他們要數(shù)清中國的樹

中國有多少棵樹？一篇發(fā)表在國際期刊的論文給出了答案：截至2020年，中國共有1426億棵樹，平均每公頃森林有689棵樹，相當(dāng)于14億人每人“擁有”100棵樹。

這篇論文繪制出中國首張100米分辨率的樹密度地圖。從這張圖上可以解讀出不少信息：純粹看數(shù)量，四川的樹最多，西藏的樹最少；把人口當(dāng)分母，西藏的人均樹木擁有量最高，達(dá)到近2000棵，天津、上海人均1棵。

變換一下觀察尺度，能看到更多有趣的發(fā)現(xiàn)，比如長江流域約有496億棵樹，是全國流域之冠；西南地區(qū)擁有最多樹木，西北最少；全國61.6%的樹木長在寒溫帶針葉林植被區(qū)，而暖溫帶落葉闊葉林區(qū)的樹木密度最高，每公頃的森林約有989棵樹。

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授郭慶華主持了這項研究。10年來，他和學(xué)生們用激光雷達(dá)掃描中國的森林，1公頃作為一個“樣本”，一共掃了7萬多個，積攢了400TB的數(shù)據(jù)（TB，太字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲容量單位，1TB=1024GB）。論文的第一作者程凱，當(dāng)時還是郭慶華課題組的博士后，他帶著課題組的成員用這些數(shù)據(jù)拼出中國森林的“三維地圖”。

數(shù)清中國的樹是“不可能完成的任務(wù)”嗎

在這份“樹密度地圖”上，中國大多數(shù)省份的樹木超過了1億棵，四川、黑龍江、云南和廣西四地的樹木數(shù)量共占中國總樹木數(shù)量的32%；寧夏、上海、天津僅占全國樹木總數(shù)0.04%；臺灣、江蘇、安徽的樹木密度超每公頃800棵樹。

胡煥庸線——從黑龍江黑河橫貫到云南騰沖，與中國400毫米等降水量線高度重合。胡煥庸線以東的區(qū)域雨水足、土壤肥，天然林和人工林能扎根成林；胡煥庸線以西的區(qū)域干旱貧瘠，開展人工造林，但“樹密度地圖”顯示，人工林存活率低，樹密度也低。

程凱如今是北京大學(xué)遙感與地理信息研究所特聘副研究員，他說研究還發(fā)現(xiàn)中國“綠得更快了”。過去30年，全球的森林在減少，而中國的人工林面積幾乎翻了一倍。這些人工林像張開的綠色巨網(wǎng)，通過光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機碳，儲存在枝干、葉片和土壤中，它們把地上的碳庫從675億噸提升到1873億噸，平均每年固碳約40億噸。這一數(shù)字相當(dāng)于全中國2.8億輛私家車（年均碳排放2噸/輛）停駛7年減少的排放量。

2021年，接到“中國有多少棵樹”的研究課題時，剛進組的程凱認(rèn)為這是“不可能完成的任務(wù)”。中國森林面積約2.47億公頃，涵蓋熱帶、亞熱帶、暖溫帶、寒溫帶等多個類型。他當(dāng)時心想，別說數(shù)中國有多少棵樹，“就連數(shù)清楚北大有多少棵樹都很難”。

“數(shù)清中國的樹”，是程凱的合作導(dǎo)師郭慶華惦記了快10年的研究課題。2015年，《自然》雜志刊發(fā)的一篇論文曾結(jié)合大規(guī)模的實地測量、遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計建模的方法，總結(jié)全球約有3.04萬億棵樹。那時，郭慶華已經(jīng)帶著課題組成員，在中國的森林里積累了3年數(shù)據(jù)，中國科學(xué)院植物研究所副研究員胡天宇參與其中。

胡天宇說，《自然》刊登的論文中有關(guān)中國森林的數(shù)據(jù)不足。他還記得，郭慶華看到論文很受觸動?！肮蠋熣f，數(shù)樹是激光雷達(dá)的強項，他們能做，我們也能做，而且做得肯定比他們更準(zhǔn)”。

給森林拍“CT”片

郭慶華提到的激光雷達(dá)技術(shù)，如今廣泛應(yīng)用于森林測繪工作。傳統(tǒng)的爬樹測樹的方法，靠人力逐棵測量樹的胸徑、樹高，但沒法取得樹冠層次、空間分布等森林結(jié)構(gòu)的信息；有些樹長在斜坡上，樹干還是彎彎曲曲的，就算爬上去也測不準(zhǔn)。他記得，2005年，他還在美國做研究，認(rèn)識的一位美國學(xué)者要去測一棵巨樹的高度，爬到樹腰時天色已晚，只得在樹上扎營，后來風(fēng)雨驟降，這位學(xué)者險些遇難。

那一年，郭慶華第一次用激光雷達(dá)掃描整片森林。設(shè)備發(fā)射脈沖，碰到樹冠上的樹葉、樹干會反射回來，被儀器捕捉記錄。激光脈沖的“折返跑”就像沿著物體輪廓勾勒的畫筆一樣，能描述一棵樹的高度、形狀和它在森林里的具體位置。

當(dāng)激光雷達(dá)掃描出的三維數(shù)據(jù)在電腦屏幕上展開時，每棵樹的高度、彎曲弧度都顯示出來。郭慶華對他的學(xué)生說：“以后不需要爬樹了，我們要用激光雷達(dá)來測樹?！?/p>

2012年，郭慶華放棄美國加州大學(xué)終身教授職稱，全職回國。他去測繪培訓(xùn)班講課，問有誰聽過激光雷達(dá)技術(shù)，班里幾百個人，舉手的不到5個。當(dāng)時，郭慶華想用激光雷達(dá)設(shè)備在中國采集一片森林的數(shù)據(jù)，需要花費30萬～40萬元。這讓他下定決心，要推動研發(fā)出性價比更高的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

程凱解釋，森林測繪工作要“外頭跑”和“屋里算”相結(jié)合——通過衛(wèi)星遙感地圖選擇要測的森林樣本，把數(shù)據(jù)從野外帶回來，再通過計算機算法建立三維模型，就像醫(yī)學(xué)領(lǐng)域拍“CT”片。

在西藏，郭慶華團隊掃描了墨脫、察隅和波密3個縣的典型原始森林——飛手操控搭載激光雷達(dá)的無人機，飛到樹冠以上100多米的空中，掃描研究人員劃定了范圍的森林，有時還要和地面激光雷達(dá)互相配合。

“掃描一片林子就十幾分鐘?！辟囋坡陡闪撕脦啄觑w手，最初他只懂無人機、不懂樹，長期的野外工作讓他對樹產(chǎn)生了許多好奇，也總結(jié)出不少野外經(jīng)驗。

除了飛手，熟悉地形的當(dāng)?shù)鼐用?、有野外實地勘察?jīng)驗的研究人員也會充當(dāng)向?qū)?，在茂密的森林深處為研究團隊指路。回國數(shù)年，郭慶華帶領(lǐng)課題組掃過北京房山區(qū)的森林，也掃過廣東湛江的紅樹林。他們?nèi)ミ^黑龍江的大興安嶺、海南的尖峰嶺，也去過浙江古田山、吉林長白山、湖北神農(nóng)架、河北五道溝等。

在西藏，西子江生態(tài)保育中心負(fù)責(zé)人李成和當(dāng)?shù)氐牟孛癜压鶓c華團隊引入波密，找到目前被認(rèn)為是亞洲最高的、102.3米的西藏柏木。李成說，傳統(tǒng)的科研工作要求學(xué)者要把自己的領(lǐng)域做得很細(xì)很精，但生態(tài)學(xué)是個綜合學(xué)科，需要更宏觀的研究視角和不同專業(yè)的人。

真實的樹什么樣，電腦里的樹也要什么樣

程凱曾在央企從事軟件設(shè)計研究工作，但心里總惦記著自己的專業(yè)，“還是想回到林子里，一直和大自然打交道”。他辭去穩(wěn)定的工作、加入郭慶華團隊做博士后，接到的課題之一就是“數(shù)樹”——借助計算機，不光要數(shù)出樹有多少，還得找出樹的特征。

拿到郭慶華團隊積累多年的森林?jǐn)?shù)據(jù)時，程凱感到驚訝，400TB相當(dāng)于8萬部高清電影的數(shù)據(jù)量。

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院博士生楊澤坤負(fù)責(zé)解析這些數(shù)據(jù)。在他計算機的顯示屏上，表示樹木的綠色點湊成一團。當(dāng)時的技術(shù)難點是，如何把這一團數(shù)據(jù)還原成一片能看得清每棵樹的森林，給每棵樹都辦上“身份證”。郭慶華的要求是，要用AI算法把圖做得跟人眼看到的一樣，“（野外）實地能看到真實的樹是怎么樣的，在電腦上，樹也要有這些特征和細(xì)節(jié)”。

AI算法很難分清“誰是誰”——當(dāng)兩棵樹樹冠交疊，或樹干貼得極近時，傳統(tǒng)算法會默認(rèn)為它們是一棵樹。一旦算法的精度不夠，最后數(shù)出的樹木數(shù)量也會有嚴(yán)重偏差。

楊澤坤花了兩年多去解決這個難題。他給AI算法裝上了“三雙眼睛”：先在“三維數(shù)據(jù)集合”里找樹干，當(dāng)樹干被灌木等遮擋，就從高往低看，尋找樹冠；當(dāng)樹冠形狀不均勻，或與鄰樹的樹冠重疊，就找樹枝；沿著枝條逐點追蹤，通過幾何模型判斷是否來自同一棵樹。

這是“單木分割”技術(shù)，相當(dāng)于在樹木交疊的森林里精準(zhǔn)識別、“拆”出獨立的單棵樹。然后，楊澤坤根據(jù)點位還原樹的輪廓，找出一棵完整的樹，精確到樹高、冠長、冠幅等，甚至它在森林里的準(zhǔn)確位置——逐漸還原出一片“數(shù)字森林”。

在此基礎(chǔ)上，程凱以氣候、土壤、地形、植被和人為自變量，以實測樹密度為因變量，用AI學(xué)習(xí)模型推算“什么樣的森林環(huán)境會長多少棵樹”。經(jīng)過多次檢驗，AI推算精度能達(dá)到80%左右，最終繪制出全國的“樹密度地圖”。

出去就要多看看，真正了解中國的情況

“樹密度地圖”對森林的定義是，樹冠覆蓋率大于30%的土地，包括天然林和人工林。程凱介紹，城市和農(nóng)田邊上的防護林，暫時沒有被納入這次的統(tǒng)計中。

摸底中國森林的工作始于20世紀(jì)六七十年代，國務(wù)院林業(yè)主管部門組織全國森林資源連續(xù)清查工作，第一次調(diào)查成果在1973年發(fā)布，之后每隔5年進行一次清查工作。直至2018年，國家林草局共發(fā)布了9次清查結(jié)果。

根據(jù)中國第九次全國森林資源清查，全國樹木密度報告為每公頃1052棵樹，顯著高于“樹密度地圖”估計的每公頃689棵樹。程凱解釋，激光雷達(dá)掃描時的技術(shù)誤差和樹冠的遮擋，導(dǎo)致目前計算的數(shù)值比真實情況小。

胡天宇以一座城市為例解釋說：“森林清查能大致說明北京有多少棵樹，‘樹密度地圖’可以看到海淀區(qū)有多少棵樹，密云區(qū)的某個山溝溝里有多少。”

截至目前，“樹密度地圖”等相關(guān)的中國植被數(shù)據(jù)集已經(jīng)在學(xué)術(shù)網(wǎng)站被下載引用超過一萬次，研究成果被國家林業(yè)和草原局等官方部門轉(zhuǎn)發(fā)。英國廣播公司（BBC）和科學(xué)新聞網(wǎng)站LiveScience稱這是一項開創(chuàng)性的研究。BBC在報道時指出，它為中國未來10年種植700億棵樹的計劃提供了關(guān)鍵工具。

“這項研究是中國第一次高分辨率的樹木密度測繪?！惫鶓c華說，“最終有助于中國的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)?！彼乱徊降挠媱?，是把“樹密度地圖”沒統(tǒng)計的城市樹木、農(nóng)田邊的防護林等，納入研究。

程凱還想要給森林開“處方”，根據(jù)每個區(qū)域的氣候、土壤和樹種特性，找到最優(yōu)樹木密度。“怎么種，是否有必要種，要不要調(diào)整……不是樹種得越多越好、越密越好”。

胡天宇用“豆芽實驗”解釋：同樣大小的育苗盒，撒100顆豆子，豆芽細(xì)長；只撒10顆，豆芽粗壯；只撒1顆，浪費空間。“森林也一樣，過密導(dǎo)致樹長不大，都是‘小老頭樹’，抗風(fēng)險能力差。一場災(zāi)害來了，樹全死了，但是種得過疏則浪費土地”。

郭慶華說，綠化的原則應(yīng)該是“宜林則林，宜灌則灌，宜草則草”。

例如，東部人工林“太密”需要間伐（在一定時期內(nèi)，有計劃地砍伐部分樹木），西部部分林地“太疏”可以補植?！皣以炝值耐恋刭Y源有限，要用好每一塊土地?！背虅P希望能在現(xiàn)有的林地面積上，做加減法，不需要占用其他土地類型。

目前，已有地方林業(yè)部門計劃用“樹密度地圖”的數(shù)據(jù)開展試點工作，保證每棵樹種到合適的位置上。此外，第二次全國古樹名木資源普查結(jié)果顯示，中國普查范圍內(nèi)現(xiàn)有古樹名木共計508.19萬株。但程凱初步估算，全國100歲以上的古樹可能遠(yuǎn)超這個數(shù)字?！肮俜降臄?shù)據(jù)只算城市和寺廟的古樹”，原始森林中一次就能發(fā)現(xiàn)一大片古樹。

上個月，郭慶華和團隊回到波密，重測那棵102.3米的西藏柏木，發(fā)現(xiàn)樹尖附近仍然在長新芽——樹木高度與水分的關(guān)系，出現(xiàn)了新的謎團。郭慶華還想去測馬來西亞和美國的最高樹，把巨樹的生長機理給弄明白。他希望國家能在藏東南地區(qū)建立國家森林公園，其他地方開放，把最高樹保護起來。大家能近距離觀察、感受巨樹，最高樹也能得到保護。

這個建議正在變成現(xiàn)實。北京大學(xué)遙感與地理信息研究所特聘副研究員任淯說，國家相關(guān)部門已根據(jù)他們的數(shù)據(jù)，在雅魯藏布大峽谷區(qū)域設(shè)立專項保護項目，投入約800萬元用于巨樹群落保護。

任淯已經(jīng)加入郭慶華課題組4年。她做巨樹、古樹研究，一年總要去幾次野外。七月上旬接受采訪時，任淯和程凱剛從西藏林芝回來。這位女士身上爬過螞蝗，遭遇過蜱蟲和毒蛇。她說，森林里有危險，但大自然也總是給人力量。

程凱一直記得七八年前讀博時，老師曾說：“學(xué)地理的人，如果出去只是‘上車睡覺、下車拍照’，那就白學(xué)了。我們出去就要多看看，真正了解中國的情況?！鞭o職回到“森林”，他說是因為熱情和坐“冷板凳”的耐心。

“靜下心來很重要?！惫鶓c華也總說，“只管瘋狂往前跑。一樓滿是雜聲，到18樓，就聽不到這些聲音了。”

（汪婷婷摘自《冰點周刊》）