借衛(wèi)星之眼 瞰天地之境
——記中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員李家國(guó)

本刊記者　宋 潔

借衛(wèi)星之眼 瞰天地之境
——記中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員李家國(guó)

本刊記者宋 潔

海面試驗(yàn)

李家國(guó)是我國(guó)遙感衛(wèi)星事業(yè)的參與者，也是見(jiàn)證者，他經(jīng)歷了與國(guó)家事業(yè)共同成長(zhǎng)到蛻變的銘心歷程。2003年10月21日，“資源一號(hào)02星”成功發(fā)射，結(jié)束了我國(guó)長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的歷史，那年李家國(guó)讀大三，剛剛接觸遙感；2007年，我國(guó)正在籌備建設(shè)“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座”，以適應(yīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)新的形式和要求，那年李家國(guó)獲得地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)學(xué)碩士，結(jié)合著地理信息研發(fā)和遙感應(yīng)用，走進(jìn)了遙感研究領(lǐng)域；隨后，我國(guó)在高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，即將陸續(xù)發(fā)射7顆高分衛(wèi)星，為遙感的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究提供支撐和保障，李家國(guó)則一直默默堅(jiān)守在遙感領(lǐng)域，為我國(guó)的遙感事業(yè)貢獻(xiàn)著一己之力。

一門(mén)課引發(fā)的興趣

2000年，李家國(guó)以?xún)?yōu)異的成績(jī)考取吉林大學(xué)水文與水資源工程專(zhuān)業(yè)，十分珍惜大學(xué)生活的他也格外奮發(fā)圖強(qiáng)。直到一門(mén)課的出現(xiàn)，他前進(jìn)道路的方向從此被改變?！爱?dāng)時(shí)修了一門(mén)課叫做《遙感與地理信息系統(tǒng)》，又恰逢我國(guó)發(fā)射了‘資源1號(hào)02星’”，在課上，老師講述了我國(guó)還處于起步階段的遙感衛(wèi)星未來(lái)發(fā)展的規(guī)劃，這使李家國(guó)感到非常激動(dòng)和興奮，也正是基于這個(gè)原因，他決定研究生轉(zhuǎn)變研究方向，于是報(bào)考了地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)。

在接下來(lái)的幾年中，李家國(guó)不斷深造，于2010年取得中科院遙感應(yīng)用研究所定量遙感理學(xué)博士學(xué)位。隨即，他進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所工作，直至今日。圍繞著傳感器輻射定標(biāo)與校正、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)、遙感大數(shù)據(jù)快速處理這3大研究方向，李家國(guó)辛勤耕耘，翻越了一座又一座高峰。

傳感器輻射定標(biāo)與校正，即把衛(wèi)星或傳感器探測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換成人所能理解的信息，“因?yàn)閭鞲衅饔^測(cè)到的是地球光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程，通過(guò)接收地球反射來(lái)自太陽(yáng)光的能量，或地球自身發(fā)射的輻射，從而記錄下數(shù)字”，然而，這些干巴巴的數(shù)字對(duì)于科研者來(lái)說(shuō)是沒(méi)有任何意義的，因此需要把數(shù)字轉(zhuǎn)換成具有物理意義的參量，比如太陽(yáng)光反射率、地表發(fā)射熱輻射的輻量度等。

傳統(tǒng)的水環(huán)境檢測(cè)需要儀器伸到水中進(jìn)行探測(cè)，或者現(xiàn)場(chǎng)拿一些設(shè)備觀測(cè)，“就像醫(yī)生號(hào)脈，需要與病人接觸，通過(guò)抽血、化驗(yàn)，獲得一些環(huán)境基本的物理或化學(xué)參量”，李家國(guó)打了個(gè)形象的比喻。而遙感水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)則只“看”，在不接觸也不化驗(yàn)的前提下，就知道水環(huán)境狀態(tài)如何，有無(wú)問(wèn)題，比如水是多是少，哪里洪水哪里干旱，哪里有水環(huán)境災(zāi)害等都可以通過(guò)遙感來(lái)進(jìn)行觀測(cè)和反演。

遙感大數(shù)據(jù)快速處理，則是把遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用到行業(yè)中的進(jìn)程縮短，以前可能需要3～5天，但經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)的處理，比如并行處理、高性能計(jì)算等“加速”，就能在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從而快速形成“觀測(cè)-知識(shí)-決策”鏈條。

“傳感器輻射定標(biāo)與校正，解決的是傳感器‘能不能用’的問(wèn)題，遙感監(jiān)測(cè)是‘如何用好’，大數(shù)據(jù)快速處理是‘如何好用’，這3個(gè)方面是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程”，李家國(guó)總結(jié)道。

兩個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)閃耀的光環(huán)

踏足遙感領(lǐng)域近10余載來(lái)，李家國(guó)收獲頗多，尤以?xún)蓚€(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)最為矚目?！吧鷳B(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用處理與分析系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用示范”獲得地理信息科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)?！皩?duì)于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所來(lái)說(shuō)，我們研究的遙感屬于前端，而行業(yè)中有應(yīng)用中心，屬于后端。我們作為前端處理則要為后端提供技術(shù)支撐，生產(chǎn)要素及專(zhuān)題產(chǎn)品，后端再憑借我們提供的素材進(jìn)行行業(yè)研判和評(píng)價(jià)”。因此，這個(gè)項(xiàng)目重點(diǎn)解決的是遙感在生態(tài)應(yīng)用中所面臨的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)包括3個(gè)方面：一是，遙感在生態(tài)應(yīng)用過(guò)程中面臨著區(qū)域多、參數(shù)雜、模型多樣，以至于選擇起來(lái)困難，開(kāi)發(fā)的算法語(yǔ)言不統(tǒng)一；二是，數(shù)據(jù)量龐大，比如處理一個(gè)保護(hù)區(qū)的原始數(shù)據(jù)達(dá)幾個(gè)G，結(jié)果數(shù)據(jù)量就可能達(dá)到幾十個(gè)甚至幾百個(gè)G；三是，處理業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)性非常強(qiáng)。

針對(duì)這3個(gè)問(wèn)題，李家國(guó)及團(tuán)隊(duì)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，并研發(fā)解決方案，最后構(gòu)建了一套完整的業(yè)務(wù)流程?！拔覀儼堰b感在生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用按照不同的原則，切分成很多不同的細(xì)小的原則節(jié)點(diǎn)，每個(gè)原則節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)算法，也可以是一個(gè)處理工具，還可以是一個(gè)模型的參數(shù)”，再通過(guò)搭積木的形式，構(gòu)建一張作業(yè)流程圖，“人員只要把自己所負(fù)責(zé)的環(huán)節(jié)匯成圖，系統(tǒng)就會(huì)把這些不同的環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起。這樣科研人員只需關(guān)心自己負(fù)責(zé)的節(jié)點(diǎn)，不用考慮前后是如何完成的”。這樣一來(lái)，極大降低了算法的復(fù)雜性和對(duì)專(zhuān)業(yè)人員的要求。

另一個(gè)項(xiàng)目“神東礦區(qū)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)”獲得地理信息產(chǎn)業(yè)工程銀獎(jiǎng)，且排名第一。神東煤炭集團(tuán)是中國(guó)神華能源股份有限公司的核心煤炭生產(chǎn)企業(yè)，他們生產(chǎn)面臨著嚴(yán)重的環(huán)境及大氣污染問(wèn)題，因此亟需一個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)，根據(jù)不同的季節(jié)、不同的時(shí)間，自主完成產(chǎn)品生產(chǎn)工作。然而，項(xiàng)目的工期緊迫，從招投標(biāo)到結(jié)項(xiàng)，只留給團(tuán)隊(duì)1年的時(shí)間。項(xiàng)目集中了團(tuán)隊(duì)中絕大部分骨干力量，40多人擠在一個(gè)不到200平米的屋子里開(kāi)發(fā)系統(tǒng)?！把邪l(fā)工作非常辛苦”，作為項(xiàng)目一員的李家國(guó)回憶起當(dāng)時(shí)的情景仍記憶猶新。

功夫不負(fù)有心人，項(xiàng)目最終圓滿交付?？偨Y(jié)起來(lái)共有3個(gè)代表性應(yīng)用：首先，通過(guò)遙感檢測(cè)港口是否有冰，決策是否出船，而且每到九十月份后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；其次，監(jiān)測(cè)非法開(kāi)采小煤窯，“國(guó)家明令禁止開(kāi)采小煤窯，但地方百姓會(huì)鋌而走險(xiǎn)，盜采煤礦，從而產(chǎn)生治安問(wèn)題：一是造成國(guó)家資源流失，二是容易出現(xiàn)安全隱患，三是對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞”，如此大的區(qū)域不可能依靠人力巡邏，所以通過(guò)遙感發(fā)現(xiàn)開(kāi)采痕跡，方便有針對(duì)性監(jiān)督治理；最后，監(jiān)測(cè)煤火，前期預(yù)警，在我國(guó)北方內(nèi)蒙地區(qū)的地下煤藏都屬淺層煤，地表受光照后容易形成自燃，這不但是自然資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)也埋下很大的安全隱患，因此通過(guò)遙感監(jiān)測(cè)可能發(fā)生煤火的地方，可起到警報(bào)作用。

在澳大利亞輻射定標(biāo)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

新能源下的遙感監(jiān)測(cè)

目前，核能是唯一被證實(shí)的不僅能夠提供大量能源，而且不會(huì)釋放溫室效應(yīng)氣體的能源。隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國(guó)對(duì)電力的需求與日俱增。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，我國(guó)運(yùn)行的核電機(jī)組近30臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)2831萬(wàn)千瓦；在建的核電機(jī)組24臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)2672萬(wàn)千瓦。其中，我國(guó)在建的核電機(jī)組數(shù)量排名全球第一，總機(jī)組數(shù)量位居全球第三。

核電的發(fā)展具有廣闊前景，但仍面臨著一些問(wèn)題，核電站的溫排水問(wèn)題就是其中之一。熱電廠需要大量的水用于冷卻，而這些冷卻水經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)的加熱后成為溫排水。核電站的冷卻水不斷地排入受納水體，造成水域溫度升高，對(duì)溫排區(qū)域內(nèi)的海洋魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)群種等資源產(chǎn)生不同程度的影響。“每個(gè)國(guó)家對(duì)核業(yè)排水有排放標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)目前還未制定標(biāo)準(zhǔn)，只是參考其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如夏季不能超過(guò)1度，冬季不能超過(guò)2度，如果一旦超過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)值，就會(huì)產(chǎn)生很大影響，特別是在海洋保護(hù)區(qū)周邊，可能會(huì)改變海洋生物的習(xí)性；如果接近農(nóng)民圍墾，會(huì)對(duì)海帶紫菜養(yǎng)殖區(qū)造成危害，這就需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)是否對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，影響有多大，都要進(jìn)行評(píng)估”，李家國(guó)深感問(wèn)題的嚴(yán)重。

因此，核電站水體熱排放一直是環(huán)保工作中一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)，核電站溫排水環(huán)境影響的研究對(duì)于防止熱污染，保護(hù)海域水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。而水溫的高低是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的前提，是反映熱污染程度的一個(gè)重要指示因子。定期、準(zhǔn)確地調(diào)查評(píng)估溫排水的影響范圍、強(qiáng)度，是近海岸熱溫排放以及核電站對(duì)海水環(huán)境影響評(píng)估重要參考依據(jù)。

“利用遙感技術(shù)對(duì)核電站溫排水熱污染監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，可以較好反映水體熱的時(shí)空差異性和變化規(guī)律，可以為核電站運(yùn)營(yíng)期間的環(huán)境管理提供技術(shù)支撐、能夠滿足環(huán)境保護(hù)部門(mén)及公眾對(duì)環(huán)境信息的需求，對(duì)保護(hù)近海海域環(huán)境具有重要意義”，從2010年開(kāi)始，李家國(guó)就一直致力于此，他先后去過(guò)廣西防城港、浙江三門(mén)縣、福建福清和寧德、廣東陽(yáng)江等地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)遙感衛(wèi)星手段監(jiān)測(cè)，從而為核電廠提供技術(shù)支持，同時(shí)為后續(xù)再建核電機(jī)組提供空間參考范圍依據(jù)。

星地同步觀測(cè)

民生問(wèn)題中的遙感應(yīng)用

近年來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)在海綿城市建設(shè)中凸顯出巨大的潛力。海綿城市以水為對(duì)象，主要解決“城市在下雨后，如何把水留住，不下雨時(shí)，如何發(fā)揮水的潛在作用”，簡(jiǎn)單概括就是“留水”和“用水”問(wèn)題。如今的城市道路不同以往，地下建筑越來(lái)越多，致使道路不再具有滲水功能，所以一旦下雨就容易形成洪澇，雨水少時(shí)就干旱，問(wèn)題關(guān)鍵還是不透水面積過(guò)大。

遙感在海綿城市中起到的主要作用就是檢測(cè)水能滲透的面積和不能滲透的面積?！巴ㄟ^(guò)遙感可以直觀監(jiān)測(cè)城市中的不透水面積的大小，及分布情況；另一方面，一旦發(fā)生洪澇，遙感還能監(jiān)測(cè)何地產(chǎn)生積水，前提需要高分辨率的亞米級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)”。目前，李家國(guó)和團(tuán)隊(duì)已在河南鶴壁、浙江杭州開(kāi)展了海綿城市的相關(guān)應(yīng)用工作，“遙感起到輔助性作用，地面手段是主導(dǎo)。因?yàn)檫b感只能‘看’，而且從太空中看還受到很多條件的限制，所以沒(méi)有遙感不行，但光靠遙感也不行”，他道出了遙感的核心作用。

除了智慧型城市，“黑臭”也是關(guān)乎民生的重要問(wèn)題。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，作為重要資源和污水載體的城市河流和湖泊已經(jīng)遭受?chē)?yán)重污染，其中以嚴(yán)重的水體黑臭現(xiàn)象最為突出，以及水體黑臭導(dǎo)致的次生環(huán)境問(wèn)題，比如爆發(fā)水華、浮萍泛濫、水葫蘆瘋長(zhǎng)等。很多水體黑臭問(wèn)題嚴(yán)重，已成為我國(guó)許多城市共同存在的污染問(wèn)題。城市水體黑臭不僅影響城市景觀，破壞河流生態(tài)系統(tǒng)，更是影響城市居民的生活和危害人體健康。因此，控制和治理城市河道水體污染、整治河道黑臭刻不容緩。

同樣以衛(wèi)星遙感技術(shù)為主要手段，李家國(guó)聚焦解決“黑臭”。他分階段提取全國(guó)地級(jí)及以上城市不透水面積及聚集密度、城市綠地及城市建成區(qū)范圍等重要城市水環(huán)境信息；利用高空間分辨率影像動(dòng)態(tài)提取城市主要水體水域分布，統(tǒng)計(jì)水域面積和水域占建成區(qū)面積比例；基于天地協(xié)同技術(shù)手段針對(duì)重點(diǎn)城市開(kāi)展城市黑臭水體遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立城市黑臭水體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，收集、展示和發(fā)布黑臭水體位置、治理進(jìn)展及城市黑臭天地協(xié)同動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果。

每年，李家國(guó)都有1～2次出海任務(wù)。對(duì)于不是在海邊長(zhǎng)大的科研人員來(lái)說(shuō)，出海無(wú)疑是件辛苦之事，上船后面臨的暈船、嘔吐，都是需要他們?nèi)棠秃涂朔木骄?。然而，出海?shí)驗(yàn)也不是光有人員和設(shè)備就可以，需要天空晴朗無(wú)云，同時(shí)有衛(wèi)星通過(guò)，還要無(wú)風(fēng)才能出海，唯有達(dá)到“天時(shí)地利人和”，海上試驗(yàn)才有完成的可能。因此，李家國(guó)也深感要想成為一名合格的遙感科研人員，關(guān)鍵需具備認(rèn)真的態(tài)度和堅(jiān)韌不拔的品質(zhì)。

2016年下半，我國(guó)將陸續(xù)發(fā)射高分三號(hào)、五號(hào)等高性能新型遙感衛(wèi)星，未來(lái)，李家國(guó)也計(jì)劃著把高空間分辨率和多光譜結(jié)合起來(lái)，在現(xiàn)有的空間分辨率基礎(chǔ)上，增加更多的譜段，從原有的4個(gè)增加至8個(gè)，這相當(dāng)于會(huì)有更多雙“眼睛”來(lái)觀察地球表面……