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1% Knowledge》台灣有9.5億棵樹,為什麼直到今天我們才找到最高的一棵?
(圖/SMC提供)84.1公尺的「大安溪倚天劍」。當人站在樹下幾乎縮成一個小點時,數字開始有了具體的尺度,也讓人理解魯凱族為何稱這些台灣杉為「會撞到月亮的樹」。
「台灣最高的樹在哪?有多高?」十多年前,林業試驗所副研究員徐嘉君開始認真思考這個問題,當時沒有人知道答案,直到現在,我們才開始知道一些輪廓。這件事聽起來有些不可思議,畢竟我們知道玉山主峰是3952公尺,知道台北101高508公尺,也知道世界最高建築哈里發塔高828公尺,但在一座森林覆蓋率超過六成、擁有約9.5億棵樹的島嶼上,卻沒有人能確切說出最高的一棵樹在哪裡。
徐嘉君後來曾說,自己原本研究的是樹冠層生態,因為工作需要經常爬樹:「爬著爬著愈攀愈高,自己也不免好奇,到底樹可以長多高?」這個看似單純的問題,後來變成一項歷時十多年、結合航空光達測繪、攀樹調查與公民科學的全台巨木計畫,而答案直到今年才逐漸清晰;近期他們發現了位於大安溪上游的一棵高84.1公尺的台灣杉,被命名為「大安溪倚天劍」,成為目前已知的台灣最高樹,也是東亞最高樹。
最近上映的紀錄片《神木之島》就在講這個故事,記錄的正是這群研究員、攀樹師與森林工作者尋找巨木的過程,不過這個84.1公尺只是目前得到的答案,未來可能還有沒有我們不知道,在那之前,研究團隊其實先得到57,000個「答案」。
從棲蘭三姊妹開始,一場沒有地圖的尋樹計畫
2014年8月,研究團隊前往棲蘭保護區調查著名的「棲蘭三姊妹」,其中最高的一棵台灣杉達69.3公尺,樹幹直徑接近三公尺,這趟調查讓研究人員意識到,台灣或許還有更多尚未被發現的巨木。
問題是,該從哪裡找起?森林不像城市。沒有地址、沒有門牌,台灣六成以上國土被森林覆蓋,估計約有9.5億棵樹。即使把範圍縮小到高山原始林,規模依然驚人,如果要在這樣的森林裡找出最高的一棵樹,靠的絕對不會是運氣。
這個轉機,來自於LiDAR(Light Detection and Ranging,光達測繪)技術。
如果說過去尋找巨木靠的是雙腳、經驗與運氣,那麼LiDAR則讓研究人員第一次有機會從空中重新認識整座森林。這項技術的原理並不複雜,透過飛機沿著山區航線飛行的同時,向地面發射數以百萬計的雷射脈衝,這些打在樹冠、穿過樹葉乃至於撞擊地面的雷射在反射的同時,系統就可以透過計算雷射往返時間重建森林與地形的三維模型,於是從電腦螢幕上看這整片森林,就不再只是綠色的一片,而是由無數高低不同的點所構成的立體地景。
對森林研究而言,這是一種近乎革命性的改變。過去,研究人員即使站在森林裡,也很難看清整座森林的樣貌,由於高大的樹冠遮蔽了視線,加上山谷與稜線切割了地形,人們往往只能看見眼前的一小部分(就是人們說的「見樹不見林」),而LiDAR則提供了另一種視角——從天空俯瞰的整座森林。
如果說徐嘉君代表的是走進森林找樹的人,那麼成功大學測量及空間資訊學系教授王驥魁,則是從天空找樹的人。長期研究遙測探測與空載光達技術的他,負責巨木計畫中的空間分析工作,過去主要應用於地形測繪、防災與國土調查的LiDAR資料,在這項研究裡被轉化成尋找巨木的工具。研究團隊後來能夠從全台森林資料中找出潛在巨木位置,背後正是王驥魁團隊建立的分析方法。
研究團隊利用政府委託執行的航空光達測繪資料,來建立全台森林的冠層高度模型(Canopy Height Model)。簡單來說,就是把每棵樹的高度轉換成可以分析的數據,當搜尋條件設定在65公尺以上時,系統很快給出結果:57,000 個候選目標。
這個數字讓研究團隊興奮,也讓他們意識到新的問題正在出現。因為LiDAR雖然能告訴研究人員哪裡「看起來很高」,卻無法直接告訴他們,那究竟是一棵樹、一面崖壁,還是一段陡峭山坡。於是,真正困難的工作從這一刻才開始。
台灣的山,比樹更容易騙過電腦
這 57,000個候選目標出現後,研究團隊原本以為自己離答案已經不遠。畢竟,這是台灣第一次透過全島尺度的LiDAR資料來尋找巨木,過去需要靠登山經驗、林班紀錄甚至地方傳說才能找到的神木,如今似乎都可能在電腦螢幕上被標示出來。
但很快地,研究團隊發現,LiDAR雖然擅長測量高度,卻不擅長理解台灣。電腦看到的世界,其實是一連串高低起伏的點位資料,它知道哪裡比較高,哪裡比較低,卻不知道自己看到的是一棵樹、一塊岩壁,還是一段陡峭山坡。而台灣,偏偏是一座特別容易讓電腦產生誤會的島嶼。
從地形來看,台灣是全球少數在極短距離內同時擁有海岸、峽谷、崩壁與三千公尺高山的地方:中央山脈與雪山山脈將整座島嶼切割成無數深谷與稜線,許多地區的坡度甚至超過四、五十度,對登山者而言,這代表壯觀的地景,但對LiDAR來說,卻代表大量可能的誤判。
研究團隊曾發現一筆令人興奮的資料。電腦模型顯示,那裡有一個超過100公尺高的訊號,如果這是真的,這將不只是台灣最高樹,甚至足以進入全球巨木榜(當然,如果有這個排行榜的話);但當研究人員放大資料、反覆檢查,再前往現場驗證後,結果卻完全不同:其實,那是一棵約54公尺高的樹,生長在約50公尺高的崖壁上。樹是真的,崖壁也是真的,只是電腦把兩者加在一起了。
研究人員發現,從某些角度觀看點雲模型時,樹冠與崖壁的高度可能會被視為同一個「物體」,因此出現某個超過100公尺物件的假象。類似的情況在台灣並不少見,有些候選目標其實是峽谷邊緣的一排森林,而有些則是突出於山坡上的岩體;甚至還有一些訊號來自崩塌地旁的殘存樹木。它們在資料裡都顯得異常高大,但它卻未必是真正的「巨木」。
這也讓研究團隊逐漸意識到,LiDAR並不是一張答案卷,它比較像是一張藏寶圖,圖上標出了許多可能的位置,但哪些是真正的寶藏,研究人員必須從大量雜訊中,一點一點辨認出真正有價值的訊號。最後統計結果顯示,在最初的57,000個候選目標之中,約有93%被排除,而這也解釋了為什麼尋找「東亞最高樹」竟然要花費十多年,才有近期的成果。
372位公民科學家,把15年縮短成6週
57,000筆資料出現後,研究團隊面臨一個尷尬的問題:答案可能就在資料裡,但誰能來把它找出來?
王驥魁曾估算,如果只依靠兩位專職研究人員逐筆檢查這些LiDAR資料,大約要15年時間才能完成。於是研究團隊決定採取另一種方式,他們建構了專門設計的網路平台,讓一般民眾登入系統觀看經過匿名化處理的LiDAR截面圖與點雲影像;參與者不需要具備森林學背景,只要根據圖像判斷畫面中的訊號比較像樹木,還是地形。這計畫吸引372位志工加入,從登山愛好者到純粹因為好奇而參與的人所在多有;六週之內,從原本需要15年才能完成的篩選,縮減至4,736筆,接著再交由研究團隊進一步驗證,最後,全台共確認了 941棵高度超過65公尺的巨木。
這也是近年台灣規模最大的公民科學案例。你可以說,當許多人透過《神木之島》看見研究團隊走進森林時,另一群人其實坐在電腦前,默默參與著同一場尋樹計畫,頗為有趣。