“科學(xué)造福人類，并不是一句空話?！?br/>——專訪遙感與數(shù)字地球所所長郭華東院士

+孫凝子

“科學(xué)造福人類，并不是一句空話?！?br/>——專訪遙感與數(shù)字地球所所長郭華東院士

+孫凝子

郭華東，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所所長，中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，全國政協(xié)委員。長期從事遙感科學(xué)與應(yīng)用研究，在雷達遙感信息機理、多模式遙感信息地物識別方法、空間信息前沿技術(shù)研究等方面取得了系統(tǒng)性成就：系統(tǒng)揭示雷達電磁波與典型地物的相互作用機理，建立了無植被沙丘幾何散射模型，證實了長波段雷達對干沙的穿透性，揭示了熔巖的去極化機理與植被的多極化響應(yīng)現(xiàn)象，是一位國際知名的雷達遙感學(xué)者；他致力于發(fā)展國家對地觀測體系，提出開拓“波段、振幅、極化、相位”電磁波“資源”學(xué)術(shù)思路，推動發(fā)展了我國新型對地觀測系統(tǒng)；研究提出多波段平臺遙感信息處理與識別方法，為自然災(zāi)害和礦產(chǎn)資源宏觀環(huán)境監(jiān)測與探測等做出了重要貢獻；提出數(shù)字地球理論框架和概念模型，主持研制完成“數(shù)字地球原型系統(tǒng)”，被國際同行認(rèn)為是具有“里程碑意義的貢獻”，合作創(chuàng)建國際數(shù)字地球?qū)W會，創(chuàng)辦《國際數(shù)字地球?qū)W報》，推動了全球性數(shù)字地球的發(fā)展。

衛(wèi)星，根據(jù)發(fā)射目的的不同，可以分為應(yīng)用衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星。其中應(yīng)用衛(wèi)星的發(fā)射目的是供實際業(yè)務(wù)應(yīng)用，直接服務(wù)于經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展，比如我國的資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等等。而科學(xué)衛(wèi)星則往往是為了科學(xué)探測和研究，比如利用衛(wèi)星來觀測全球變化科學(xué)現(xiàn)象。作為全國政協(xié)委員，郭院士基于自己的專業(yè)方向和對環(huán)境問題的重視，通過他任首席科學(xué)家的973 項目研究中提出，由六顆衛(wèi)星組成的全球變化系列科學(xué)衛(wèi)星，這些衛(wèi)星分別是大氣碳衛(wèi)星、森林生物量衛(wèi)星、夜間光衛(wèi)星、氣溶膠衛(wèi)星、冰川衛(wèi)星、海洋鹽度衛(wèi)星。

記者：全球變化衛(wèi)星主要用于監(jiān)測地球的變化嗎？

郭華東：對，主要用于監(jiān)測地球大尺度的全球變化現(xiàn)象。比如現(xiàn)在大家都非常關(guān)注的霧霾現(xiàn)象，我們可以利用全球變化衛(wèi)星監(jiān)測霧霾。一旦出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，可以通過衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)來深入了解整個分布范圍、演變趨勢、發(fā)源地和霧霾本身的厚度等一系列信息。當(dāng)然，霧霾是一個很復(fù)雜的現(xiàn)象，現(xiàn)在大家都在從不同的角度去研究、治理霧霾。那么全球變化衛(wèi)星在其中所起到的作用更多的是進行宏觀觀測，發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，分析科學(xué)規(guī)律、提出相關(guān)建議，提供給政府決策，為治理提供依據(jù)。

記者：您是怎樣產(chǎn)生全球變化科學(xué)衛(wèi)星的這個想法的呢？

郭華東：2007年起，意識到全球變化對人類的挑戰(zhàn)，認(rèn)識到對地觀測衛(wèi)星對監(jiān)測全球變化是有效的。全球變化正在改變著世界的環(huán)境，如氣候變暖、冰川退化、極端天氣等，對人類的生存和發(fā)展形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。雖然地球上空已經(jīng)布置了一張規(guī)模宏大的對地觀測網(wǎng)，但是真正的全球變化科學(xué)衛(wèi)星并不多。在全球已經(jīng)發(fā)射的200余顆對地觀測衛(wèi)星中，全球變化科學(xué)衛(wèi)星約25顆，在軌運行的約13顆。雖然我國發(fā)射了一系列遙感衛(wèi)星，但是主要為行業(yè)衛(wèi)星，還沒有運行的面向全球變化研究的科學(xué)衛(wèi)星。

中國是影響全球變化及受其影響嚴(yán)重的國家之一，具有圍繞碳循環(huán)、水循環(huán)、能量循環(huán)等的空間觀測需求。要想在全球變化研究和應(yīng)用中發(fā)揮大國應(yīng)有的作用，就必須盡快發(fā)展我國的全球變化科學(xué)衛(wèi)星。

當(dāng)然，全球變化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有長周期、大尺度的時空演變特點。衛(wèi)星對地觀測技術(shù)在全球變化研究中具有宏觀、動態(tài)、快速、準(zhǔn)確探測等多種獨特優(yōu)勢，已經(jīng)成為觀測全球變化現(xiàn)象的關(guān)鍵技術(shù)手段。雖然現(xiàn)有的對地觀測系統(tǒng)難以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和真實性，但是畢竟已經(jīng)構(gòu)成了對陸地、海洋、大氣等各個層面的立體觀測體系，為全球變化研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資料。

記者：對地觀測除了觀測環(huán)境變化之外，還能發(fā)揮什么作用呢？

郭華東：對地觀測衛(wèi)星在經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全多個方面都可以發(fā)揮很大的作用，這要從我們生活的環(huán)境談起。一方面，連續(xù)、高強度的人類活動導(dǎo)致地球可能在水資源、能源、荒漠化、海洋生態(tài)系統(tǒng)、陸地海岸帶等多個方面出現(xiàn)問題，再加上自然災(zāi)害的挑戰(zhàn)。要監(jiān)測資源與環(huán)境變化，監(jiān)測自然災(zāi)害，使用對地觀測技術(shù)是一種科學(xué)的選擇。另一方面，要保障制空權(quán)、制海權(quán)、制天權(quán)等等國家權(quán)利，需要對地觀測技術(shù)的保障，這是維護國家安全的需要。

一句話，利用空間觀測獲取豐富的地球基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展在災(zāi)害、能源、氣候、農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，維持人類的可持續(xù)發(fā)展，凸顯對地觀測技術(shù)的作用。

記者：您能否為我們簡單介紹一下，對地觀測技術(shù)的發(fā)展歷程，特別是我國的空間對地觀測呢？

郭華東：1962年第一屆國際環(huán)境遙感大會在美國密西根州召開，會議上“遙感”一詞首次被國際科技界正式使用，標(biāo)志著遙感的誕生，也揭開了人類利用遙感技術(shù)從空間觀測地球的序幕。從1962年至今，全球發(fā)射了320多顆對地觀測衛(wèi)星，涵蓋對大氣、海洋、陸地等地球系統(tǒng)的全面觀測。目前，超過二十個國家擁有自己的對地觀測衛(wèi)星。

五十多年來，衛(wèi)星攜帶的傳感器由起始的光學(xué)相機發(fā)展出了多種多樣的類型。如今全球用于對地觀測的傳感器數(shù)量多達兩百余臺，空間對地觀測形成了以成像光譜技術(shù)、成像雷達技術(shù)和激光雷達技術(shù)為代表的先進對地觀測技術(shù)體系。人們可以利用空間對地觀測技術(shù)獲取大氣、海洋和陸地的高精度、高時空分辨率觀測數(shù)據(jù)。

這些年來，我們國家對地觀測技術(shù)在飛速發(fā)展，形成了氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、遙感小衛(wèi)星和科學(xué)試驗衛(wèi)星等構(gòu)成的空間對地觀測系統(tǒng)，利用這些平臺裝載一些有效載荷對地球進行觀測，是對地觀測大國。以氣象衛(wèi)星為例，我國從1988年開始發(fā)射“風(fēng)云”氣象系列衛(wèi)星，目前已經(jīng)形成靜止軌道和極軌氣象衛(wèi)星觀測體系。有了這個體系，我們可以看到每半個小時云圖的連續(xù)變化，從而提高了氣象預(yù)報的能力。

作為一個開放的國度，我們不僅發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的對地觀測系統(tǒng)，也接收來自美國、法國、加拿大等國際先進數(shù)據(jù)。目前我國的遙感衛(wèi)星地面站能夠接收10余顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，保存著1986年以來各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)300多萬景，是國際接收處理分發(fā)衛(wèi)星數(shù)據(jù)最多的地面站之一。

記者：您剛剛提到，成像光譜技術(shù)、成像雷達技術(shù)和激光雷達技術(shù)是對地觀測中的三項前沿技術(shù)，能否請您為我們簡單介紹一下這三項技術(shù)呢？

郭華東：成像光譜、成像雷達技術(shù)和激光雷達技術(shù)確是對地觀測三大前沿技術(shù)。地球表面各種物體的光譜特性不一樣，所以測量光譜可以分辨不同的物體。成像光譜的概念是光譜和圖像合一，也就是獲取一個成像光譜圖像的時候，里面包含了光譜信息，可以進行定量分析。比如地球上有許多不同的巖石，石灰?guī)r和白云巖只看表面差異不大，但是從物質(zhì)構(gòu)成而言，白云巖中含有鎂離子，而石灰?guī)r中沒有。如果我們用衛(wèi)星或者飛機對地面進行觀測的話，成像光譜技術(shù)就可以區(qū)分這兩種巖石。也就是說，成像光譜可以從高空直接識別地表物質(zhì)成分。

成像雷達的特點是既可以在好的天氣條件下成像，也可以在陰雨天成像，既可以在白天成像，也可以在晚上成像，而且對某些地物具有穿透作用，能夠刻畫地表的幾何特點，很前沿。我們曾經(jīng)在陜西—寧夏一帶做過一項明、隋長城雷達遙感的工作。在那兒，長城坍塌后被沙漠掩埋，在表面什么都看不到。但是我們利用成像雷達可以穿透干燥沙漠的能力，觀測到干沙覆蓋寫的古長城。激光雷達可以更精細(xì)地測量地物的幾何形狀和特性。這三大前沿技術(shù)組合起來可以對地球?qū)嵤┤颉⑷旌虻母呖臻g分辨率、高光譜分辨率的高精度成像。

記者：我國的衛(wèi)星對地觀測未來會走向何方呢？

郭華東：未來十年將是我國衛(wèi)星對地觀測發(fā)展最快的十年，我國的衛(wèi)星對地觀測體系將在國際形成最有特點、最密集的體系。以發(fā)射為例，截止到2020年之前，我國將發(fā)射將近100顆衛(wèi)星。今年已經(jīng)是2014年，短短六七年的時間，要發(fā)射那么多衛(wèi)星，有遙感衛(wèi)星，有導(dǎo)航衛(wèi)星，有通信衛(wèi)星，種類繁多。

目前我國的對地觀測體系已經(jīng)形成，應(yīng)用方式多種多樣。比如每天晚上7點半，許多人都會準(zhǔn)時收看天氣預(yù)報，這就是氣象衛(wèi)星融入大眾生活的直接體現(xiàn)。未來在國民經(jīng)濟的若干領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)、海洋、環(huán)境、災(zāi)害、城市等領(lǐng)域，都要有衛(wèi)星進行觀測。

我國的國土面積大，又是發(fā)展中國家，環(huán)境問題、資源問題不容小覷。衛(wèi)星遙感為認(rèn)識問題、解決問題提供了很好的手段。所以將來，我們一方面要發(fā)展面向應(yīng)用的衛(wèi)星，另一方面也要發(fā)展類似我前面提到的“全球變化科學(xué)衛(wèi)星”等科學(xué)衛(wèi)星。

國際數(shù)字地球?qū)W會，由中國科學(xué)院聯(lián)合該領(lǐng)域國內(nèi)外機構(gòu)、學(xué)者發(fā)起，2006年5月正式成立。每兩年召開一次國際數(shù)字地球會議，一次數(shù)字地球高峰會議。2009年學(xué)會被地球觀測組織（GEO）吸收成為正式成員。由國際數(shù)字地球?qū)W會主辦的國際性學(xué)術(shù)刊物——《國際數(shù)字地球?qū)W報》，于2008年3月創(chuàng)刊，是數(shù)字地球領(lǐng)域第一個國際同行評審的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊。2009年，學(xué)報被收錄為SCI檢索刊物并首獲影響因子，2010年影響因子升至1.453，在全球23種遙感類期刊中影響因子排名第7位。

記者：“數(shù)字地球”這個概念，是1998年由美國副總統(tǒng)戈爾提出的。但是國際學(xué)術(shù)組織國際數(shù)字地球?qū)W會的誕生，總部地點沒有設(shè)在美國，而是設(shè)在了中國，這是為什么呢？

郭華東：衡量一個國家的科學(xué)發(fā)展水平有很多指標(biāo)，其中之一就是有沒有重要的國際組織，能否召開高水平的國際會議。全球有兩千多個國際學(xué)術(shù)組織，總部設(shè)在中國的寥寥無幾。我國科學(xué)家看到了數(shù)字地球發(fā)展的歷史機遇，在政府的支持下，于2006年發(fā)起成立了國際數(shù)字地球?qū)W會這個國際組織，迄今學(xué)會已組織在全球十余個國家召開過八次會議和六次峰會。這個學(xué)會的官方學(xué)術(shù)刊物《國際數(shù)字地球?qū)W報》也在中國誕生人。這些都足以證明，我國在數(shù)字地球領(lǐng)域的國際發(fā)言權(quán)。

記者：那么，數(shù)字地球到底是什么呢？

郭華東：十五年前我接受采訪，曾經(jīng)講過，數(shù)字地球就是把地球裝進計算機。如今技術(shù)水平發(fā)展日新月異，再看我當(dāng)年的結(jié)論，依然還是有道理的。但數(shù)字地球自提出到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展了十五年，在大數(shù)據(jù)時代背景下，我想從大數(shù)據(jù)角度談一下新的觀點。

現(xiàn)在，數(shù)字地球可以被稱之為是“大地球數(shù)據(jù)”。雖然讀起來拗口，但實際上有它獨特的內(nèi)涵。大數(shù)據(jù)，絕對不僅僅是指海量數(shù)據(jù)及其傳輸、處理和存儲等，重要的是數(shù)據(jù)密集型的，要從海量的數(shù)據(jù)中尋找科學(xué)知識，從數(shù)據(jù)中直接得到科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

記者：數(shù)字地球的發(fā)展已經(jīng)走過了十五年的歷程。在這十五年間，數(shù)字地球的發(fā)展有哪些里程碑呢？

郭華東：第一個里程碑肯定是1998年戈爾的報告《數(shù)字地球：認(rèn)識21世紀(jì)我們所居住的地球》，首次提出了數(shù)字地球概念。

1999年，中科院聯(lián)合19個部門和組織主辦了首屆數(shù)字地球國際會議，來自20個國家的500多名代表齊聚北京。會議發(fā)表了《北京宣言》，在千禧年來臨之前，提出了人類和地球面臨的種種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而數(shù)字地球有利于幫助人們應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的觀點。

10年之后的2009年，國際數(shù)字地球系列會議再一次回到北京，會議通過了《2009數(shù)字地球北京宣言》，不僅肯定了過去十年數(shù)字地球在全球取得的成就，也再次呼吁縮小數(shù)字鴻溝，加強信息共享，以發(fā)揮數(shù)字地球更大的作用。

記者：過去十五年，數(shù)字地球得到了公眾的一致認(rèn)可，并且伴隨技術(shù)水平的提高高速發(fā)展著。未來十五年，數(shù)字地球的發(fā)展將會呈現(xiàn)出怎樣一種狀態(tài)呢？

郭華東：許多經(jīng)典的學(xué)科，像是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等等，都是發(fā)展了上百年才有了成熟的學(xué)科體系。所以我認(rèn)為，數(shù)字地球的建設(shè)一定不能著急。

未來十五年，地球面臨的挑戰(zhàn)只會更多，不會更少。因此數(shù)字地球?qū)^續(xù)為全球可持續(xù)發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。三年前我們12個國家的科學(xué)家一起，撰寫了一篇《新一代數(shù)字地球》的文章，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。其中有這樣一個觀點，技術(shù)水平越高，實踐化程度也會越高，人們反而更容易看得見、摸得著。未來，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)和理論，公眾不僅將成為數(shù)字地球的受益者，更將成為數(shù)字地球的實現(xiàn)者?？茖W(xué)造福人類，并不是一句空話。

上圖為郭華東院士在接受我刊記者的獨家專訪