遙感專業(yè)研究生創(chuàng)新能力提升

秦凱 張華 閆世勇

摘? 要：創(chuàng)新能力培養(yǎng)是研究生教育的關(guān)鍵，對(duì)國家創(chuàng)新體系的構(gòu)建發(fā)揮著重要的作用。由于中國礦業(yè)大學(xué)測(cè)繪學(xué)科的工科背景，攝影測(cè)量與遙感專業(yè)的研究生選題多偏重使用已有廣泛使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解決某一工程技術(shù)性的問題，原始創(chuàng)新不足。缺少地面觀測(cè)第一手資料的支持、學(xué)術(shù)交流不足，已經(jīng)成為制約中國礦業(yè)大學(xué)遙感專業(yè)研究生創(chuàng)新能力提升的主要因素。為此，依托我國唯一的礦區(qū)環(huán)境遙感協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)，更新了課堂教學(xué)內(nèi)容，提出了“走出去+引進(jìn)來”的學(xué)術(shù)交流模式。

關(guān)鍵詞：遙感;研究生;創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）18-0030-03

Abstract： The cultivation of innovation ability is the key to graduate education and plays an important role in the construction of national innovation system. Due to the engineering background of the surveying and mapping discipline of China University of Mining and Technology， the postgraduate selection of photogrammetry and remote sensing majors focuses on the use of widely used satellite remote sensing data to solve a certain engineering technical problem， and the original innovation is insufficient. The lack of support for first-hand information on ground observation and insufficient academic exchanges have become the main factors restricting the improvement of the innovation ability of postgraduate students in China's mining universities. To this end， relying on China's only mining area remote sensing collaborative observation test site， updated the classroom teaching content， and the "going out + introducing" academic exchange modelhas been proposed.

Keywords： remote sensing; graduate student; innovation ability

研究生教育是我國高層次專業(yè)人才培養(yǎng)的重要途徑。提高研究生的創(chuàng)新能力，對(duì)國家創(chuàng)新體系的構(gòu)建發(fā)揮著重要的作用[1-2]。遙感是一門通過非接觸傳感器獲取目標(biāo)的時(shí)空數(shù)據(jù)以提取全球覆蓋的多尺度時(shí)空信息的科學(xué)與技術(shù)。攝影測(cè)量與遙感（以下簡(jiǎn)稱“遙感”）作為測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)的二級(jí)學(xué)科，是通過傳感器系統(tǒng)進(jìn)行記錄和測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和表示，獲得關(guān)于地球及其環(huán)境和其他自然物體和過程的可靠信息的一門科學(xué)與技術(shù)[3]。中國礦業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“中國礦大”）的測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科是國家重點(diǎn)（培育）學(xué)科、教育部學(xué)科評(píng)估A-學(xué)科。但是，由于測(cè)繪學(xué)科的工科背景，遙感專業(yè)的研究生選題多偏重使用已有廣泛使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解決某一工程技術(shù)性的問題，原始創(chuàng)新不足。尤其是碩士研究生，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文的偏少。

地基觀測(cè)是對(duì)地觀測(cè)與遙感技術(shù)的重要組成，是衛(wèi)星遙感反演驗(yàn)證的重要依據(jù)。對(duì)比美國馬里蘭大學(xué)、美國普渡大學(xué)、德國宇航中心以及國內(nèi)的武漢大學(xué)、中科院等遙感專業(yè)研究生的優(yōu)秀培養(yǎng)單位可知，掌握地面遙感觀測(cè)的第一手觀測(cè)資料是研究生開展原始創(chuàng)新研究、發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文的關(guān)鍵。此外，遙感專業(yè)作為國際前沿領(lǐng)域發(fā)展迅速，尤其是隨著我國的高分系列衛(wèi)星的發(fā)射和數(shù)據(jù)發(fā)布，遙感領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將迎來空前的發(fā)展。由于中國礦大所處徐州市的地理位置的限制，與武漢大學(xué)、中科院等國內(nèi)一流的遙感專業(yè)研究生培養(yǎng)單位相比，在本校接觸領(lǐng)域?qū)W術(shù)大師的機(jī)會(huì)相對(duì)較少，單純依靠校內(nèi)報(bào)告的學(xué)術(shù)交流模式，一定程度上制約了研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，缺少地面觀測(cè)第一手資料的支持、學(xué)術(shù)交流不足，已經(jīng)成為制約中國礦大遙感專業(yè)研究生創(chuàng)新能力提升的主要因素，亟待研究相應(yīng)的對(duì)策。

中國礦大在江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目的支持下，從2012年開始在南湖校區(qū)內(nèi)建設(shè)了專門面向礦區(qū)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的協(xié)同觀測(cè)綜合試驗(yàn)場(chǎng)（The Mining Area Environment Synergic observatTion pRoving grOund，MAESTRO）。本文作者所在團(tuán)隊(duì)依托該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的設(shè)備和觀測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，探索了遙感專業(yè)研究生創(chuàng)新能力提升的途徑。

一、中國礦大MAESTRO概況

煤炭在我國一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中一直占有極其重要的地位，是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的重要能源保證。煤炭的開發(fā)利用引起了量大面廣的土壤污損、水體退縮、植被退化、大氣污染、生態(tài)破壞等一系列地表與大氣環(huán)境問題[4-7]，對(duì)礦區(qū)及相鄰區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。大規(guī)模的煤炭開采與利用引起了礦區(qū)及礦業(yè)城市嚴(yán)重的環(huán)境損傷。綜合利用天空地多源對(duì)地觀測(cè)開展遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估，將為環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)和方法支撐。

國際上，煤炭能源開發(fā)利用的環(huán)境效應(yīng)已成為重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域，歐盟第七框架計(jì)劃、地球觀測(cè)組織（Group on Earth Observations， GEO）、美國能源部等機(jī)構(gòu)均在開展該方面的研究。煤礦區(qū)環(huán)境破壞遙感監(jiān)測(cè)因其特殊性和復(fù)雜性，常規(guī)遙感物理、模型和方法不足以支撐。為了開展礦區(qū)環(huán)境遙感方法、模型與技術(shù)體系研究與教學(xué)，需要建設(shè)一個(gè)用于對(duì)地觀測(cè)科學(xué)基礎(chǔ)研究、技術(shù)試驗(yàn)和驗(yàn)證的，地物要素豐富、測(cè)試設(shè)備齊全的科研試驗(yàn)場(chǎng)所。中國礦大MAESTRO試驗(yàn)場(chǎng)的主要功能有三個(gè)：一是遙感物理真實(shí)性檢驗(yàn)，二是星/空形變監(jiān)測(cè)幾何標(biāo)定，三是地上下傳感網(wǎng)同步協(xié)同。

（一）MAESTRO特點(diǎn)

MAESTRO強(qiáng)調(diào)多尺度、多手段、多模式、多學(xué)科協(xié)同的“四多”原則，旨在面向國內(nèi)外開放，形成礦區(qū)遙感特色的國際聯(lián)合試驗(yàn)基地。

1. 多尺度

通過跟蹤最新的高分衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)于目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)的中分辨率和高分辨等不同空間分辨率的影像，建立一套地面的幾何校正系統(tǒng)，建立適合礦區(qū)遙感的輻射校正系統(tǒng)，解決無連續(xù)的地面幾何檢校場(chǎng)。通過使用我校無人機(jī)，建立地面檢校場(chǎng)。對(duì)于混合像元問題，研究地面光譜來進(jìn)行衛(wèi)星影像的混合像元分解。建立地面實(shí)測(cè)的光譜知識(shí)庫，為礦區(qū)環(huán)境研究提供精細(xì)的光譜曲線。

2. 多手段

通過跟蹤最新的高分衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)于目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)的中分辨率和高分辨等不同空間分辨率的影像，建立一套地面的幾何校正系統(tǒng)，建立適合礦區(qū)針對(duì)遙感數(shù)據(jù)非實(shí)時(shí)性，建立一套傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，搭建最新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的各種溫度、濕度、污染物的添加量、氣象參數(shù)等信息，周期性的監(jiān)測(cè)各種實(shí)驗(yàn)區(qū)地物的光譜曲線，進(jìn)行各種反演模型的研究。

3. 多尺度

研究多光譜、寬視場(chǎng)、航向立體成像、地面三維建模和傳感器檢測(cè)等多種模式，有效采集礦區(qū)各種地物的光譜數(shù)據(jù)，布置可以進(jìn)行航空航天數(shù)據(jù)幾何校正的地面模型，搭建地面激光三維掃描數(shù)據(jù)的各種礦區(qū)地物模型，設(shè)立實(shí)時(shí)監(jiān)控礦區(qū)地面各種指標(biāo)的傳感器模式等。

4. 多學(xué)科協(xié)同

以測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科（含大地測(cè)量學(xué)、地圖制圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)、攝影測(cè)量與遙感）為主體、結(jié)合土地資源管理學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程（環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程）、信息與通信工程、控制科學(xué)與控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、化學(xué)工程與技術(shù)等學(xué)科，發(fā)揮各學(xué)科優(yōu)勢(shì)，建立礦區(qū)環(huán)境的多學(xué)科協(xié)同研究試驗(yàn)場(chǎng)。

（二）MAESTRO建設(shè)現(xiàn)狀

MAESTRO 將采取“固定性地面場(chǎng)地+常態(tài)性基礎(chǔ)設(shè)施+項(xiàng)目性實(shí)驗(yàn)觀測(cè)”的模式，分三期有序建設(shè)。目前，已經(jīng)在中國礦大南湖校區(qū)完成了MAESTRO一期建設(shè)。建成了30米的通量觀測(cè)塔，搭載大孔徑閃爍儀、渦度相關(guān)系統(tǒng)、凈輻射儀、空氣溫濕度傳感器、紅外輻射計(jì)、土壤溫濕度傳感器、土壤熱通量板等觀測(cè)儀器，長(zhǎng)期開展輻射通量、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量、碳通量等的連續(xù)觀測(cè)。建成了大氣遙感觀測(cè)站，裝備有太陽光度計(jì)、顆粒物粒徑譜儀、黑炭分析儀、MAX-DOAS差分吸收光譜儀、氣象站等儀器，可24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴竞蜌庀髤?shù)，其氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)數(shù)據(jù)直接加入國際氣溶膠監(jiān)測(cè)網(wǎng)（AERONET：Aerosol RObtic NETwork，http：//aeronet.gsfc.na

sa.gov/）。建成了土壤作物光譜實(shí)驗(yàn)田，包括四塊大小分別為12.0*11.8m2、11.8*11.8m2、11.8*11.6m2和11.6*11.6m2的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，2013年10月至2014年6月期間，先后完成了冬小麥播種、重金屬添加、光譜采集、樣品檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)工作。

二、基于MAESTRO的研究生創(chuàng)新能力提升實(shí)踐

（一）研究生課堂教學(xué)內(nèi)容更新

遙感是一門快速發(fā)展的技術(shù)，衛(wèi)星傳感器、反演算法以及學(xué)科交叉研究的發(fā)展日新月異，及時(shí)更新課堂教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于提升遙感專業(yè)研究生的創(chuàng)新能力至關(guān)重要。MAESTRO作為我國唯一的礦區(qū)環(huán)境遙感協(xié)同觀測(cè)科研試驗(yàn)場(chǎng)，一期工程主要涵蓋了大氣環(huán)境遙感、熱紅外遙感與地表能量平衡、土壤污染遙感三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容，均屬于國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域?；谝劳蠱AESTRO試驗(yàn)場(chǎng)開展的創(chuàng)新研究成果，針對(duì)碩士課程《對(duì)地觀測(cè)與遙感技術(shù)》、《定量遙感》，博士課程《遙感科學(xué)與技術(shù)新進(jìn)展》的教學(xué)需求，具體更新內(nèi)容如表1所示。更新后的課程內(nèi)容應(yīng)用于2014級(jí)后的研究生教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。

（二）研究生課堂教學(xué)內(nèi)容更新

遙感專業(yè)研究生的研究課題多集中在遙感影像分類、定量遙感反演、遙感應(yīng)用分析研究等方向，無論是使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)還是要解決的環(huán)境災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用課題，均需要與國內(nèi)外的學(xué)術(shù)同行進(jìn)行緊密的交流和密切的合作。由于中國礦大所在的徐州市非直轄或省會(huì)城市且同城高校較少，相比北京、上海、武漢、南京等地區(qū)的高校的遙感專業(yè)研究生，外地專家來徐開設(shè)的學(xué)術(shù)報(bào)告相對(duì)較少，限制了研究生的學(xué)術(shù)視野、制約了研究生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

為此，本文作者所在團(tuán)隊(duì)提出了“走出去+引進(jìn)來”相結(jié)合的學(xué)術(shù)交流模式，以導(dǎo)師課題為紐帶，依托中國礦大南湖校區(qū)的MAESTRO協(xié)同觀測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的設(shè)備與數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，吸引校外專家、研究生來?？妥芯?，同時(shí)，鼓勵(lì)研究生帶著校內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)到國內(nèi)外一流的遙感機(jī)構(gòu)開展開放性合作研究。具體而言，以作者承擔(dān)的歐洲空間局的哨兵五號(hào)先導(dǎo)衛(wèi)星地面驗(yàn)證項(xiàng)目“Validation of Trace Gas and Aerosol Products of TROPOMI/S5P over Eastern China”為紐帶，依托南湖校區(qū)的大型觀測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中的大氣遙感觀測(cè)站的設(shè)備與數(shù)據(jù)資源，與德國宇航中心、意大利大氣與氣候研究所、香港理工大學(xué)、中科院遙感與數(shù)字地球研究所進(jìn)行廣泛的交流合作。以舉辦學(xué)術(shù)論壇、參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議、邀請(qǐng)校外專家研究生來校客座研究、建立網(wǎng)上討論群等多種形式，實(shí)踐“走出去+引進(jìn)來”的多元化學(xué)術(shù)交流模式。例如，研究生王璐瑤與意大利大氣與氣候研究所Francesca Costabile博士建立了Skype網(wǎng)絡(luò)交流小組，研究生韓旭與中科院遙感與數(shù)字地球研究所“百人計(jì)劃”研究員胡斯勒?qǐng)D的課題組建立了定期交流機(jī)制。

三、結(jié)束語

加強(qiáng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是確保研究生教育質(zhì)量的核心任務(wù)。中國礦大的遙感專業(yè)研究生具有典型的工科背景，選題以工程應(yīng)用為主，原始創(chuàng)新不足。作者依托大型校內(nèi)科研試驗(yàn)場(chǎng)的設(shè)備與數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，將最新的研究成果引入到研究生課堂教學(xué)中來，并探索了多元化學(xué)術(shù)交流模式，為遙感專業(yè)研究生創(chuàng)新能力的提升提供了實(shí)踐案例。未來，將進(jìn)一步在培養(yǎng)大綱修訂、論文選題等各個(gè)環(huán)節(jié)注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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