情系激光遙感 力推三維地學(xué)
——記北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院研究員林沂

□ 徐芳芳

大地連綿起伏，森林錯落有致，在科技發(fā)展如此迅速的今天，林沂及其研究團隊利用激光遙感這一利器，針對地球表面的復(fù)雜組成為何呈現(xiàn)如此美妙和諧的立體形態(tài)這一基礎(chǔ)問題，觀察、分析……探索不息。

林沂參加國際研討會

隨著航空航天、空間技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等的飛速發(fā)展，遙感的數(shù)據(jù)獲取能力不斷增強。尤其是激光遙感技術(shù)，更呈現(xiàn)出突飛猛進的節(jié)奏，近30年來，這項新型前沿遙感技術(shù)已在資源環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、氣象、城市建設(shè)、海洋、測繪、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

事實上，激光遙感的發(fā)展歷史并不久遠。20世紀(jì)初，愛因斯坦提出的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)理論構(gòu)建了激光的產(chǎn)生原理，直至60年代科學(xué)家梅曼才研制成功了第一臺激光發(fā)生器，之后雖然獲得大量的技術(shù)推動，但真正發(fā)展為遙感領(lǐng)域的一個分支并趨于成熟，已到了90年代。自此，激光遙感技術(shù)蓬勃發(fā)展，逐步成為可取代傳統(tǒng)全站儀、攝影測量的第三代三維空間信息獲取技術(shù)的代表性分支。

在北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院研究員林沂看來，如果被動光學(xué)遙感技術(shù)是天地對話的“傳達室”，主動激光遙感技術(shù)便可稱為天地交流的“對講機”。天空、陸地、海洋，人類原本生活在三維空間中，卻發(fā)現(xiàn)三維信息的獲取如此之煩瑣，而這項技術(shù)卻提供了一個特殊突破口，讓我們能主動便捷觀測到更多的三維信息，來開展更多與地學(xué)相關(guān)的認(rèn)知研究工作。多年來，他扎根于激光遙感這一領(lǐng)域中，在新型激光遙感、森林生態(tài)遙感、環(huán)北極遙感、地球交互等方向不輟耕耘，作為激光遙感技術(shù)的科研推動者，他堅信該技術(shù)在未來的科學(xué)探索中必將發(fā)揮更大的作用，為國民經(jīng)濟建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展提供更多的全方位基礎(chǔ)信息和科學(xué)化決策依據(jù)。

注定遙感——學(xué)科交叉，探索前行

求學(xué)路上的多種體驗，豐富了林沂的認(rèn)知，并最終將他的科學(xué)研究方向引向了激光遙感領(lǐng)域。

1999年9月，林沂以優(yōu)異成績考入復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系光源與照明工程專業(yè)，本科期間掌握了激光相關(guān)的知識，并打下了深厚的光學(xué)應(yīng)用專業(yè)基礎(chǔ)。然而與光源照明打交道，實驗研究必不可少，這也導(dǎo)致了林沂學(xué)習(xí)過程中對未來從事光學(xué)相關(guān)的研究產(chǎn)生過動搖，起因是班導(dǎo)師在做光源發(fā)光實驗過程中觸電身亡，給了當(dāng)時年僅20出頭的林沂非常大的沖擊。于是碩士期間，林沂進入北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院，轉(zhuǎn)向相對安全的軟件開發(fā)新行當(dāng)。但是，在林沂的頭腦深處，做工程師無法與做科學(xué)家相匹敵，因為本科接觸到的神奇“光”始終在閃爍著，那份對自然的好奇總也揮之不去。如果能在之后的科學(xué)研究中將本科的科學(xué)知識與碩士的實踐技能進行交叉結(jié)合，將會碰撞出怎樣的火花？

2006年，林沂考入北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，結(jié)合光學(xué)背景與編程優(yōu)勢，仿佛注定般開始了恰是以二者為基礎(chǔ)的遙感專業(yè)的學(xué)習(xí)，師從童慶禧院士，開展了博士階段的研究工作。讀博期間，林沂初涉當(dāng)時國內(nèi)較為前沿的激光遙感研究，并作為負責(zé)人申請到中國測繪與地理信息局礦區(qū)空間信息技術(shù)重點實驗室的該方向開放基金課題，開始了激光遙感的科研工作。

筑夢科研——輾轉(zhuǎn)海外五國的研究之路

學(xué)海無涯，科研無境。只有在科研領(lǐng)域中永遠保持對未知的好奇，才可以在不輟耕耘與實踐中提升科研的水平，使自己擁有更廣闊的科研視野，更前沿的學(xué)術(shù)思維。博士畢業(yè)后，如何能在之前的科學(xué)研究基礎(chǔ)上，使自己更進一步，一直是林沂在思考以及前進的方向。

博士畢業(yè)前夕，在一次契機之下，林沂獲得了芬蘭大地測量研究所的科研工作職位。“借這次機會我可以了解國外的最新技術(shù)?！绷忠收f。在此之前，童院士曾提及國內(nèi)高光譜遙感與芬蘭開展了很好的合作，在中國艱苦的歲月里，芬蘭是中國了解西方前沿技術(shù)的一個窗口，對華很友好，所以在接到邀請函之后，林沂便欣然踏上了國外求索之路，并于2009年8月順利來到了芬蘭大地測量研究所擔(dān)任高級研究員，加入國際著名的激光遙感與森林生態(tài)遙感專家Juha Hyypp?教授的團隊開展相關(guān)研究。

“芬蘭全國1/3的國土在北極圈內(nèi)，整個國家森林覆蓋率非常好，環(huán)境優(yōu)美，安逸祥和，夏季溫和舒適，冬季嚴(yán)寒漫長，甚至上午9點鐘天才亮，下午3點鐘夜幕即開始緩緩落下，少有那種大都市生活的緊迫感與忙碌感，仿佛一切都慢了下來。”林沂說道。在那里他可以靜下心來，全身心地投入科學(xué)研究之中，在這一期間，他參與了許多相關(guān)領(lǐng)域的前沿探索研究，如參與了世界上首臺輕小型無人機激光雷達遙感系統(tǒng)的研發(fā)等，以優(yōu)異的科研表現(xiàn)受到了所在單位的賞識，很快拿到了其永久職位。

訪問德國海德堡大學(xué)

雖在國外從事研究工作多年，但林沂的心中一直牽掛著自己的母校，他說：“當(dāng)初，我外出求學(xué)時，學(xué)校的遙感與地理信息系統(tǒng)研究所還沒有從事激光雷達遙感教學(xué)科研的專職老師，中間回來看望恩師們時依然沒有，我認(rèn)為自己有責(zé)任來為母校的科研事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。”2012年12月，林沂放棄了國外的安逸生活，正式結(jié)束了在芬蘭的研究工作，回到了北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所擔(dān)任“百人計劃”研究員。

回國后，林沂基于之前的研究基礎(chǔ)，開始了激光遙感與森林生態(tài)交叉研究的深層科研探索。借著2014年拿到的澳大利亞研究奮進獎學(xué)金（Endeavour Research Fellowships）等的資助，他陸續(xù)出訪了德國、奧地利、澳大利亞等的知名科研院所。在與多國的科研交流與合作中，林沂拓寬了學(xué)術(shù)眼界和思維模式，不安于一隅，走出去做科研，讓林沂有了極大的科研收獲。德國科技人的創(chuàng)新嘗試、澳大利亞科技人對學(xué)術(shù)前沿的敏感度等，均打破了林沂之前對其固有的傳統(tǒng)認(rèn)知，并對自己今后的科研工作有了深層的思考。而從激光遙感研究的角度，這些國家的獨特研究模式，也啟發(fā)了林沂的研究思維改變與提升，將他在回國初期所從事的激光遙感與森林生態(tài)交叉研究提升至更為宏觀的地球立體交互科學(xué)探索層面。

扎根北大——建立團隊開展科研探索

科研探索并不意味著想法到了結(jié)果就到了?！翱蒲袩o坦途，面對困難和壓力，不會一味蠻干，而是想辦法苦干加巧干。”在科研道路上，林沂一直在這樣鼓勵自己。即使如今的研究發(fā)展道路并不平坦，他也不會氣餒，而是將研究視角放眼國際、直視差距，通過自己的努力讓研究與國際前沿接軌。

在林沂的介紹下，記者了解到：目前，激光遙感與森林生態(tài)遙感領(lǐng)域研究的國際前沿發(fā)展勢態(tài)是向多特征屬性激光雷達遙感、三維森林生態(tài)學(xué)構(gòu)建等下一代研究過渡?，F(xiàn)如今，國內(nèi)仍處于跟蹤研究階段，雖然從事該領(lǐng)域研究的科研人員逐漸增多，但是從事基礎(chǔ)研究的人員仍然很少，很難做出原創(chuàng)性科研成果。

基于無人機激光雷達遙感系統(tǒng)進行研究

“如何能集中更多的研究優(yōu)勢開展更加系統(tǒng)性的研究工作”，林沂一直在思考。在這一現(xiàn)狀之下，他在回國后開創(chuàng)性地組建了“面向自然認(rèn)知的激光雷達遙感地球交互”團隊，多年來團隊規(guī)模日益壯大，并在團隊成員們的通力合作下做出了許多有代表性的科研成果。在遙感技術(shù)創(chuàng)新層面，他們開發(fā)了多種新型激光雷達遙感模式及其相應(yīng)的創(chuàng)新應(yīng)用；在三維森林生態(tài)學(xué)推進層面，開展了森林生態(tài)系統(tǒng)三維碳水過程模式的探索及其個體競爭效應(yīng)與整體空間格局的外在呈現(xiàn)統(tǒng)一分析，推動三維森林生態(tài)學(xué)的逐步確立；進一步開拓了激光雷達遙感與地球交互探索這一全新的交叉研究方向，推動超三維激光雷達遙感理論方法體系的發(fā)展，這對于從小尺度森林生態(tài)到大尺度地球交互的研究向系統(tǒng)化層級發(fā)展具有基礎(chǔ)意義。

作為團隊的領(lǐng)導(dǎo)人，從事科研多年來，林沂也主持及參與了多項國家自然科學(xué)基金研究項目，他將研究基于我國的發(fā)展現(xiàn)狀，腳踏實地開展了一系列創(chuàng)新性科研探索。

現(xiàn)如今，隨著攝影測量步入全數(shù)字時代和遙感進入高分辨率、立體觀測時代，激光遙感技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度日益拓展，而林沂團隊代表性的一個重要的研究方向是聚焦在森林生態(tài)系統(tǒng)上。森林生態(tài)系統(tǒng)是“地球陸地上最大、最復(fù)雜”的生態(tài)系統(tǒng)，作為陸面過程的重要調(diào)控因子，森林在維持生物圈的穩(wěn)定、維持大氣中二氧化碳和氧氣平衡、改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。而其調(diào)控作用的發(fā)揮，依賴的是功能運轉(zhuǎn)良好的整個森林生態(tài)系統(tǒng)。針對如此復(fù)雜的系統(tǒng)，如何掌握其過程模式以及評價其機理功能至關(guān)重要。

森林生態(tài)系統(tǒng)的過程模式是當(dāng)前的研究熱點，因為其對于陸地生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知與管理具有典型的代表意義。了解森林的光合固碳與蒸散的水輸運及其過程模式，是評價全球和區(qū)域初級生產(chǎn)力、模擬全球和區(qū)域植被生長、研究陸面過程與氣候相互作用和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)變化等科學(xué)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是研究地球表層物質(zhì)遷移和能量流動、地球生物化學(xué)循環(huán)等的重大基礎(chǔ)問題。然而目前存在碳水生化過程分析與三維形態(tài)結(jié)構(gòu)表征不統(tǒng)一的問題，這已嚴(yán)重影響了對于森林生態(tài)系統(tǒng)整體認(rèn)知的推進。

針對上述問題，結(jié)合國內(nèi)至今尚無成熟的森林生化過程模型這一基礎(chǔ)性缺失現(xiàn)狀。2018年3月，林沂成功申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“激光掃描與渦度測量：三維森林生態(tài)系統(tǒng)碳水過程模式”。

在這一項目中，他和團隊創(chuàng)新性地引入可直接三維測量的激光掃描技術(shù)，從其與渦度測量組合的宏觀生態(tài)系統(tǒng)建模角度切入，跳出常規(guī)深究碳、水生理機理的模式而以其表觀呈現(xiàn)為抓手，探討森林外在形態(tài)與內(nèi)在生化驅(qū)動的關(guān)聯(lián)，通過改進傳統(tǒng)大葉模型至多葉模型等方法，表征森林碳水過程三維耦合模式，開發(fā)與森林生長動態(tài)內(nèi)、外統(tǒng)一的三維過程模型與原型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)與國際上新興的森林三維過程前沿研究保持同步，推動對森林生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知由二維到三維的轉(zhuǎn)變，這無論反向?qū)ι稚砩鷳B(tài)機理研究或正向?qū)ι锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)研究等均具有基礎(chǔ)推動意義。

在與團隊自主開展科研工作之外，林沂也一直在尋求與不同單位的科研交流與合作，并取得了諸多亮眼的科研成果，他所領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊與大連海事大學(xué)合作的項目“基于無人平臺的遙感定標(biāo)傳感識別與應(yīng)急保障技術(shù)”還獲得了2017年度中國航海學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。在這一項目中，他們將大量關(guān)于遙感信息處理、遙感輻射定標(biāo)等研究成果拓展應(yīng)用于海洋海事，所開發(fā)的技術(shù)在合作團隊的工作中得到了較好實踐。而面對榮譽，林沂卻始終保持著一名科研工作者的謙卑與踏實，他說：“獎項的獲得只是對自己前期工作的肯定，實際上跟讀書越多發(fā)現(xiàn)懂得越少是一個道理，獲得了獎項的同時，我也發(fā)現(xiàn)了后續(xù)仍有數(shù)不清的待解問題，對于自身來說，這反而是一種再前進的動力。”

教學(xué)相長——腳踏實地前行

辛苦探索終有所成，林沂的研究隊伍也初具規(guī)模。在多年的發(fā)展下，目前，林沂團隊人數(shù)一直保持在10人左右，對于團隊建設(shè)，他歷來秉持“帶著跑”而非“趕著走”的原則，他說：“言傳身教才是最好的人才培養(yǎng)模式?！痹诹忠实囊龑?dǎo)下，已有碩士畢業(yè)生就職廣東水利水電研究院等科研單位，為我國的科研事業(yè)貢獻著力量。

如今，林沂還擔(dān)任著5門課程的教學(xué)，科研與教學(xué)密切地交織在一起，讓他每天的生活變得十分充實。雖然教學(xué)比重相比之前加大了很多，但林沂發(fā)現(xiàn)講課其實是一件很快樂的事，與北大優(yōu)秀學(xué)生的高腦力互動，是他調(diào)節(jié)枯燥科研生活的重要方式。

對于教學(xué)，林沂一直有著屬于自己的觀念。比起強迫學(xué)生去做什么，他更希望自己的學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動性進行學(xué)習(xí)。“很多人讀了4年大學(xué)，但卻不知道大學(xué)的本質(zhì)是什么。其實，近現(xiàn)代大學(xué)直接起源于中世紀(jì)的歐洲中世紀(jì)大學(xué)，古代埃及、印度、中國等都是高等教育的發(fā)源地。1088年，意大利建立了第一所正規(guī)大學(xué)——博羅尼亞大學(xué)，它是歐洲最著名的羅馬法研究中心，當(dāng)時，其實是幾個年輕人，為了探討教會的知識，請了幾位老師來給他們講授。事實上，大學(xué)的本質(zhì)應(yīng)是以學(xué)生為出發(fā)點?！绷忠收f。

在課堂之余，他總是會穿插一些諸如此類的小故事，向?qū)W生傳授相關(guān)的理念，他希望學(xué)生能夠真正理解大學(xué)的本質(zhì)是什么，了解自己進行大學(xué)學(xué)習(xí)的目的所在，明確自己努力的方向。只有內(nèi)心有了目標(biāo)的指引、方向的支撐，才能更好地投身于學(xué)習(xí)、研究之中。

結(jié)合自己目前的研究領(lǐng)域，林沂也在探索一些全新的課堂改革方式。2019年，林沂成功申請了北京大學(xué)本科教學(xué)改革項目“三維思維——激光雷達遙感教學(xué)創(chuàng)新與實踐”。

訪問澳大利亞科廷大學(xué)

進行這次教學(xué)改革的初衷則是因為，林沂在過去兩年開設(shè)“激光雷達遙感導(dǎo)論”選修課程的過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方法無法有效觸發(fā)學(xué)生對該方向的認(rèn)知與重視，常規(guī)的課堂PPT原理講解、簡單實驗實踐等并不能增強學(xué)生地學(xué)探索與應(yīng)用的三維意識。然而，其他高校卻已準(zhǔn)確把握激光雷達遙感將成為下一代空間信息領(lǐng)域重要技術(shù)這一趨勢，幾乎全部在大力推進激光雷達遙感的教學(xué)與科研，在開設(shè)遙感科學(xué)與技術(shù)、地理信息科學(xué)等本科專業(yè)的高校中，均將“激光雷達遙感”作為重點建設(shè)或重點發(fā)展的課程，為了能改變這一現(xiàn)狀，林沂開展了這項相關(guān)教學(xué)改革工作，希望能通過這一項目，使學(xué)生對三維空間信息獲取的最新遙感手段及其潛在應(yīng)用等深入掌握，真正建立面對地球與空間科學(xué)探索、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用拓展的“三維意識”，為將來從事相關(guān)的工作與研究打下堅實的基礎(chǔ)。

時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間林沂回國已6年有余，自2012年年底回到祖國開展工作之后，他就馬上調(diào)整好了自己的工作狀態(tài)，多年來，他兢兢業(yè)業(yè)教學(xué)，踏踏實實做科研，在工作上的投入遠遠大于生活，好在林沂的家人非常理解他的工作性質(zhì)，并給予了極大的支持，使他在工作上沒有了后顧之憂。現(xiàn)如今，所有的工作都在按部就班地進行，林沂也正在逐步摸索工作與生活的平衡，過去幾年，林沂在學(xué)生、同事眼中是“勤勞”的代表，今后，他希望自己的狀態(tài)是“勤勞又懂生活”，也給學(xué)生做出表率，以免把學(xué)生帶成“習(xí)慣了當(dāng)苦力的科研工作者”。

在林沂看來，科研的魅力就是探索發(fā)現(xiàn)。科研人身處其中就像在黑夜中探尋道路，在不斷探索下突然為萬千大眾找到了一條可走的路，這種自豪感是不可比擬的。接下來，林沂還將領(lǐng)導(dǎo)團隊推動在研的幾個具體方向過渡到下一個階段，并著手超三維激光雷達遙感技術(shù)的基礎(chǔ)理論、三維森林生態(tài)學(xué)、立體地球交互等支撐的三維地學(xué)新學(xué)科的建立，與團隊成員們攜手同行，邁向科研新階段！