“中國(guó)最高的樹(shù)在哪里？”
這是郭慶華20年前就好奇的問(wèn)題。他在美國(guó)讀博與任教期間，每年都會(huì)去加州紅杉國(guó)家公園轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，那里生長(zhǎng)著世界上已知最高的樹(shù)——一棵116米的巨型紅杉。
2023年，作為北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)，郭慶華與國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)合作，找到了一棵102.3米高的西藏柏木，這棵樹(shù)被冠以“亞洲第一高樹(shù)”稱(chēng)號(hào)，還頻頻登上“熱搜”。
尋找最高的樹(shù)，靠的不是運(yùn)氣，是郭慶華團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“空地一體化”激光雷達(dá)（LiDAR）軟硬件系統(tǒng)。而他想回答的生態(tài)學(xué)問(wèn)題，也遠(yuǎn)不止最高的樹(shù)在哪里這個(gè)“小目標(biāo)”——
郭慶華與團(tuán)隊(duì)測(cè)量中國(guó)樹(shù)密度發(fā)現(xiàn)，截至2020年，全國(guó)有1426億棵樹(shù)；他參與了中國(guó)最新一代植被圖的繪制工作；他還主辦了LiDAR森林生態(tài)應(yīng)用培訓(xùn)班，今年6月底，第十屆培訓(xùn)班剛剛落下帷幕。
郭慶華與102.3米的“樹(shù)王”。精準(zhǔn)還原每一棵樹(shù)的形態(tài)
郭慶華的辦公室位于北京大學(xué)遙感樓，20世紀(jì)90年代，他的碩士研究生學(xué)習(xí)生涯也在這里度過(guò)。2005年，他從美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校環(huán)境學(xué)專(zhuān)業(yè)博士畢業(yè)，成為加州大學(xué)默塞德分校的助理教授，開(kāi)展森林遙感與地理數(shù)據(jù)分類(lèi)研究。
那時(shí)，有森林管理人員對(duì)學(xué)者說(shuō)：“你們做的傳統(tǒng)遙感不能解決實(shí)際問(wèn)題。”
郭慶華告訴記者，“傳統(tǒng)”技術(shù)包括光學(xué)遙感、雷達(dá)遙感等，但這些技術(shù)存在一定缺陷，例如無(wú)法穿透植被、無(wú)法獲取樹(shù)的數(shù)量和垂直結(jié)構(gòu)等信息，只能在電腦顯示“一片綠色”?！叭魏紊鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)工程的開(kāi)展，都需要對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)的本底調(diào)查。只有獲得樹(shù)木生長(zhǎng)的更精細(xì)數(shù)據(jù)，才能搭建好的模型、給出準(zhǔn)確的生態(tài)評(píng)估?！?span style="display:none">cSM速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
如何才能準(zhǔn)確還原森林的模樣？郭慶華想到了彼時(shí)剛走向民用的LiDAR。LiDAR也被稱(chēng)為激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)。搭載LiDAR傳感器的設(shè)備每秒可發(fā)出幾十萬(wàn)個(gè)脈沖，并實(shí)時(shí)接收反射信號(hào)。更重要的是，激光脈沖可以“透視”森林，通過(guò)測(cè)量脈沖到達(dá)葉片、樹(shù)枝、樹(shù)干的時(shí)間與距離，不僅能精準(zhǔn)捕捉森林的三維結(jié)構(gòu)，而且連每片葉子生長(zhǎng)至掉落的厘米級(jí)變化都能被精準(zhǔn)記錄。
這樣的精準(zhǔn)捕捉與“一片綠色”相比，顛覆了郭慶華的認(rèn)知。他先后參加了美國(guó)的火災(zāi)后森林評(píng)價(jià)與地質(zhì)變化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，成為首批將LiDAR技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)場(chǎng)景的科學(xué)家，但他深知這項(xiàng)技術(shù)的痛點(diǎn)。那時(shí)LiDAR傳感器都搭載在有人駕駛的飛機(jī)上，硬件設(shè)備成本高。此外，處理LiDAR數(shù)據(jù)的算法尚不成熟。
而大洋彼岸的國(guó)內(nèi)，沒(méi)有人做LiDAR體系的研發(fā)。郭慶華決心把在美國(guó)積累的經(jīng)驗(yàn)帶回國(guó)。2012年，他放棄美國(guó)終身教授的“鐵飯碗”，回國(guó)成為一名“北漂”，一頭撲進(jìn)LiDAR技術(shù)研發(fā)之中。
“如何降低LiDAR的硬件成本，讓技術(shù)普及？”郭慶華嘗試了剛剛進(jìn)入大眾視野的無(wú)人機(jī)。那時(shí)民用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在輕便、穩(wěn)定。他和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)設(shè)備中最大的“卡脖子”問(wèn)題就是“慣性導(dǎo)航”，而這個(gè)部件是決定無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定的核心。
于是，他和團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)慣性導(dǎo)航產(chǎn)生誤差的原因，開(kāi)發(fā)了高精度、低成本的慣性導(dǎo)航模塊以及配套的組合導(dǎo)航算法。這樣一來(lái)，無(wú)人機(jī)飛得更穩(wěn)了，慣性導(dǎo)航也與LiDAR系統(tǒng)高效適配。
在迭代無(wú)人機(jī)技術(shù)的同時(shí)，郭慶華與團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了地面手持式、背包式、車(chē)載式LiDAR設(shè)備。10年間，他們不僅實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化自主開(kāi)發(fā)，還推出免費(fèi)使用的算法軟件，降低了LiDAR的成本。
使用團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的點(diǎn)云算法，激光數(shù)據(jù)被提取、拼接、合并、建模，每一棵樹(shù)的形態(tài)都被精準(zhǔn)還原至厘米級(jí)，回答“最高的樹(shù)在哪里”這個(gè)問(wèn)題的時(shí)機(jī)逐漸成熟。
從最高的樹(shù)到更廣尺度的森林調(diào)查
過(guò)去，想要測(cè)量一棵樹(shù)的高度，可以由人在地面利用測(cè)距儀粗略算出。但在廣袤的森林中，能否精準(zhǔn)找到一棵樹(shù)的最高點(diǎn)，是個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，更不用說(shuō)中國(guó)國(guó)土面積如此之大。
2016年，郭慶華團(tuán)隊(duì)基于世界上高樹(shù)分布的氣候影響因子，首先分析了中國(guó)高樹(shù)的潛在分布區(qū)域，大致鎖定了藏東南地區(qū)。
而精準(zhǔn)定位“樹(shù)王”，就需要團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“黑科技”。他們讓自研LiDAR無(wú)人機(jī)飛過(guò)藏東南地區(qū)，對(duì)森林進(jìn)行大面積“CT掃描”，框出了一片巨樹(shù)生長(zhǎng)區(qū)域。
郭慶華解釋?zhuān)瑹o(wú)人機(jī)設(shè)備可以描繪林冠層的情況、測(cè)繪樹(shù)高，若想核實(shí)更精準(zhǔn)的樹(shù)高信息，則需研究人員使用背包或手持設(shè)備深入森林腹地，圍繞高樹(shù)所在地做地面掃描。這一過(guò)程也能采集樹(shù)木胸徑以下的信息，為后續(xù)的生態(tài)生理學(xué)研究提供信息。
2022年，郭慶華與合作者鎖定了一棵76.8米高的不丹松。一年后，他們找到了約35層樓高、102.3米的西藏柏木，新紀(jì)錄至今已保持兩年。
媒體的連續(xù)報(bào)道，讓他潛心付出十幾年的遙感新技術(shù)“出圈”，被大眾所了解。
102.3米“樹(shù)王”的激光點(diǎn)云圖。郭慶華介紹，找到“巨樹(shù)”后，植物生理學(xué)家就能進(jìn)一步研究樹(shù)為什么可以長(zhǎng)那么高、其生長(zhǎng)限制因子是什么。他透露，團(tuán)隊(duì)最近又駐扎在“樹(shù)王”附近，給無(wú)人機(jī)外接“剪刀”，采集樹(shù)的最頂端葉片，探究葉片氣孔吸收霧氣的機(jī)制。
此外，他表示，未來(lái)應(yīng)圍繞最高的樹(shù)建立“巨樹(shù)公園”，既能針對(duì)性保護(hù)孕育西藏柏木高樹(shù)的森林，也能讓普通游客在合理的距離感受高樹(shù)的雄偉。
除了研究最高樹(shù)，郭慶華團(tuán)隊(duì)還在開(kāi)展更廣尺度的森林調(diào)查。
過(guò)去幾十年來(lái)，全國(guó)植被類(lèi)型發(fā)生了顯著變化，一些地區(qū)雖更新了植被圖，但在比例尺、分類(lèi)系統(tǒng)和制圖目標(biāo)上缺乏一致性。從2018年開(kāi)始，郭慶華作為“新一代中國(guó)植被圖繪制”項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一，與全國(guó)300多名學(xué)者合作，開(kāi)展國(guó)內(nèi)森林資源本底調(diào)查工作。
這一工作依托中國(guó)科學(xué)院A類(lèi)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程”項(xiàng)目，借助眾源采集結(jié)合專(zhuān)家鑒定的方式，獲取植被類(lèi)型樣本后，基于包括LiDAR在內(nèi)的多源遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)植被分類(lèi)。
在實(shí)地考察中，郭慶華課題組的老師和學(xué)生會(huì)各自跟隨一個(gè)省份，進(jìn)行野外LiDAR數(shù)據(jù)采集。郭慶華也會(huì)去往各地，對(duì)LiDAR設(shè)備的使用進(jìn)行培訓(xùn)。
郭慶華辦公室收藏著一本綠皮“老古董”，這是上世紀(jì)七八十年代繪制的中國(guó)植被分布圖。他說(shuō)：“我正在做中國(guó)最新一代植被圖繪制工作，有了完善的LiDAR體系，就能更高頻、精準(zhǔn)地更新中國(guó)植被分布圖，并及時(shí)指導(dǎo)生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目。”
郭慶華團(tuán)隊(duì)在野外。受訪(fǎng)者供圖。為生態(tài)管理提供精準(zhǔn)信息
在郭慶華看來(lái)，一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)“從0到1”的突破，離不開(kāi)科研人員的開(kāi)放態(tài)度和對(duì)創(chuàng)新點(diǎn)的捕捉。他同時(shí)意識(shí)到，想要將科研成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力、實(shí)現(xiàn)“從1到100”的積累，離不開(kāi)工程團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持。
“算法的創(chuàng)新和工程性進(jìn)展不一定能在考核體系中體現(xiàn)，但是工程團(tuán)隊(duì)在軟硬件研發(fā)中的作用，是取得科研進(jìn)展所不可或缺的。”把科研陣地搬回國(guó)的同時(shí)，他成立了公司——數(shù)字綠土。
而LiDAR技術(shù)的用武之地，也不只是林業(yè)管理。郭慶華介紹，搭載LiDAR的無(wú)人機(jī)還可以參與電力巡檢，通過(guò)檢測(cè)植被是否給電力線(xiàn)造成障礙，進(jìn)而避免潛在火災(zāi)。
“過(guò)去，電力巡檢需要人工完成，效率很低，如果在空中作業(yè)，有人機(jī)不僅成本高，也更容易發(fā)生事故。因此，電力巡檢最大的需求就是，用更便宜的設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效的安全檢查?，F(xiàn)在，用搭載LiDAR的無(wú)人機(jī)，就能廉價(jià)、高效實(shí)現(xiàn)電纜的大面積精細(xì)掃描?！?/span>
十余年來(lái)，他們面向生態(tài)地質(zhì)調(diào)查、安全巡檢的需求，逐一攻克技術(shù)難題，不僅研發(fā)了地面與低空LiDAR掃描器，還推出集成點(diǎn)云算法的軟件平臺(tái)LiDAR360，解決了點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)間對(duì)齊、校準(zhǔn)等問(wèn)題。他們的硬件產(chǎn)品銷(xiāo)往全球40多個(gè)國(guó)家，軟件平臺(tái)的用戶(hù)遍布全球137個(gè)國(guó)家。
郭慶華在書(shū)寫(xiě)科研“書(shū)架”與技術(shù)軟硬件“貨架”的同時(shí)，也沒(méi)有耽誤教學(xué)的使命。他編寫(xiě)LiDAR教材，為本碩學(xué)生開(kāi)設(shè)遙感課程，還致力于面向校外開(kāi)展LiDAR培訓(xùn)。讓他感動(dòng)的是，今年6月底的第十屆培訓(xùn)班，有一位來(lái)自中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的匯報(bào)專(zhuān)家，曾是第一屆森林生態(tài)應(yīng)用培訓(xùn)班的學(xué)員。
如今，培訓(xùn)班已經(jīng)服務(wù)3萬(wàn)余名學(xué)員?！巴ㄟ^(guò)這些年的培訓(xùn)，我們鼓勵(lì)科學(xué)家多分享科研成果，讓更多人了解LiDAR技術(shù)的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在掌握技術(shù)的人越來(lái)越多，我們就教大家如何做好數(shù)據(jù)分析?！惫鶓c華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
這位北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)兒時(shí)生活在廣東潮汕漁村，自小與稻田、河流、青蛙打交道，早就明白人類(lèi)對(duì)自然資源的依賴(lài)。如今，郭慶華推動(dòng)LiDAR技術(shù)的普及與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了回國(guó)時(shí)的部分心愿。他說(shuō)，自己將繼續(xù)探索，為生態(tài)管理提供精準(zhǔn)信息，實(shí)現(xiàn)地球“綠土”的高精度“數(shù)字化”。
本文鏈接：找到“最高的樹(shù)”，只是他的“小目標(biāo)”http://m.sq15.cn/show-11-23544-0.html
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