譜科研旋律 抒遙感情懷：記中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所高光譜研究室主任張立福

本刊記者 周珈慧

內(nèi)蒙響沙灣

人類“鳥瞰”地球的夢想催生了遙感這門科學(xué)的興起，高光譜遙感是遙感科學(xué)最前沿的領(lǐng)域之一。新中國建立后特別是最近的30多年，中國的高光譜遙感研究取得了長足的發(fā)展。未來，有著自身優(yōu)勢的高光譜遙感技術(shù)將會在越來越多的領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用，并越來越彰顯著其巨大的科技和經(jīng)濟價值。

為了使高光譜遙感技術(shù)能夠在人們的生產(chǎn)和生活中創(chuàng)造更大的價值，我國遙感科學(xué)家們辛勤耕耘，創(chuàng)新不息，用他們的智慧和努力、堅毅和執(zhí)著不斷地譜寫著高光譜遙感技術(shù)的新篇章。在這些致力于高光譜遙感科技創(chuàng)新和發(fā)展的專家學(xué)者里，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所高光譜研究室主任張立福，多年來潛心在高光譜遙感技術(shù)的科研創(chuàng)新中，形成了自己的特色。

轉(zhuǎn)行投入遙感懷抱

1988年，張立福以優(yōu)異成績考入武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，學(xué)習(xí)攝影測量與遙感專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)習(xí)期間，他的專業(yè)學(xué)習(xí)成績并不算突出，他愛好文學(xué)更多于所學(xué)專業(yè)。他熱衷于文學(xué)創(chuàng)作，更多精力投入了文學(xué)創(chuàng)作當(dāng)中，并陸續(xù)發(fā)表了若干篇微型小說作品。大學(xué)畢業(yè)時因其在文學(xué)創(chuàng)作方面“小有名氣”，且政治表現(xiàn)優(yōu)秀，被學(xué)校看中留校在出版社工作，成為了一名新聞出版工作者。后又因其工作刻苦努力，很快成長為出版社的中堅力量，期間他歷任編輯部主任、發(fā)行部主任，多次被評為優(yōu)秀共產(chǎn)黨員，湖北省優(yōu)秀編輯，所編輯圖書曾獲得國家科技進步三等獎、湖北省優(yōu)秀圖書編輯獎一等獎等各種國家、省部級獎勵若干次，是當(dāng)時出版社獲得各種圖書成果獎勵檔次和數(shù)量最多的編輯。那時的張立福在圖書編輯崗位如魚得水，本以為將來會在新聞出版戰(zhàn)線一展宏圖，并在文學(xué)創(chuàng)作上有所建樹，他從沒想到自己日后能成為“國家隊”的專職科研人員。

至于為何后來放棄愛好的文學(xué)，從新聞出版戰(zhàn)線轉(zhuǎn)投遙感科研的懷抱，張立福笑言那都是“緣分”的結(jié)果，“1996年，在‘緣分’的促使下，我在職攻讀了武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室的碩士學(xué)位，在學(xué)習(xí)過程中，我對遙感這一領(lǐng)域的科研工作產(chǎn)生了濃厚的興趣?！闭沁@次“緣分”，讓張立福真正愛上了這個讓他日后傾注全部熱情與精力的領(lǐng)域。

2011年澳大利亞CSIRO高訪

2011年指導(dǎo)學(xué)生野外試驗

接觸的時間越久，掌握的理論越多，張立福越發(fā)現(xiàn)，遙感是一門應(yīng)用面很廣的科學(xué)，它不僅涉及到全球變化和地球系統(tǒng)科學(xué)方面的研究，在資源環(huán)境和其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。遙感研究的廣闊前景讓張立福更加堅定了扎實深入地將自己的研究開展下去的念頭。攻讀完碩士學(xué)位后，“機遇”使他有機會全身心備戰(zhàn)武漢大學(xué)博士研究生入學(xué)考試，他拿到了武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室公費博士生錄取指標，得到了攻讀博士學(xué)位繼續(xù)深造的機會。

“我們國家在高光譜遙感研究領(lǐng)域起步比較早，在國際上處于領(lǐng)先位置，但在儀器研制，尤其是核心遙感探測器件的制造工藝方面，我們相對落后于發(fā)達國家。”當(dāng)時國內(nèi)有限的儀器研究條件和求知的欲望使張立福認識到，科學(xué)是無國界的，想要在遙感研究領(lǐng)域有所建樹，就必須要走出國門，到國際上去學(xué)習(xí)更多先進的遙感科學(xué)技術(shù)理論和方法。

2003年，張立福遠赴日本深造，期間他受到國外教授嚴謹細致、一絲不茍的鉆研精神以及國外科研體制的影響，使他很快由非科研行業(yè)，轉(zhuǎn)入正宗國家科研團隊，并能夠在短短幾年取得突出成績。

“在日本，很多學(xué)者都不局限于自身專業(yè)的限制，完全按照自己的興趣做研究，把科研當(dāng)成是興趣和享受，這種自由研究的科研氛圍對我影響很大?！币荒旰?，張立福不僅拿到了博士學(xué)位，研究成果還獲得了日本京都市長獎。

2005年，張立福回國進入北京大學(xué)從事博士后研究，期間曾獲得博士后科學(xué)基金一等獎資助，當(dāng)時一等資助全國僅有10名，而他所從事的專業(yè)只有他一人得到一等資助，同時他也獲得了863面上研究項目一項。博士后研究期間，張立福還歷任北京大學(xué)博士后聯(lián)誼會副秘書長、副理事長、北京博士后聯(lián)誼會副秘書長等職務(wù)。

盡心打造一流團隊

早在日本留學(xué)時，張立福就心系祖國遙感事業(yè)的發(fā)展，積極參與中國駐外使館的各種活動。近年來，作為一門應(yīng)用廣泛的科學(xué)，遙感技術(shù)的重要性日益突顯。張立?？吹剑陙碓趪业拇罅Ψ龀窒?，國內(nèi)遙感領(lǐng)域的很多科研項目正在起步，作為一個長期置身于國際研究領(lǐng)域的“有經(jīng)驗的人”，如果能夠回國參與到這些科研項目的籌備和發(fā)展過程中，更好地借鑒國際的先進經(jīng)驗和成熟做法，就能夠幫助國家將投入最大化地轉(zhuǎn)化為效益，使資源得到優(yōu)化配置！

求學(xué)北大，其自由民主的科研氛圍不僅使張立福的學(xué)術(shù)水平得以提升，還使他得以結(jié)識我國航空遙感開拓者、高光譜遙感創(chuàng)始人、中國科學(xué)院院士童慶禧先生。2007年，張立福博士后出站，被人才引進到中科院遙感所童慶禧院士研究團隊從事高光譜遙感科學(xué)研究，成為了一名專職的科學(xué)研究人員。

2010年，張立福開始擔(dān)任中科院遙感所高光譜研究室主任，這個研究室是上世紀90年代，在童慶禧院士積極倡導(dǎo)下創(chuàng)建起來的，它是國內(nèi)最早從事高光譜遙感研究的機構(gòu)之一，提出和發(fā)展了一系列高光譜遙感信息處理和分析的理論和模型，研發(fā)了HIPAS等相應(yīng)的遙感專業(yè)處理軟件，承擔(dān)了973、863、國家自然科學(xué)基金等一系列國家重點研究項目，取得了一系列重要研究成果。

對于團隊的管理，張立福有著自己的標準，“首先要有事業(yè)心，要在工作中對自己從事的工作有一個執(zhí)著的追求，踏踏實實地做自己所從事的科學(xué)研究。此外，還要有獨立思考和解決問題的能力?！薄案憧蒲行枰獔F隊通力合作，我對我的團隊有信心！”“我提出要建立‘自由開放，兼容并蓄’的團隊文化。”

目前，高光譜研究室現(xiàn)有科研人員14名，其中1名院士，6名研究員，5名副研，8名助研；博士碩士研究生30名左右。高光譜研究室致力于高光譜遙感領(lǐng)域的技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展，對團隊的前景，張立福躊躇滿志。

勤奮成就遙感專家

置身于中科院遙感所，從事的又是遙感技術(shù)最前沿的領(lǐng)域，更重要的是有我國高光譜遙感界權(quán)威科學(xué)家童慶禧院士和薛永祺院士兩位院士的悉心指導(dǎo)，張立福如魚得水，也正是在這里，他的科研活動得以向高、精、尖方向發(fā)展，站在了國際高光譜遙感前沿。

近10年來，張立福一直從事高光譜遙感理論與信息提取模型、高光譜遙感典型應(yīng)用研究。在多源/多時相衛(wèi)星數(shù)據(jù)歸一化特征提取模型構(gòu)建、新型高光譜植被指數(shù)模型建立、地面成像光譜數(shù)據(jù)典型應(yīng)用、高光譜影像空間分辨率增強算法研究、多維光譜數(shù)據(jù)庫理論與數(shù)據(jù)庫設(shè)計等高光譜遙感的前沿科學(xué)問題方面，取得了初步研究成果。得到了國內(nèi)外學(xué)者的初步認可和正面積極引用，研究成果曾獲日本《京都市長獎》，日本奈良女子大學(xué)、日本京都同志社大學(xué)等有關(guān)高校以及國內(nèi)武漢大學(xué)等研究人員，目前仍然利用他提出的UPDM以及VIUPD指數(shù)進行后續(xù)的應(yīng)用研究。他還多次被邀請在國內(nèi)外舉辦的遙感領(lǐng)域國際會議上做特邀報告等。

多源/多時相衛(wèi)星數(shù)據(jù)歸一化特征提取模型UPDM研究

多源/多時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是實現(xiàn)區(qū)域乃至全球尺度遙感變化監(jiān)測、生態(tài)參數(shù)反演等研究必備的數(shù)據(jù)源，必須不斷的發(fā)射各種或者系列衛(wèi)星，才能滿足長時間序列的遙感監(jiān)測對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的需求；然而，由于衛(wèi)星壽命的限制，在長期的遙感監(jiān)測過程中，所使用的遙感數(shù)據(jù)的載荷類型和指標不可能一成不變，因此，必須研究一種針對該需求的多源/多時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的歸一化特征提取模型，來解決不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歸一化問題，保證遙感監(jiān)測和定量遙感數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。張立福自2001年開始，從事多源/多時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的歸一化模型、特征提取研究，創(chuàng)造性地提出了一種UPDM特征提取算法，建立了基于該算法的歸一化特征提取模型。

UPDM模型提取后的遙感特征，對于長期大尺度的遙感連續(xù)監(jiān)測，植被信息提取，生物量遙感反演等等影響區(qū)域乃至全球的大的科學(xué)問題時，可以不用考慮多源、多時相的遙感數(shù)據(jù)的參量同化問題，對于快速分析研究重大科學(xué)問題，具有明顯的科學(xué)意義。

高光譜植被指數(shù)VIUPD研究

在進行陸地生態(tài)、生物量估算、植被參數(shù)反演等研究中，一般是利用植被指數(shù)作為中間參數(shù)，建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ停缟锪抗浪?、NPP、LAI等。VIUPD的計算利用了整個波段的有效信息，更能夠反應(yīng)植被的細微變化，因此，基于VIUPD建立的模型，精度更高。利用該植被指數(shù)進行Aboveground Biomass（AGB）反演，精度明顯高于其它植被指數(shù)。

VIUPD植被指數(shù)由于利用的是不依賴于傳感器的特征參數(shù)，本身具備多傳感器歸一化的特征，因此即使是多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算得到的植被指數(shù)，也可以直接進行比較，這一點對于長期的環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)反演，具有重要的科學(xué)意義。

地面成像光譜數(shù)據(jù)典型應(yīng)用研究

高架車野外試驗

張立福及其團隊在國內(nèi)開創(chuàng)性地開展了地面成像光譜儀的應(yīng)用，在高光譜定標方法研究、在植被信息生化參數(shù)反演、中藥藥效成分反演等方面，取得了原創(chuàng)成果，相關(guān)成果已經(jīng)陸續(xù)發(fā)表在“Sensors”，“Int.J.Remote Sensing”，“IEEE Trans.GRS”、“光譜學(xué)與光譜分析”等刊物上。

目前，地基成像光譜系統(tǒng)越來越受到全世界各領(lǐng)域研究者及公司的青睞，此外，在我國也有學(xué)者呼吁盡快發(fā)展新一代智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，這些傳感器系統(tǒng)的一個重要共同點就是可以根據(jù)需求和研究目的不同，手動或者自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)成像參數(shù)，以獲取高信噪比的數(shù)據(jù)。這一特點給傳感器輻射定標帶來了難題和挑戰(zhàn)，張立福團隊提出的基于可變成像參數(shù)的輻射定標模型可以有效解決該類傳感器輻射定標難的問題，普通用戶也不用擔(dān)心海量定標系數(shù)的管理與使用問題，這將促進該類新型傳感器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，具有明顯的科學(xué)意義。

高光譜影像空間分辨率增強算法研究

高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近30年，但其應(yīng)用能力遠沒有發(fā)揮出來，究其原因是高光譜影像的空間分辨率往往不高，目前水平商業(yè)衛(wèi)星最高的也只有30m的空間分辨率，這樣就造成了光譜信息的混合，限制了直接從高光譜影像進行地物識別的能力。張立福及其團隊在高光譜影像空間分辨率增強研究方面，取得了初步成果，申請發(fā)明專利2項，獲得發(fā)明專利授權(quán)1項，國際刊物發(fā)SCI論文3篇，成果得到了大家的認可。

自主研制的高光譜儀器FISS近照

高光譜數(shù)據(jù)的光譜特征對地物目標的識別具有指紋鑒別效果，但由于高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率不高，所得到的光譜基本上是地物多目標的混合，因此，以提高高光譜地物識別能力為目標的高光譜影像空間分辨率提高算法研究，顯得很有意義，可以大大提高高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力，同時也為新型高光譜對敵觀測模式設(shè)計和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估提供重要的理論參考。

多維光譜數(shù)據(jù)庫理論與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

張立福在遙感領(lǐng)域首次提出了“多維光譜數(shù)據(jù)庫的概念與設(shè)想”，使得原有的以二維表格形式存儲的光譜庫概念得到了拓展，豐富了傳統(tǒng)光譜庫的概念，能大大提升以“圖譜”合一為特色的成像光譜數(shù)據(jù)庫的有效信息量和檢索速度。該思想得到了國家自然科學(xué)基金的資助。

該研究的科學(xué)意義在于，實現(xiàn)高光譜影像圖譜合一的存儲和顯示，通過多維數(shù)據(jù)模型來構(gòu)建多維高光譜數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的有效組織和查詢，在尺度轉(zhuǎn)換算法的支持下，得到不同空間分辨率和光譜分辨率的光譜數(shù)據(jù)，為高光譜遙感技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域尤其是地礦領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持。該想法是他在遙感領(lǐng)域首次提出，有望對推動遙感光譜數(shù)據(jù)的存儲、管理以及高效利用，發(fā)揮重要作用。

近焦張立福

記者：請通俗地介紹一下什么是高光譜遙感？在這個領(lǐng)域中，您的研究主要是針對哪些問題或方向展開的？

張立福：高光譜遙感是高光譜分辨率遙感的簡稱。它是在電磁波譜的可見光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，它利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，它包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場革命，它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測。

2011年澳大利亞，與女兒在一起

我的研究方向包括：高光譜前沿技術(shù)研究、瞄準前沿算法、前沿關(guān)鍵技術(shù)等。發(fā)展先進的高光譜信息提取模型，通過研發(fā)高光譜成像儀器，帶動高光譜研究和關(guān)鍵問題的解決，以典型行業(yè)應(yīng)用，檢驗驗證發(fā)展的模型與算法。最終將研究成果在行業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，為各行各業(yè)創(chuàng)造價值。

記者：實際應(yīng)用來說，研究高光譜技術(shù)具有怎樣的現(xiàn)實意義？我國對高光譜技術(shù)的研究在國際上處于怎樣的位置？

張立福：高光譜遙感由于具有較高的光譜分辨率，利用高光譜數(shù)據(jù)中地物的診斷性光譜信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對地物的精細識別和定量參數(shù)反演。

說中國高光譜遙感的發(fā)展，必須提到兩位院士，一位是童慶禧院士，還有一位是薛永祺院士。童院士是我們國家高光譜遙感的開拓者，這個概念是從美國引入過來的，他跟薛院士共同協(xié)作推動了咱們國家高光譜遙感的發(fā)展。

從80年代初開始，我們陸續(xù)有一些航空高光譜遙感儀器在上海技術(shù)研究所研制出來了，后來去日本、馬來西亞、澳大利亞做實驗，我們帶的都是我們自己的設(shè)備，我們靠中國自己的技術(shù)和實力，征服了世界。我們國家在高光譜遙感研究領(lǐng)域起步比較早，站在了國際高光譜遙感前沿。

在高光譜遙感儀器研制方面，國內(nèi)有上海技術(shù)物理研究所、長春光學(xué)精密儀器研究所，西安光學(xué)機械研究所等科學(xué)院系統(tǒng)的研究所，從事航空航天遙感載荷研制，安徽光機所也開始從事高分遙感載荷研制中科院系統(tǒng)的幾家遙感載荷研制單位各有特色，我們與上海技物所開展合作起步比較早，基礎(chǔ)比較好一些。在應(yīng)用技術(shù)方面，我們給美國、澳大利亞、日本、馬來西亞都提供過技術(shù)服務(wù)，應(yīng)該說在應(yīng)用技術(shù)方面我們是不落后的。

記者：目前，您的工作進展情況如何？下一步，您有怎樣的計劃和安排呢？

張立福：我在做關(guān)于成像光譜技術(shù)前沿應(yīng)用領(lǐng)域的研究，例如，利用激光作為主動光源，激發(fā)地物產(chǎn)生熒光，進行地物光譜特性基礎(chǔ)性科學(xué)研究；進行植被、礦物熒光探測機理的研究，解決一些高光譜遙感挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)前沿科學(xué)問題，為我國的遙感科學(xué)與技術(shù)發(fā)展提供重要的理論和技術(shù)支撐，發(fā)揮科學(xué)院作為國家遙感科學(xué)發(fā)展中火車頭的作用。