领创北京｜森海识“谱”

全国共有多少棵树？“中国最高树”身在何方？超过百岁的“老树”都分布在哪儿？

千山万壑，树影苍苍。有一个人，二十年如一日寻求技术的突破，无数次深入险境丛丛的森林腹地进行实地考察，只为破解这些看似“无解”的自然谜题。

他是北京大学地球与空间科学学院博雅特聘教授、北京大学遥感与地理信息系统研究所所长郭庆华。近年来，他和团队不懈努力，借助激光雷达技术，探明了中国森林“家底”，绘制完成树密度地图，给古树建好“全息档案”，为我国的生态环境建立“绿色账本”……

郭庆华

绿野寻踪

为什么要探索激光雷达技术在生态学方面的应用？

每当面对这样的提问，一轴陈旧的画卷，就会在郭庆华眼前徐徐展开：

稻田水满，蛙声亲切。浓墨淡彩的绿，带着湿漉漉的水汽，在人们的眼前晕染开来。夕阳渐沉、夜幕四合之际，老街上昏黄的街灯次第亮起。老人们搬着板凳坐在灯下摇扇喝茶，孩子们在树林和青草间追逐着点点萤火，欢笑声在夜晚的微风中飘散……

郭庆华在广东汕头的一个小村庄度过了宁静又惬意的幼年时光。后来，这位林间奔跑的孩子长大离开家乡，走进了顶尖学府，开始探索领先全球的前沿科技。但儿时“人在草木间”的记忆，始终珍藏在他心底一隅。

对自然的亲近与守护，成了他挥之不去的人生底色。

1999年，从北京大学地图学与地理信息系统专业硕士毕业后，郭庆华赴美攻读环境学博士学位，毕业后任教加州大学默塞德分校，并凭借突出的科研成果破格成为该校终身教授。

在此求学和任教期间，有一个地方，成了郭庆华的“栖心地”。那就是位于加州西北部的红杉树国家公园。

晨雾弥漫在太平洋沿岸的层峦叠嶂，北美红杉静默地矗立在这里。被称为“史前巨人”的红杉，根系深植土地，冠冕却在触摸流云。世界最高树——亥伯龙树正在它们之中，从115.92米的高空俯瞰着地面的风云变幻，树皮的每一道皱褶里都藏着征服天空的密码。

带着对自然近乎膜拜的心意，郭庆华一次次来到它的脚下。“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟”的感叹与震撼之后，是亘古的叩问：

是什么让它们千年不倒地屹立于此？是什么让它们写下了亿万年的演化史诗？是什么造就了它们向着天空极限生长的奇迹？

叩问带来的，是“蚍蜉撼树”的勇气。郭庆华如同一个“探路者”，勇敢地向着广阔无垠的自然界迈出脚步。

2005年，郭庆华开始带领团队利用厘米级精度的激光雷达技术，为当地森林砍伐对生态系统的影响进行监测与评估。那时候，激光雷达技术刚刚从军用扩展到民用，透过人工智能的眼睛，他精准地看到了大地上正在发生的一切。

“哪些树木被砍伐之后生长得更快，干旱、野火等扰动给树木生长带来了哪些影响，每个细节都被激光雷达精准地捕获了。”郭庆华敏锐地察觉到，激光雷达技术将为生态学领域的研究带来颠覆性的变化。彼时，激光雷达设备造价昂贵，其技术发展在我国也相对滞后，大部分软硬件都要依赖国外进口。

“我看过世界上许多美丽的风景。在我心里，最美丽的河山就在中国。”郭庆华希望激光雷达技术也能广泛地应用在中国的生态学、城市环境等领域，2012年，他回国先后在中国科学院植物研究所、北京大学地球与空间科学学院任职，并带领团队走上了自主研发的道路。

如今，郭庆华团队已经攻克了激光雷达软硬件平民化、海量数据采集和处理的算法自动化等难题。团队所研发的激光雷达软硬件已被国家电网、林草局、测绘局以及美国、日本等130多个国家与地区的用户广泛应用。

“我国激光雷达技术的应用，已经在生态学领域占据了头部的位置。”郭庆华自豪地说。

森林地图

当你行走在郁郁葱葱、树影斑驳的林间小路，一阵风起，“万壑树声满”之际，是否曾有这样的一念忽起：

中国之大，究竟有多少棵树？

今年3月，郭庆华团队在《科学通报》杂志在线发表的研究成果，给出了准确的答案——截至2020年，全国约有1426亿棵树。

郭庆华打开办公室的电脑，一张中国地图点染着深深浅浅的绿，映入眼帘。这是我国首张“树密度地图”，也是他带领团队十余年苦心孤诣、万水千山走遍才完成的科研成果。只此青绿间，包含着中国森林的整体分布、全国树木数量的精细测算及各地树木密度等情况。

树木的家底要怎么摸清？郭庆华介绍，传统的森林调查依赖于人工样地调查，在全国范围内估算树木数量面临诸多挑战。为解决这一问题，他带领团队突破传统方法瓶颈，从2015年开始，利用自主研发的手持、背包、无人机等激光雷达设备，在全国各地区收集森林激光雷达数据。至今，无人机激光雷达数据量已超过400TB（太字节），覆盖各类森林生态系统。

当无人机搭载着激光雷达传感器飞跃森林上空，雷达发出激光束，激光束在地面和树冠之间往返，带回树木的三维点云数据。就像给人体做CT一样，这些点云数据也是树木的断层影像，可以细致地反映树木的密度、高度、分布。通过对全国典型森林的持续扫描，郭庆华团队已经获取7万多个无人机激光雷达1公顷样方数据，形成树木的激光雷达数据库。

同时，团队借助遥感卫星获取空间连续、覆盖全国的数据，并结合地形、土壤、气候等多源遥感数据，构建AI（人工智能）模型。最终形成了高分辨率的树木密度分布图，实现对全国各地区树木数量的估计。

结果显示：截至2020年，我国的平均树密度约每公顷689棵，人均拥有约100棵树。寒温带针叶林植被区以高达每公顷约720棵的树密度，贡献了全国超过60%的树木（约879亿棵树），暖温带落叶阔叶林区的树木密度最高，约达到每公顷989棵。从地理区域看，东北、东南和西南地区的树木数量和密度，显著高于北方和西北地区；西南地区树木数量最多，约360亿棵。

从河流流域尺度来看，长江流域以约496亿棵树的绝对优势位居首位，同时东南流域、西南流域及珠江流域等均有超过100亿棵树。在省域层面，四川、黑龙江、云南和广西的树木总数超过100亿棵，占全国总量的32%。其中，四川凭借复杂地形和多样的气候条件，树木数量居全国首位。在人均树木数量方面，西藏以人均拥有约2000棵树的成绩遥遥领先。

除了“森林密度图”外，2018年起，在中国科学院A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”项目的支持下，郭庆华作为“新一代中国植被图绘制”任务的主要负责人之一，开始联合全国各地300余名相关领域内的专家、学者，利用团队研制的软硬件共同展开新一代中国植被图的绘制工作。

目前，1∶100万比例尺的更新版中国植被图已经发布。随着设备性能的不断提升、测量方法的不断改进以及数据的积累，中国植被图的精度还在不断提升。在全国各省植被生态学专家的支持下，1∶50万比例尺的中国植被图的绘制工作正在推进中。“我国上一代植被图是在20世纪80年代开始绘制的。如今，不论是植被类型还是测绘方法都有了巨大的变化。新一代植被图将更精准地反映我国当前植被分布的情况。”郭庆华说。

巨树寻踪

一棵树，究竟能长多高？

十几年前，每当郭庆华站在亥伯龙树脚下，举头仰望擎天巨冠时，总是忍不住自问。植物学研究给出的理论值是122至130米，眼前的“泰坦巨人”高115.92米。

有没有更高的树呢？中国之大，本土的“巨人”又在哪里呢？回国后，郭庆华便踏上了寻找“中国最高树”的旅程。

山海茫茫，最高树大概率身在幽谷。路在何方，又何以为凭呢？郭庆华展示出一张“寻宝图”——中国地图上排布着不同颜色的点阵。这是团队利用星载激光雷达脚点数据绘制的中国森林冠层高度图。颜色越深，树高越高。他指着地图左下角的深红色区域说：“最高的树，就藏在这个范围内。”

循着这个大方向，郭庆华团队与北京大学吕植团队、西子江生态保育中心、山水自然保护中心、北京数字绿土科技股份有限公司组成联合调查队，多次来到我国西南地区野外考察，寻找“最高树”的身影。而“中国最高树”的纪录，也随着技术水平的不断精进、考察范围的不断扩大一破再破——

2022年，在西藏墨脱发现的不丹松，高达76.8米；同年，青藏科考团队在西藏察隅县发现的云南黄果冷杉，高达82.6米；2023年，在西藏波密发现的西藏柏木，高达102.3米。

“即使利用中国森林冠层高度图‘划重点’，想要在茫茫林海之中，精准找到、测量‘最高树’，也要跨越重重难关。”郭庆华解释，首先要利用无人机大范围扫描目标区域，进行去噪、滤波、归一化等过程，最终得到更为精准的巨树潜在生长区。“由于研究区域大多位于山谷，航线高差大，所以我们创造性地采用了仿地飞行技术，通过设定与已知三维地形相对固定的高度，使无人机与目标地物保持恒定高差。根据测区地形自主生成变高航线，以求保持地面分辨率的一致。”

调查组携带背包激光雷达，进入森林腹地，对树冠遮挡的树木中下层同步进行激光雷达识别和数据获取。通过无人机与背包激光雷达相结合，对巨树聚生区域进行精准测量，得到巨树群的三维点云模型。用数据来回答“谁是最高树”的提问。

整个过程说起来容易，其实险境丛丛。郭庆华展示了一张在寻找“最高树”过程中拍摄的照片——他和团队成员穿着救生衣，搭乘橡皮艇，行进在湍急的江水中。浪花激荡、惊涛拍岸，小舟单弱、一叶翩翩，不禁令人替科研人员捏一把汗。

“这是我们横渡雅鲁藏布江时拍摄的照片。”郭庆华解释，彼时的目标树种——西藏柏木，生长于藏东南区域，仅在雅鲁藏布江大峡谷国家级自然保护区内有少量分布。考察团队涉江穿林，克服了种种危险，最终才抵达了这些巨树的脚下。

团队正是在这次考察中，发现了目前“中国最高树”纪录的保持者。这棵西藏柏木高达102.3米，刷新了按树种排名的世界高树列表，位列全球第二、亚洲第一。

今年6月，郭庆华再次从北大启程，回到“最高树”的身边。这次，他希望能够拨开“为什么最高树出现在这里”“是什么原因让它成为最高树”“水分如何从根部输送到树冠”等疑云，为我国生物多样性保护、生态价值开发提供更多有力的理论支持。

但郭庆华心里清楚，这个“亚洲最高”的称号，也只是暂时的。“百米高树的发现，给我带来了全新的希望。说不定，比亥伯龙树更高的某一棵树，正默默站在中国某个角落，等着我们的造访呢？”他说。

绿色账本

立体的树冠、密匝的枝杈、随意变换的视角……郭庆华打开电脑，一棵密密层层的“数字绿伞”，纤毫毕现地展现在眼前。

这充满未来感的画面，再现的却是最古老的事物。

这是位于陕西黄陵轩辕庙内的一棵古柏，相传是黄帝亲手种下的。经全国绿化委员会办公室认定，这棵古柏树龄超过5000年，是目前已知树龄最长的古树之一，也被誉为“轩辕柏”“世界柏树之父”。

郭庆华介绍，“今古交织”独特画面的呈现，也得益于激光雷达技术的应用。利用激光雷达的亿万高精度点云和3D高斯泼溅动态粒子建模，古树的树高、胸径、冠幅等多项参数可以自动计算出来，形成古树根系、主干、枝杈乃至表皮纹理等信息的电子记录和多维数据评估体系。这份全息档案可为古树健康情况诊断、修复方案制定及保护效果追踪提供全流程数字化决策支持。

古树名木承载着历史变迁，也被称为“绿色国宝”。利用该技术，郭庆华团队还在进行我国古树整体分布情况的调查研究，试图摸清我国的“古树家底”。

根据全国第二次古树名木资源普查，我国现有古树名木500余万株，主要分布在云南、陕西、河南、河北等省份。“自然保护区和国有原始林区中的古树是没有被统计的。利用激光雷达技术，我们已经在人迹罕至的自然保护区域发现了更多100岁以上的古树。因此，我国古树的数量可能远超现已探明的500余万株。”郭庆华透露，相关研究正在紧锣密鼓地推进过程中，数据将在不久的将来发布，“希望能为现行古树保护政策的修订提供更加精准的依据。”

人生百岁，树寿千年。物种繁衍，岁时更迭，可以是瞬间，也可以是永恒。

郭庆华说，激光雷达正是对物理现实世界进行数字复制的技术，当它牵手人工智能、无人机等万物互联技术，就可将整个生态系统数字化，让未来的人们看到“一微尘里三千界，半刹那间八万春”。

树密度地图、中国新一代植被图、古树分布图……郭庆华怀揣着敬畏之心，正在利用激光雷达相关技术，为我国的自然生态建立数字化“绿色账本”，并不断细化“账本”的内涵。

郭庆华说，虽然我国生态已交出了“人均百树”的“高分答卷”，但其中仍有许多地方值得关注并做出调整。“比如，近期我们研究发现，我国有些地区人工林密度过大，导致碳汇能力下降。我认为，我国的绿化应从量的扩张转变为质的增长，通过树木的种类、数量、布局等调整，使经济利益、生态效益达到最大化。”

通过不断完善这份“绿色账本”，郭庆华希望能为生态系统的今天留下数字的存档，也为绿色发展的明天找寻更适宜的道路。

记者：孙乐琪