“布鞋院士”李小文：他擁有知識(shí)分子的“特權(quán)”

宮鵬

李小文院士未及七十，突然離世，令其親者悲，慕者痛。他崇尚簡樸、酷愛自由、提攜后進(jìn)、平易近人的作風(fēng)，產(chǎn)生了很大的社會(huì)影響，贏得了大眾的好評(píng)。一名離世的科技工作者，被眾多的仰慕者心悅誠服地追捧悼念，他的“粉絲們”喊出世間再無“掃地僧”。此情此景令人感動(dòng)？

李小文院士的生平事跡已經(jīng)廣為流傳，作者和他相識(shí)共事20余年，本文謹(jǐn)對(duì)他的為人和主要科學(xué)成就之一的遙感幾何光學(xué)模型及影響，以及對(duì)后人的啟示做點(diǎn)補(bǔ)充，以志紀(jì)念。

李小文院士為人

小文院士生活簡單低調(diào)。他衣著樸素，已經(jīng)是成名的“布鞋院士”。他的飲食更是簡陋。在家，一杯二鍋頭，一碟花生米就可以打發(fā)一頓。在外參加宴請(qǐng)，他也常常自帶二鍋頭，吃點(diǎn)小菜，既不吃米飯也不吃大魚大肉。他喜歡便宜的“小二”，不喜歡名貴酒品的理由是相信“小二”不會(huì)摻假。他以酒為食的生活習(xí)慣，從我們認(rèn)識(shí)時(shí)就有，算來已有超過20年的歷史。他有時(shí)會(huì)半開玩笑半當(dāng)真地講述喝酒的兩個(gè)好處：一是帶著幾分醉意容易做出好學(xué)問；二是愛喝酒的人，人品不壞，可交。我常想，如果他的網(wǎng)友看到他這一杯小酒一碟小菜飲食風(fēng)格，或許會(huì)成就他“道骨仙風(fēng)”的另一個(gè)美名。更讓人想不到的是，他對(duì)自己“摳門”，對(duì)朋友卻大方。他的吸煙朋友會(huì)記得，他自己吸由夫人買的幾元錢一包的薄荷煙，懷里卻總揣著名煙給朋友敬上。他這個(gè)習(xí)慣，當(dāng)了院士后也從未改變。

小文院士熱心服務(wù)社會(huì)，樂于助人。20世紀(jì)90年代，小文博士既是中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所的研究員，又是波士頓大學(xué)遙感中心的研究教授。那時(shí)，他在國內(nèi)和國外各工作半年。這有利于他既能在世界遙感學(xué)術(shù)前沿機(jī)構(gòu)及時(shí)了解科學(xué)動(dòng)向，又能直接參與國內(nèi)的科學(xué)研究，幫助國內(nèi)的年輕學(xué)者迅速成長。當(dāng)時(shí)各種海外華人學(xué)者協(xié)會(huì)紛紛由在美國即將畢業(yè)的研究生或剛開始工作的年輕人發(fā)起、創(chuàng)立。1994年他已經(jīng)功成名就，卻積極參與中國海外華人地理信息系統(tǒng)專家協(xié)會(huì)和海外遙感學(xué)者協(xié)會(huì)。在國外，他愛看《華夏文摘》，關(guān)心中國發(fā)展。同時(shí)，通過協(xié)會(huì)的網(wǎng)絡(luò)為年輕學(xué)者排憂解難，加油打氣。他于2007年在科學(xué)網(wǎng)（http：//www.sciencenet.cn/）開設(shè)博客，近8年來發(fā)表了1800余篇深受網(wǎng)友喜愛的短文，這也就不難想象他常年堅(jiān)持在網(wǎng)絡(luò)上結(jié)交朋友，以樂觀詼諧的文筆感化他人。成為院士以后，有些在社會(huì)上被專業(yè)人士認(rèn)為是持有“異端邪說”的人，如果找到他，他也會(huì)將人請(qǐng)到辦公室，傾聽講述，自掏腰包為他們提供支持。連一個(gè)素昧平生的人，他都愿意資助，對(duì)單位同事生活的關(guān)心也就可想而知了。

小文院士聰穎過人，學(xué)識(shí)淵博。曾見采訪小文院士的文章，介紹他自己成績平平，所以得出結(jié)論認(rèn)為他是中等生逆襲。其實(shí)不然，小文院士只是不愿意把時(shí)間花到課本上，學(xué)習(xí)那些“死知識(shí)”，他更愿意自由探索。他不愿意做命題作文，喜歡天馬行空，自由自在。在我看來，他若決定考好課堂成績，那是一定能做到的。不然，他不會(huì)在1979年從一個(gè)工人，準(zhǔn)備了短短幾個(gè)月就考上了我國改革開放后第一批留美研究生了。這在當(dāng)時(shí)實(shí)在是鳳毛麟角。小文院士對(duì)中國歷史名篇熟稔于心，他能隨時(shí)考問左右同事《紅樓夢(mèng)》中的某段詩句。他用韓愈“草色遙看近卻無”和蘇東坡的“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”詩句解讀多角度和多尺度遙感，生動(dòng)貼切，恰到好處。

“Li-Strahler”幾何光學(xué)模型及科學(xué)影響

遙感科學(xué)的基本問題之一是對(duì)地表景物和電磁波相互作用機(jī)制的理解。太陽光作為一種電磁波，與地物的相互作用是光學(xué)界最早研究的對(duì)象之一。不同地物對(duì)入射其上的光有不同程度的透射、散射（又叫方向性反射）和吸收作用。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者s，Chandrasekhar在1943年～1950年研究了光在連續(xù)介質(zhì)中的輻射傳輸過程，于1960年以Radiative Transfer為名發(fā)表了他的系統(tǒng)研究成果。該書的理論對(duì)大氣和水體等連續(xù)介質(zhì)的輻射傳輸過程的理解和模擬起了奠基性作用。但是，輻射傳輸?shù)睦碚撊绾谓忉尩乇聿煌叨鹊木拔?，如壟行農(nóng)作物和森林等不連續(xù)離散物體在不同視場下的方向性反射問題，并沒有因Chandra-sekhar專著的出版而宣告解決。

20世紀(jì)70年代隨著農(nóng)業(yè)遙感的深入開展，人們提出了針對(duì)壟行作物的作物一土壤一陰影三組分的幾何光學(xué)模型。隨著20世紀(jì)80年代遙感應(yīng)用的重點(diǎn)從農(nóng)業(yè)和地質(zhì)找礦向森林應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，人們需要森林三維結(jié)構(gòu)的反射模型。李小文和他的導(dǎo)師Alan Strahler，根據(jù)這一需求在世界上首次開發(fā)了針對(duì)在景物中離散分布的針葉樹的三維結(jié)構(gòu)，建立在用簡單圓錐體代表樹冠的方向性反射模型，他們將其稱之為幾何光學(xué)模型。

1985年，李小文和Alan Strahler在美國TGRS發(fā)表了第一篇論文，提出不連續(xù)森林分布（可以代表離散物體分布）幾何光學(xué)模型。該模型考慮樹木個(gè)體被簡化為圓錐體之后，一個(gè)陸地衛(wèi)星影像80m×80m像元視場下，在太陽高度角固定、傳感器視角垂直向下、地形平坦條件下、樹木冠層用等尺度不透明、樹木高度按對(duì)數(shù)正態(tài)分布、樹木平面按泊松分布，但不考慮大氣影響時(shí)的反射模擬。對(duì)于森林景物的設(shè)計(jì)由樹冠圓錐體應(yīng)光面、圓錐體背光面、太陽直接照射的土壤和受樹冠遮擋的土壤表面4部分景物組成。而模擬目標(biāo)，即像元視場內(nèi)總反射能量，是按照景物組分的平均光譜按觀察到的面積加權(quán)求得。該文不但推導(dǎo)了對(duì)景物構(gòu)成進(jìn)行反射模擬的理論公式，還給出對(duì)模型進(jìn)行反演提取景物信息的方法。這就是著名的Li-Strahler森林景物四分量模式。1986年，他們?cè)赥GRS上發(fā)表了第二篇論文，在原有基礎(chǔ)上將不透明錐體改成半透明體，將傳感器視角從垂直向下擴(kuò)展到任一角度。這兩篇論文系統(tǒng)地總結(jié)了地表景物幾何特征對(duì)景物反射特性的決定性作用。首次提出景物反射特性很大程度上由景物幾何特征決定，把握了景物幾何特征，就能比較準(zhǔn)確地模擬景物的方向性發(fā)射特性。兩篇文童發(fā)表后被ISI Web of Knowledge核心合集刊物論文引用404次（2015年1月18日檢索）。

由于森林、稀樹草原、灌叢中的冠層有不同的幾何形狀，李小文和Alan strahler又進(jìn)一步合作完成了對(duì)不同類型天然植被不連續(xù)結(jié)構(gòu)下間隙概率分布的推導(dǎo)。他們?cè)趫A錐體基礎(chǔ)上增加了球形和橢球形幾何形態(tài)。1992年，他們聯(lián)合發(fā)表了比較不同樹冠形態(tài)和樹冠陰影交互作用對(duì)不連續(xù)植被冠層方向反射影響的論文。該文系統(tǒng)推導(dǎo)了在給定太陽高度時(shí)，離散的植被冠層隨觀測角變化所呈現(xiàn)的反射率變化，并成功模擬出當(dāng)觀測方向和太陽入射方向吻合時(shí)的反射熱點(diǎn)效應(yīng)。這是用儀器無法完全觀測到的現(xiàn)象。該文發(fā)表后被ISl web of Knowledge核心合集刊物論文引用346次（2015年1月18日檢索）。此后，李小文和AlanStrahler又通過與他人合作進(jìn)一步將幾何光學(xué)模型與經(jīng)典的輻射傳輸模型結(jié)合，發(fā)展出不連續(xù)植物冠層的反照率和方向反射混合模型。

對(duì)于幾何光學(xué)模型的影響與科學(xué)貢獻(xiàn)，最近將該模型運(yùn)用到植被初級(jí)生產(chǎn)力估算的清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心的辛秦川博士做了如下總結(jié)：“經(jīng)典的輻射傳輸模型，假設(shè)植被冠層的葉子是隨機(jī)分布的，太陽光透過冠層的規(guī)律可用‘比爾-朗伯定律這一普適定律來描述，然而實(shí)際植被尤其是針葉林等自然植被，植被冠層的葉子并不滿足隨機(jī)分布。而是聚集分布于樹冠里，而每棵樹的樹冠都有各自的形狀。李小文院士利用橢球和圓錐等形狀對(duì)樹冠形狀進(jìn)行刻畫，太陽的散射和直射光透過樹冠間的空隙滿足幾何定律，而透過樹冠內(nèi)的空隙滿足‘比爾-朗伯定律，通過對(duì)冠層形狀和太陽光透過概率之間的卷積解決了不連續(xù)冠層反射的推導(dǎo)，從而完善了經(jīng)典輻射傳輸理論。”

加拿大皇家科學(xué)院院士、南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所陳鏡明教授，基于李小文的幾何光學(xué)模型發(fā)展了4尺度北方針葉林輻射傳輸模型。他認(rèn)為李小文院士在遙感界最有影響的成果之一是“Li-Strahler”幾何光學(xué)模型。他在1985年發(fā)表了這一模型的框架和初步結(jié)果，立即受到遙感界同行廣泛重視。隨后他和他的學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展了這一模型，增加了模型的精度和實(shí)用性并擴(kuò)大了影響。這一模型提供了定量描述地表反射率隨觀測角和太陽入射角變化的一個(gè)重要途徑，為用衛(wèi)星和飛機(jī)遙感觀測提取植被結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)參數(shù)提供了一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)。利用模型所開發(fā)的遙感影像的四分量（樹冠陽面和陰面及光照和遮蔭背景）的分析方法不僅是幾何光學(xué)模型的奠基石，也被其他植被光傳輸模型廣泛采用。因此“Li-Strahler”幾何光學(xué)模型被譽(yù)為20世紀(jì)定量遙感的一個(gè)重要里程碑。

李小文在波士頓大學(xué)時(shí)的師弟、北京師范大學(xué)地理與遙感學(xué)院梁順林教授指出：“小文院士創(chuàng)造性地將稀疏植被的幾伺形狀和分布與太陽入射角和傳感器觀測角度建立聯(lián)系，發(fā)展了廣為引用的‘Li-Strahler幾何光學(xué)模型。這是幾種主要的遙感物理模型之一，具有重要的理論與實(shí)際意義。在隨后的研究中，又進(jìn)一步考慮了植物冠叢陰影的相互影響和輻射傳輸，使模型適用于通常的地表植被，具有更高的適用價(jià)值。他的工作為后來的遙感反演奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有劃時(shí)代的歷史意義?！?/p>

李小文的學(xué)生及合作者之一，紐約市立大學(xué)獵人學(xué)院倪文革教授，認(rèn)為“Li-Strahler”幾何光學(xué)模型和Li等人后來完成的幾何光學(xué)與輻射傳輸混合模型在冠層輻射傳輸領(lǐng)域取得了突破。GO/GORT不但能描述被動(dòng)光學(xué)遙感中森林結(jié)構(gòu)在森林立地尺度的方向性反射特征及反射熱點(diǎn)，同時(shí)被用來刻化主動(dòng)遙感中雷達(dá)后向散射和激光雷達(dá)全波形回射，以更好地理解雷達(dá)和激光雷達(dá)信號(hào)與三維植被結(jié)構(gòu)的相互作用。GO/GORT的影響已經(jīng)大大超越遙感領(lǐng)域。這類模型已經(jīng)被用于模擬冠層光合作用和陸地碳循環(huán)模擬。同時(shí)，被用于動(dòng)態(tài)全球植被模式一全球陸地生物圈模式與美國宇航局的全球氣候循環(huán)模式耦合起來理解生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候和自然及人類干擾的響應(yīng)。此外，GO/GORT也被用于評(píng)估植被結(jié)構(gòu)對(duì)水文過程的影響及水資源管理。因此，幾何光學(xué)模型對(duì)整個(gè)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了影響。

對(duì)后輩的啟示

李小文院士圍繞地表不連續(xù)植被覆蓋的反射特性一個(gè)方向，持續(xù)鉆研20載。他獨(dú)辟蹊徑，由簡入繁，雖然常常數(shù)年才發(fā)表一篇論文，但是不斷取得新的進(jìn)展，終于建立起幾何光學(xué)模型的理論體系，這是國際遙感界令人羨慕的成就。他的每篇論文都是精品，堪稱經(jīng)典。這種從事科學(xué)的精神值得今天的研究者們學(xué)習(xí)。

“淡泊明志，寧靜致遠(yuǎn)”恰恰是李小文院士作為一個(gè)學(xué)者的精神寫照。他不追求物質(zhì)生活，能夠在今天物欲橫流的大潮中，堅(jiān)持自己的生活，是許多知識(shí)分子共同追求的理想。家庭的鼎力支持，使他更能全身心地投身科學(xué)，做個(gè)讀書人。他將一生許多時(shí)光用于無拘無束地學(xué)習(xí)和研究，擁有了一個(gè)知識(shí)分子所向往的“特權(quán)”。他是一個(gè)幸運(yùn)的知識(shí)分子。他創(chuàng)造了一個(gè)中國自由知識(shí)分子的傳奇。

摘自《科學(xué)通報(bào)》