郭慶華走過很多不同的森林，從南海之濱到雪域高原。而唯有在藏東南的土地上，郁郁蔥蔥的原始森林和直插云霄宛如通天塔般的參天巨樹能帶給他久久不能消散的震撼感。
不久前，一項(xiàng)關(guān)于“中國有多少棵樹”的研究成果也同樣帶給公眾震撼。這一成果正是由北京大學(xué)郭慶華團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)發(fā)布的我國首張“樹密度地圖”。
作為一項(xiàng)覆蓋全國范圍的基礎(chǔ)性科學(xué)調(diào)查與研究成果，“樹密度地圖”首次系統(tǒng)性地揭示了我國森林樹木的總數(shù)及其分布特征，并為我國森林資源管理與生態(tài)修復(fù)提供了詳細(xì)的空間分布數(shù)據(jù)，為森林資源調(diào)查提供了全新視角。
這張信息量巨大的“樹密度地圖”究竟是如何畫出來的？或者說全國樹木總量約為1426億棵，這一結(jié)果是如何得出的？我們且聽郭慶華給出答案。
1“樹密度地圖”助力碳匯評估與造林規(guī)劃
樹密度，即每公頃樹木的棵數(shù)，在生態(tài)學(xué)中既是森林健康和穩(wěn)定的度量指標(biāo)，也是影響林分動(dòng)態(tài)、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的重要因素。
一份詳實(shí)的“樹密度地圖”對科學(xué)研究與森林管理有深遠(yuǎn)意義。它不僅能幫助評估森林健康狀況，同時(shí)也具有重要的生態(tài)保護(hù)和物種保護(hù)價(jià)值。通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究人員能更好地識(shí)別生態(tài)敏感區(qū)與物種棲息地，為保護(hù)生物多樣性提供科學(xué)依據(jù)。
此外，隨著全球氣候變化問題日益嚴(yán)峻，碳匯被作為應(yīng)對氣候變化的重要手段，而樹木的數(shù)量與分布直接影響碳儲(chǔ)量估算和碳匯政策制定?！皹涿芏鹊貓D”也能為我國碳匯評估提供重要的數(shù)據(jù)支持，為造林規(guī)劃提供更加精準(zhǔn)的指導(dǎo)。
用郭慶華的話說，這張“樹密度地圖”的發(fā)布標(biāo)志著我國森林資源調(diào)查和生態(tài)保護(hù)進(jìn)入全新階段。
“樹密度地圖”本身包含哪些具體內(nèi)容？據(jù)“樹密度地圖”顯示，截至2020年，我國森林平均樹木密度約為每公頃689棵，全國樹木總數(shù)約為1426億棵，相當(dāng)于平均每位中國人擁有100棵樹。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，我國不同地域樹密度各異，東北、西南和華南地區(qū)的樹木數(shù)量相對集中；西北和華北地區(qū)則因自然條件相對嚴(yán)酷，林木較為稀疏。其中，西南地區(qū)以約360億棵樹居全國首位，華南（328億棵）與華東（259億棵）緊隨其后。從植被類型上看，寒溫帶針葉林密度最高，亞熱帶常綠闊葉林與熱帶雨林單位面積的樹木數(shù)量也相對偏多，而溫帶草原與荒漠區(qū)的樹木則呈零星分布。
從我國流域尺度來看，長江流域以約496億棵樹的絕對優(yōu)勢位居首位，同時(shí)，東南諸河流域、西南諸河流域、珠江流域、松遼河流域的樹木數(shù)量均超過100億棵。然而，樹密度的分布特征與樹的總株數(shù)分布特征并不總是一致的。這些差異反映了不同流域的森林管理、生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展策略之間的差異。例如，西南諸河流域和長江流域強(qiáng)調(diào)生態(tài)保護(hù)和天然林的恢復(fù)，以保護(hù)獨(dú)特的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和生物多樣性，而海河流域和黃河流域的重點(diǎn)是人工造林，以應(yīng)對土地退化和土壤侵蝕等環(huán)境挑戰(zhàn)。
從不同行政區(qū)來看，樹木數(shù)量分布在240萬棵—126億棵之間。四川省、黑龍江省、云南省、廣西壯族自治區(qū)等地的樹木數(shù)量均超100億棵，占我國樹木總量的32%。臺(tái)灣省、江蘇省和安徽省三地的樹木密度最大，超800棵/公頃。而在人均樹木數(shù)量方面，西藏自治區(qū)以近2000棵/人遙遙領(lǐng)先。這一指標(biāo)從另一角度展示了樹木分布與人口分布間的不平衡性，為資源管理與生態(tài)保護(hù)政策制定提供了重要依據(jù)。
2 技術(shù)加持，攻克森林資源調(diào)查諸多難題
1426億棵樹，站立于我國960萬平方公里的土地上，裝點(diǎn)著腳下這片熱土。
一片片森林，匯聚成蒼莽的林海；一片片林海，匯聚成森林點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2008年至今，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)共收集、處理了超400TB無人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。
在不同地域和類型的森林生態(tài)系統(tǒng)中，激光雷達(dá)雖然在測量原理上大同小異，但在具體操作和參數(shù)設(shè)置上仍需根據(jù)地形與植被特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。科研人員通常會(huì)結(jié)合研究目標(biāo)與數(shù)據(jù)精度要求，靈活選擇無人機(jī)激光雷達(dá)或背包式、手持式激光雷達(dá)系統(tǒng)，對目標(biāo)樣地進(jìn)行掃描并獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。也就是說，激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖并測量其從傳感器到物體表面再反射回來的時(shí)間，結(jié)合激光束的發(fā)射角度，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維位置。大量這樣的點(diǎn)匯聚，就形成了點(diǎn)云。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可表現(xiàn)為樹干、樹葉和地面的離散點(diǎn)集合，每個(gè)點(diǎn)云帶有坐標(biāo)和反射強(qiáng)度信息。通過算法處理這些點(diǎn)云，即可重建樹的3D模型。
激光雷達(dá)點(diǎn)云單木分割結(jié)果。
不難看出，從樹到數(shù)的轉(zhuǎn)變，科研人員離不開高精度的無人機(jī)激光雷達(dá)與人工智能技術(shù)的加持。
實(shí)際上，新中國成立以來，我國逐步建立起較為完善的森林資源清查體系，這主要依賴地面人工勘測。然而，面對廣袤的國土面積、復(fù)雜的立地條件，傳統(tǒng)調(diào)查方式耗時(shí)長、成本高，且難以實(shí)現(xiàn)高頻次、大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測。20世紀(jì)末，衛(wèi)星遙感技術(shù)的興起帶來了變革，其高效性顯著提升了數(shù)據(jù)采集能力。但光學(xué)遙感受限于冠層穿透力不足，反演的森林參數(shù)如生物量、蓄積量常出現(xiàn)飽和效應(yīng)，可以理解為當(dāng)森林覆蓋度過高時(shí)，光學(xué)遙感就像被濃密樹冠遮住了視線，只能獲取表層信息，難以探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其難以滿足單木尺度的精細(xì)化需求。
與全國范圍內(nèi)的森林覆蓋相比，有限的人力與物力宛如蚍蜉撼樹。森林的浩渺與人類的局限等待著科技的再次創(chuàng)新打破僵局。
激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，為這一難題提供了破解方案。憑借激光脈沖穿透冠層的能力，可精確獲取森林的三維結(jié)構(gòu)信息，成為森林資源調(diào)查的“利器”。郭慶華團(tuán)隊(duì)自2008年起，以激光雷達(dá)為核心，結(jié)合無人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，開啟了技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的探索之旅。經(jīng)過十余年的努力，從最初的設(shè)備研發(fā)，到算法優(yōu)化，再到跨尺度監(jiān)測體系的建立，逐步攻克了森林資源調(diào)查中的諸多難題。
在森林生態(tài)系統(tǒng)中，激光雷達(dá)能精確測量樹木的高度、冠層結(jié)構(gòu)和生物量，從而為森林健康狀況和生物多樣性等的評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。通過分析森林激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究人員可以區(qū)分不同的植物群落，有助于識(shí)別不同的植被類型和物種多樣性。
歷經(jīng)十余年的迭代發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)從解決基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集難題，到實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，逐步推動(dòng)了我國森林資源調(diào)查從傳統(tǒng)人工測量向現(xiàn)代化、智能化的跨越。
能見證、參與這樣的跨越，郭慶華得償所愿：為祖國的科研和人類文明的進(jìn)步做一點(diǎn)貢獻(xiàn)，在有限的人生里做一點(diǎn)有意義的事。
3 科學(xué)規(guī)劃、有效管理，提升碳匯效益
森林資源調(diào)查中最大的驚喜莫過于發(fā)現(xiàn)巨樹。在參天巨樹密布的藏東南，郭慶華感受到了原始森林的無窮魅力。尋找最高樹，也讓他更有使命感。
在人跡罕至的森林腹地，無人機(jī)激光雷達(dá)與背包激光雷達(dá)相互配合，對潛在巨樹分布區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集與分析，獲取完整的三維點(diǎn)云模型，對巨樹所在的森林進(jìn)行林分尺度與個(gè)體尺度結(jié)構(gòu)參數(shù)信息（樹高、胸徑、冠幅等）的快速準(zhǔn)確收集。
郭慶華把激光雷達(dá)形容為“對物理現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字復(fù)制技術(shù)”。通俗點(diǎn)說，當(dāng)人們仰望一棵巨樹，驚嘆于它的雄奇與偉岸時(shí)，激光雷達(dá)則用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)還原巨樹身上所蘊(yùn)含的所有信息。
于是，我國大陸的最高樹紀(jì)錄接連被打破。2022年，首先是西藏自治區(qū)墨脫縣76.8米的不丹松，10天后，西藏察隅縣82.6米的新“樹王”被發(fā)現(xiàn)。過了不到一年時(shí)間，“中國最高樹”的王座又更換了新樹種：2023年5月，在位于雅魯藏布大峽谷國家級自然保護(hù)區(qū)的林芝市波密縣通麥鎮(zhèn)境內(nèi)，一棵高達(dá)102.3米（歷史高度）的藏南柏木被發(fā)現(xiàn)了，這是目前已知的亞洲最高樹、全球第二高樹種。
“以前開展森林調(diào)查，測完一個(gè)樣方可能要好幾個(gè)小時(shí)，有了激光雷達(dá)設(shè)備，現(xiàn)在縮短至幾分鐘。經(jīng)過電腦自動(dòng)處理，很快就可獲得相關(guān)數(shù)據(jù)?！惫鶓c華解釋，這也是為何新“樹王”頻繁被發(fā)現(xiàn)的原因所在。激光雷達(dá)系統(tǒng)讓“尋找最高樹”變成了一項(xiàng)可重復(fù)的科學(xué)工作。
不僅如此，植物學(xué)家也可基于相關(guān)數(shù)據(jù)開展深入研究，探索樹木生長極限及其限制因子，助力理解生態(tài)機(jī)理。
所有的研究是為了被看見。曾經(jīng)的郭慶華更愿意埋頭搞科研，而現(xiàn)在他逐漸愿意面對公眾，講述最高樹的發(fā)現(xiàn)和“樹密度地圖”的成果。
“一棵大樹的長成往往需要百年甚至千年，具有極高的生態(tài)和保護(hù)價(jià)值。它們?yōu)楦缴参?、昆蟲和小型哺乳動(dòng)物提供了豐富的生境，對維護(hù)生物多樣性至關(guān)重要。但砍伐只需一瞬。通過激光雷達(dá)技術(shù)尋找我國最高樹，將它呈現(xiàn)給公眾，能喚起更多人對森林和地球生態(tài)系統(tǒng)的好奇與熱愛?！惫鶓c華說。
數(shù)據(jù)無法還原每片森林的盎然生機(jī)，走進(jìn)森林才能更了解森林。了解一片森林，需要掌握它的特點(diǎn)，再根據(jù)特點(diǎn)提出科學(xué)、合理的意見進(jìn)行有效管理。也就是回答“在何處種多少棵樹才最合適”的重要命題，進(jìn)而幫助相關(guān)部門更加科學(xué)地規(guī)劃造林區(qū)域，提升碳匯效益，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。
在南方一些區(qū)域，郭慶華看到過很多森林“密不透風(fēng)”。他會(huì)敏銳地發(fā)現(xiàn)問題所在，“從提升碳匯角度看，種樹并不是越多越好，如果一片林子密度過高，將會(huì)影響樹木的發(fā)育和成長?！币恍┭芯繑?shù)據(jù)顯示，高60米以上的大樹，其碳儲(chǔ)存量相當(dāng)于數(shù)百棵一般高度（約20米）樹木的碳儲(chǔ)存量。未來，根據(jù)“樹密度地圖”所提供的信息，森林的科學(xué)管理與規(guī)劃也將變得更加精細(xì)。
從一棵樹到一片森林，再到全國森林生態(tài)系統(tǒng)，改變將是宏大的。通過基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)問題的剎那并非靈光一現(xiàn)，那顆砸出萬有引力定律的蘋果，在郭慶華看來是一直思考，并一直積累，等待爆發(fā)的契機(jī)。未來還將有怎樣的突破，何不拭目以待。
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