直径。

“它的准确性如何？例如，中国最高的树是102.3米。从技术角度来看，整个树的三维结构在最高树的范围内可以清楚地看到。换句话说，测量这棵树高度的偏差不会超过一厘米。”郭金瓦阿提到的最高树位于西藏的林吉。这是一棵藏族柏树。它是由2023年使用无人机激光雷达的联合调查小组衡量的。

从2022年开始，郭金瓦瓦的团队将使用自发开发的无人机激光雷达和背包激光雷达组成一个与北京大学的团队，Xizijiang生态保护中心，景观自然保护中心和北京数字绿色土壤技术公司的联合调查团队。 2023年至102.3米。

在郭金瓦阿认为，巨型树的存在不仅是生态学的，而且与当地文化和人类的关系密切相关。 “在Medog，Chayu和Bomi在西藏的现场检查中，我们在一些巨大的树下发现了祈祷旗。祈祷旗的存在反映了当地多民族社区对自然的尊重和保护。”郭金瓦亚说，这些地区是多种族群体居住的地方。他们一起生活在这个神秘而原始的自然环境中。当地的宗教信仰对他们与自然的关系深深影响。他们认为，这些树木和所在的森林不仅是自然资源，而且是神圣的存在。因此，他们根据文化和宗教信仰自发保护它们。

郭金瓦亚说，在生态保护的过程中，如何平衡现代发展与传统文化保护可以通过科学和技术手段来确保这些稀有资源的可持续性。同时，我们必须尊重当地人对巨大树木的崇拜和保护，并与当地人合作进行生态保护。 “这也将成为我们未来研究和保护工作的重点。这不仅与科学的进步有关，而且与人类与自然之间和谐共存的未来有关。”

提供更准确的“绿色分类帐”来实现“双重碳”目标

多亏了LiDAR技术，更多的科学研究结果将接近呈现。

自2018年以来，在中国科学院的地球大数据科学工程项目的支持下，郭金瓦瓦（Guo Qinghua）是“中国新一代植被映射”的主要领导者之一，他与300多家植物学专家和来自中国各地的年轻学者携手携带，以使用中国各地的卫星遥感，lidar，手机的远程处理和其他方面的技术来进行遥控技术。他透露，新一代的中国植被地图具有更高的分辨率和更准确的方法。自从中国上一代植被地图以来，已经过去了40多年。

“在过去的40年的发展中，植被类型发生了巨大变化。在先前的比较研究中，我们发现，从仅土地覆盖的角度来看，中国现有类型中约有50发生了变化，因此迫切需要更新植被图。”

在山西省黄利县的Xuanyuan庙里有一个手工耕种的柏树。根据传说，这棵树是由中国国家的祖先Xuanyuan Huangdi种植的，已经存在了数千年。这条古老的柏树高19.4米，胸围的胸围为8.6米，平均冠宽为18.1米，冠覆盖了约178平方米的面积。它被称为“世界柏树的父亲”，也是已知最长的柏树树之一。

得益于激光雷达（LiDar）十亿美元的高精度点云和3D高斯飞溅（3DGS）的动态粒子建模，可以自动计算该Xuanyuan cypress的树高，乳房直径，冠状宽度和其他参数。在计算机上记录了古代树的根系，树干，分支甚至表皮纹理等信息。这个“全息文件”构成了多维数据评估系统，为古代树木的健康诊断，维修计划的制定和保护效果提供了完整的数字决策支持。

“假设以前进行了对这棵树的数字扫描，那么我们将知道这棵树是如何慢慢变成如此大的树冠。除了对生态环境背景进行整体调查以及准确处理和分析数据外，这些数据还由这些重要文化遗产保存在数字上。”在郭金瓦阿的看来，如果每棵古老的树都有这样的“全息档案”，那么古老的树就可以得到更多的保护和支撑。

制作“树密度地图”，在中国绘制新一代的植被图，研究中国的最高树木，并制作“全息档案”，以备更古老的树木……“我们的最终目标是了解中国森林的质量。”郭金瓦阿解释说，目前，中国的人均树木大约有100棵，与几十年前相比，这已经有了很大的改善，但是就森林覆盖范围和人均覆盖范围和人均覆盖范围而言，它仍然远离发达国家。

为了应对全球气候变化，“基于自然的解决方案”是关键行动之一。 2022年5月，在世界经济论坛年度会议上，中国的气候变化特使特使代表中国政府代表中国政府，他将从政策制定，能源转化和森林碳沉水池的三个方面采取行动，增强了现有森林资源的保护，并努力在10亿林中的林木中，并在10亿棵树林中响应了“全球”树木，既构成了”全球树木，'''''''''''''''''''''''''''''全球构造了。

“我们仍然需要继续种植树木以改善绿色水平，但是如何种植树木？我认为我们需要从以前的数量扩大到质量增长。”郭金瓦亚说，中国是世界上人造森林地区最大的国家，但在过去，森林资源的统计数据在该地区和储存水平上仍然更多。在“双重碳”目标下，公共和政策制定者都需要更准确的“绿色分类帐” ——不仅在森林地区，而且还需要单木层和生物多样性支持能力的碳储备。

在郭金瓦阿看来，一系列研究结果可以识别生态脆弱的地区和效率低下的森林。 “我们最近的研究发现，中国某些地区的人工林密度太高，导致其碳汇的容量降低。还需要调整该地区的人工林密度。种植越多，种植越多，树木的数量和结构越多。也需要树木的数量和结构来最大程度地提高经济和生态益处。”

“我们希望使用先进的遥感和AI技术来研究这个看似简单但战略性的科学问题。我们希望更多的公众能够了解中国的森林环境并参与森林保护。我们也希望我们可以概述有关中国性质的更多故事。”郭金瓦阿仍然有很多事情要做。

北京新闻记者杨·菲夫（Yang Feifei）

编辑Miao Chenxia校对Zhai Yongjun