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他用激光雷达测量了中国最高树——北京大学遥感所郭庆华教授
发布时间:2022-07-25     来源:北京大学遥感所     浏览:2954

《鲁健访谈》是由中央广播电视总台华语环球节目中心策划的高端人物访谈栏目,由鲁健担任主持人 ,节目通过对话全球各领域影响力人物、聚焦国际关注的热点话题,呈现新时代的中国形象。

日前,北京大学遥感所郭庆华教授做客《鲁健访谈》,围绕如何对中国最高树进行精准测量、新一代中国植被图绘制、激光雷达将如何助力中国生物多样性保护等话题接受了鲁健专访。

在人迹罕至的森林腹地,无人机激光雷达与背包激光雷达相互配合,边扫描、边制图、边定位,很快就能确定一棵巨树有多高多粗。不久前,中国大陆最高树纪录被连续刷新,两次最高树测量中用到的激光雷达系统,都是由遥感科技专家郭庆华团队自主研发,在全球首次实现无人机与激光雷达联合作战测量树高,使中国“树王”的准确身高被定格为82.6米!

郭庆华把激光雷达形容为“对物理现实世界的数字复制技术”。过去近20年里,他将三维激光雷达技术用于生态学领域,带领团队进行相关仪器的软硬件研发,完成了作物育种、树高精确测定、新一代中国植被图绘制等多项工作。

未来中国新“树王”最可能诞生在哪里?新一代植被图有哪些生态变化的玄机?在郭庆华看来,激光雷达技术将让人类看见地球家园更多细微的变化,更了解它、从而更珍视和保护它,努力建设一个可持续发展的绿色地球。

今年5月,中国大陆的最高树纪录接连被打破。5月8日,在西藏墨脱县发现了一棵不丹松,郭庆华团队采用三维激光雷达测量后确定,这棵不丹松高度为76.8米,是中国大陆最高树。仅仅10天后,纪录就被打破了。在西藏察隅,第二次青藏科考发现了新的“树王”,经过郭庆华团队的三维激光雷达精准测量,确认准确高度为82.6米。

郭庆华告诉鲁健,在墨脱最高树的测量中,测量团队采取无人机激光雷达加背包激光雷达联合作战,为全球首创,这也标志着中国目前用激光雷达测树高的技术在世界上处于领先地位,“以前开展森林调查,一个样方可能要好几个小时,有了激光雷达设备,现在能缩短到几分钟。经过电脑自动处理,可以很快获得相关数据。”

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有了这套激光雷达系统,“寻找最高树”变成了一个可重复的科学工作。不仅如此,植物学家也可以在相关数据基础上进行更多深入研究,“研究为什么树能长这么高,它的限制因子是什么,对我们理解整个生态的机理也有一定的帮助。”

郭庆华:仪器研发和发Paper同样重要!

1999年,在取得北大环境学学士学位、遥感和地理信息硕士学位后,郭庆华获得美国加州大学伯克利分校全额奖学金,前往攻读环境学博士学位。

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因为博士期间突出的科研成果,他毕业后直接获得了加州大学默塞德分校任教的机会。2005年的一次工作经历,让郭庆华意识到了激光雷达在生态学研究中的巨大潜力。

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郭庆华:2005年,我在美国加州大学,刚开始当教授的时候,美国联邦森林调查局委托加州大学做一个项目,想评价一下森林砍伐对生态系统的影响,需要一种非常精准的测量方法评价森林砍伐后的效果,传统的卫星遥感手段没办法看到这么精准的一个变化。我当时就提出,我们用激光雷达技术,因为它是一个厘米级的精度。

鲁健:正好是你的研究领域?

郭庆华:是,那时候激光雷达刚开始从军事转到民用,激光雷达就是人工智能的眼睛看大地场景。我们看到从激光雷达获取的森林植被的三维信息,我当时眼前真是被数据的质量震撼到了。比如哪些树被砍了,砍伐后哪些树长得更快,哪片由于雨水、温度的变化使得树木生长有微小变化,都可以通过激光雷达获取到。我看到这种技术会颠覆性地推进很多生态学的研究。

2012年,郭庆华放弃美国加州大学终身教授职称,全职回国。在当时,激光雷达价格昂贵,在中国的技术发展也相对缓慢。从那时起,郭庆华心里就有了自研系统的想法,“我们一定要自研出便宜的,让科学家都能用得上的激光雷达系统。”

郭庆华说,当年刚回国时,中国大部分激光雷达硬件、软件都要依赖国外进口。近年来,中国在三维激光雷达研制上已取得非常大的进展,特别是随着无人驾驶行业的高速发展,小型化的激光雷达传感器已基本实现国产化,但最底层的电子、光学等部分元件仍需要进口。

“我觉得有点遗憾的是,我们整个科研考核体系里面,过分强调以发表文章为主导的这么一种评价体系。当然我们国家也认识到这个问题,去改变唯文章这种思想。总体来说,我觉得仪器研发还是现在大家比较忽视的。”

经过多年的仪器研发,如今,郭庆华和团队已经攻克了激光雷达硬件平民化、海量数据采集和处理的算法自动化等难题。“中国在这些方面已经走在了世界前列。”

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如何建设一个可持续发展的绿色地球?

郭庆华说,激光雷达是“对物理现实世界的数字复制技术”,当它牵手万物互联技术,如人工智能、无人机等,可将整个生态系统实现数字化。而在每一次“数字复制”的过程中,他都心存敬畏之心,“人类在地球上能够存活多少年,是可计算出来的。如何让人类文明更好地延续下去?首先需要建设一个可持续发展的绿色地球。”

一棵大树的长成往往需要百年甚至千年,而砍伐只需一瞬。通过激光雷达技术寻找中国最高树,将它呈现给公众,也是唤起更多人对森林和地球生态系统的好奇与热爱。

从2018年起,在中科院地球大数据科学工程项目支持下,郭庆华作为“新一代中国植被图绘制”主要负责人之一,联合中国各地300多名植物学家,利用卫星遥感和激光雷达、手机应用等近地面遥感技术,开展了对中国植被数据的高效采集。他透露,就在今年年底,更高分辨率、更准确的新一代中国植被图将完成,明年会正式发布。这距离中国上一代植被图绘制已过去了40多年。

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1:1000000 新一代中国植被图现实性更新版

“40年间,中国植被类型有百分之三四十都发生了变化。中国新增森林覆盖面积占到全世界新增覆盖面积的四分之一。但我们也发现,虽然变绿了,但群落的多样性并没有变得更好。我们用精准或重点采集方法,可以看到更细微的变化,而这些变化可以帮助我们做一些决策。”

和三维激光雷达技术打了20多年交道,当被问及“为何当年回国时,选择投入激光雷达在生态学领域的应用”时,郭庆华说,自己的成就感并非来自别人的认可,也从未以金钱和物质来衡量人生的选择。“作为一个科学家,我的初心是能够为建成一个可持续发展的绿色地球做一份贡献,让国家更富强,让技术帮助更多人过上更好的生活,那就有意义了。”

相关精彩内容,敬请观看(7月22日)22点 CCTV4《鲁健访谈·对话郭庆华》。



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