與地表對(duì)話的人
——記廣東工業(yè)大學(xué)教授吳希文

李明麗

吳希文（左）與Michael Chang博士（右）的合影

吳希文有著一口不“普通”的普通話。他出生于香港，少年時(shí)期移民新西蘭，直到2017年才被引進(jìn)回國。他的普通話是在上大學(xué)時(shí)，跟著同一實(shí)驗(yàn)室的中國同學(xué)學(xué)習(xí)的，然而一張口卻還是帶著“粵語”特色。

他長期從事遙感圖像算法研制及其在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用研究，特別在InSAR基礎(chǔ)理論研究和相關(guān)算法的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、地面形變監(jiān)測應(yīng)用等方面開展了一系列創(chuàng)新性工作，為完善相關(guān)InSAR技術(shù)及沉降模型構(gòu)建方面提供了理論和實(shí)踐支持。回國后，他致力于在InSAR技術(shù)的應(yīng)用上開辟出更廣闊的天空，讓該技術(shù)在國計(jì)民生中發(fā)揮更多的作用。

以興趣為基調(diào)，扎根遙感領(lǐng)域

“距以千里、感知毫厘”“無論黑白、風(fēng)雨無阻”，這兩句話完美地詮釋了InSAR技術(shù)的優(yōu)勢。

那什么是InSAR技術(shù)？

通過吳希文的介紹，記者了解到，InSAR技術(shù)也被稱為“合成孔徑雷達(dá)干涉”技術(shù)，是空間大地測量和遙感技術(shù)的結(jié)合體，近幾十年來一直是國際研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)一般利用合成孔徑雷達(dá)圖像（SAR）數(shù)據(jù)對(duì)地表重復(fù)觀測形成的微波(1毫米～1米)相位差計(jì)算值進(jìn)行測量,能夠?qū)崿F(xiàn)可回溯、非接觸式、高精度（毫米級(jí)）、高空間分辨率（米級(jí)）、大范圍（上百公里）的地表形變監(jiān)測，在調(diào)查和監(jiān)測大范圍的地表變形方面具有極大的應(yīng)用潛力。

吳希文與InSAR技術(shù)結(jié)緣是在碩士期間的一堂選修課上。他本科和碩士就讀于澳大利亞新南威爾士大學(xué)電氣工程學(xué)院，由于對(duì)當(dāng)時(shí)所學(xué)的專業(yè)興趣不大，于是在一位教授的推薦下，他選修了一門與遙感科學(xué)相關(guān)的課程，并通過學(xué)習(xí)喜歡上了這門學(xué)科。于是，在進(jìn)入博士階段時(shí)，他毫不猶豫地轉(zhuǎn)到了新南威爾士大學(xué)測量與空間信息系統(tǒng)專業(yè)，主要學(xué)習(xí)和研究InSAR時(shí)間序列分析方法及其在地面形變監(jiān)測中的應(yīng)用。

“InSAR技術(shù)可以克服地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中光學(xué)遙感易受云霧遮蔽、GPS點(diǎn)位稀疏、地面調(diào)查通達(dá)不易等困難，極大地拓展了地質(zhì)災(zāi)害信息獲取的手段?！钡V區(qū)沉降是采煤過程中普遍存在的現(xiàn)象，常常引發(fā)地面塌陷、裂縫、山體開裂、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。為了有效預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，降低損失，必須對(duì)煤礦區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測。

由于采礦區(qū)的地面形變特性，傳統(tǒng)的時(shí)序InSAR技術(shù)不適用于檢測長期的礦區(qū)沉陷。對(duì)此，吳希文根據(jù)開采區(qū)的空間數(shù)據(jù)預(yù)測了地面的形變位置，并提出了一種考慮了采礦區(qū)形變特性的時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)處理方法，成功取得了高精度的礦區(qū)形變時(shí)空序列。2010年，他根據(jù)地下土層/地層數(shù)據(jù)生成了礦區(qū)沉降模型，并利用該模型估計(jì)了變形序列。從InSAR結(jié)果與模擬結(jié)果之間可以觀察到高度的相關(guān)性，這說明InSAR未來可以用來提高動(dòng)態(tài)礦區(qū)沉降的預(yù)測精度。

不得不提的是，近些年，吳希文一直在考慮地表形變模型參數(shù)的不確定性、模型的誤差以及通過地質(zhì)參數(shù)和開采信息建立的初始開采沉陷模型可能存在的偏差，并提出了基于多重沉陷模型的InSAR相位解纏方法。通過模擬數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，相比傳統(tǒng)方法，通過迭代方式反演出多重沉降漏斗信號(hào)并使其從干涉圖中分離，能夠大幅提高相位解纏可接受的最大相位梯度，說明該方法能有效解決單幅干涉圖在沉降中心相位解纏錯(cuò)誤的問題。

關(guān)注世界難題，聚焦地面沉降

其實(shí)，地面形變一直是一個(gè)全球性問題，其造成的環(huán)境危害可導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還可能威脅人民的生命安全。地面沉降數(shù)據(jù)能為地面沉降防治工作帶來重要的決策依據(jù)。所以如何以高效而又經(jīng)濟(jì)的方法監(jiān)測地面沉降，對(duì)于未來的土地規(guī)劃和政策制定極為重要。

2010年到2016年期間，吳希文先后在新南威爾士大學(xué)測量與空間信息系統(tǒng)學(xué)院和土木與環(huán)境工程學(xué)院從事地面沉降的相關(guān)研究。2012年，他結(jié)合ALOS衛(wèi)星與ENVISAT衛(wèi)星的SAR數(shù)據(jù)成功取得我國北京市2003年至2009年的水平方向與垂直方向的形變速率，并發(fā)現(xiàn)北京的地面沉降與地下水位下降量具有非常強(qiáng)烈的相關(guān)性，表明地面沉降的主要成因是由地下水開采造成的。

2015年，他又通過使用不同軌道的ALOS衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)生成了多軌道形變圖，并成功結(jié)合不同軌道的地面形變圖取得了澳大利亞吉普斯蘭盆地的大覆蓋面的地面形變結(jié)果。在這之前，曾有澳大利亞科學(xué)院的科學(xué)家利用沉降模型預(yù)測該盆地將會(huì)出現(xiàn)地表沉降，這會(huì)造成沿海地區(qū)被淹沒的后果，當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門十分重視。然而，吳希文通過研究得出的結(jié)果顯示：2007年至2011年吉普斯蘭盆地沿岸地面穩(wěn)定，之前基于沉降模型預(yù)測的沉降并沒有實(shí)現(xiàn)。該研究成果發(fā)表在遙感領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Remote Sens Environ上。

雖然時(shí)序InSAR技術(shù)在監(jiān)測城區(qū)、礦區(qū)等地區(qū)的地面形變效果較好，但是在監(jiān)測農(nóng)作物或其他植被覆蓋較多的地區(qū)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測量目標(biāo)點(diǎn)的密度過低或無監(jiān)測結(jié)果的情況，導(dǎo)致被觀測區(qū)域的宏觀地面形變現(xiàn)象無法得到有效展現(xiàn)。對(duì)此，吳希文基于區(qū)域生長技術(shù)提出了自適應(yīng)穩(wěn)定點(diǎn)識(shí)別算法來提高時(shí)序InSAR結(jié)果的空間分辨率，并被證明該算法可以極大提高監(jiān)測目標(biāo)點(diǎn)的密度，該方法已于2012年成功應(yīng)用于監(jiān)測印尼雅加達(dá)市的城市地面形變。

在致力研發(fā)和改進(jìn)InSAR算法/處理方法的過程中，吳希文也為UNSW的GEOS研究小組開發(fā)出時(shí)間序列InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理系列軟件GEOS-PSI和GEOSATSA，可以提供較佳的效果。這些軟件不但在UNSW和廣東工業(yè)大學(xué)的科研人員和學(xué)生的研究工作中得到了廣泛應(yīng)用，還被成功應(yīng)用到多個(gè)地區(qū)的地面形變監(jiān)測，以取得精確的變形測量結(jié)果，其成果已發(fā)表在多個(gè)國際知名期刊上。

在澳大利亞學(xué)習(xí)和工作的幾年中，吳希文先后參與或主持了澳大利亞國家空間信息合作研究中心專項(xiàng)、BHP Billiton項(xiàng)目、中澳聯(lián)合協(xié)調(diào)組織潔凈煤技術(shù)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)重大研究工作，曾獲得澳洲國家空間信息合作研究中心博士獎(jiǎng)學(xué)金、新南威爾士工程學(xué)院博士后寫作獎(jiǎng)學(xué)金、Asia-Pacific Spatial Excellence Awards團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。所取得的一系列科研成果為回國后的研究工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

助力災(zāi)害預(yù)警，激發(fā)更大潛能

2017年，偶然的一次機(jī)會(huì)，吳希文在新南威爾士大學(xué)見到了前來進(jìn)行交流合作的廣東工業(yè)大學(xué)王華教授。通過溝通，他了解到廣東工業(yè)大學(xué)無論是在硬件設(shè)備上，還是相關(guān)科研實(shí)力上，都有著不錯(cuò)的發(fā)展。于是，在決定回國發(fā)展后，他選擇了廣東工業(yè)大學(xué)作為落腳點(diǎn)。

在廣東工業(yè)大學(xué)的支持下，吳希文回國后迅速建立了自己的團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)研發(fā)更加先進(jìn)的InSAR技術(shù)來滿足各種地表形變監(jiān)測應(yīng)用的需求。

雖然在理論上，InSAR技術(shù)獲取的地面形變測量精度可達(dá)毫米級(jí)，但是由于大氣延遲、時(shí)空失相干、相位解纏誤差等問題，經(jīng)常導(dǎo)致被觀測區(qū)域的宏觀地面形變無法得到有效展現(xiàn)，這阻礙了InSAR技術(shù)的工程化和市場化進(jìn)程。對(duì)此，吳希文希望通過深入研究InSAR的基礎(chǔ)理論，揭示制約其高精度、高分辨率、高覆蓋、高適用性結(jié)果生成的技術(shù)和理論瓶頸，并加以詳細(xì)分析，明確其產(chǎn)生的根本原因，有針對(duì)性地提出相應(yīng)的解決方案和數(shù)據(jù)處理軟件，研究新的變形監(jiān)測應(yīng)用。

2018年，吳希文主持了“空間對(duì)地觀測技術(shù)及其在災(zāi)害監(jiān)測與防治中的應(yīng)用”項(xiàng)目，主要研究了如何結(jié)合多種高精度的地面變化監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)多尺度全天候的高精度監(jiān)測信息提?。煌ㄟ^分析該區(qū)域的地表變化趨勢實(shí)時(shí)標(biāo)記劃定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域；對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在該項(xiàng)目中，吳希文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用多景CSK數(shù)據(jù)獲取了2011年到2017年間廣州和佛山地區(qū)地鐵沿線的地面沉降情況，并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

在過去的20余年間，隨著衛(wèi)星SAR從低分辨率、單極化、單一工作模式向高分辨率、多極化、多種工作模式迅速發(fā)展，InSAR在變形應(yīng)用中也潛在許多發(fā)展的可能。

對(duì)此，吳希文申請(qǐng)了廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“顧及極化信息的多基線InSAR形變監(jiān)測方法研究”，提出研究如何有效地結(jié)合多基線與極化SAR干涉技術(shù)來解決現(xiàn)有的問題。研究內(nèi)容包括：利用極化信息來提高觀測點(diǎn)的密度與質(zhì)量；在此基礎(chǔ)上形成一套完備的極化多基線干涉處理方法，全面地提升了該技術(shù)在研究變形中的應(yīng)用。這項(xiàng)研究將提高InSAR技術(shù)的競爭力和適用性，從而為InSAR技術(shù)在地面變形監(jiān)測中發(fā)揮更大的作用。

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識(shí)程度的提升以及區(qū)域資源環(huán)境問題的凸顯，對(duì)InSAR技術(shù)需求強(qiáng)烈。因此，在吳希文看來，InSAR技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，拋開現(xiàn)有的應(yīng)用，該技術(shù)在很多領(lǐng)域還存在巨大的潛能。未來，它必將在更多領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。

堅(jiān)持InSAR技術(shù)創(chuàng)新，擴(kuò)展更多應(yīng)用

盡管才回國3年，但是吳希文已經(jīng)參與或主持了多項(xiàng)省部級(jí)以上的重大項(xiàng)目，并取得了很多進(jìn)展。2020年，他還入選了廣東省“珠江人才計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目。

實(shí)際上，吳希文在回國之初就制訂了詳細(xì)合理的規(guī)劃，從三個(gè)方面具體展開研究：

一是高級(jí)InSAR算法研究。

吳希文將致力改良各種用于監(jiān)測地球表面變形過程的InSAR算法。例如，利用新一代的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，深入研究時(shí)序InSAR技術(shù)與極化InSAR技術(shù)，探索如何把這兩種技術(shù)結(jié)合起來，全面并可靠地提升衛(wèi)星SAR技術(shù)在監(jiān)測變形中的應(yīng)用能力與監(jiān)測目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量和密度，對(duì)變形目標(biāo)進(jìn)行地物分類。

二是InSAR形變監(jiān)測應(yīng)用研究。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測技術(shù)，在監(jiān)測大面積地面形變時(shí)在覆蓋面積和分辨率上有一定的局限性，所以往往難以精確監(jiān)測地面形變現(xiàn)象。

吳希文將先進(jìn)的InSAR地面形變監(jiān)測方法充分運(yùn)用于各種應(yīng)用中。例如，沿海沉降監(jiān)測、海岸演變過程等，特別是地面沉降與海平面上升相結(jié)合，可能導(dǎo)致許多環(huán)境災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，他將研究能夠高效結(jié)合多源InSAR數(shù)據(jù)的時(shí)序InSAR算法來生成高精度、高分辨率、大尺度的地面平均沉降速率和形變序列，為形變?yōu)暮υu(píng)估和研究其成因提供重要的科學(xué)依據(jù)。

三是結(jié)合各種手段研究自然和人為的形變?yōu)暮Α?/p>

課題組成員的合影

地表形變的成因主要有兩個(gè)：自然因素和人為因素。如何有效地、經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測和研究自然和人為因素引起的地表形變是社會(huì)各界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

單一的測量數(shù)據(jù)往往使人難以區(qū)分自然和人為因素引起的地面變形。因此，吳希文將研究如何有效結(jié)合差分空間大地測量技術(shù)以及現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，并利用每種技術(shù)的特點(diǎn)互補(bǔ)來克服單個(gè)技術(shù)中的局限性。利用不同數(shù)據(jù)的結(jié)合可以幫助研究人員分析形變的現(xiàn)象和成因，例如：在分析地下水抽采造成的沉降現(xiàn)象時(shí)，可以通過結(jié)合GPS、InSAR、地下水抽采鉆孔和地下水位的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，區(qū)分不同的成因造成的形變現(xiàn)象。然后，通過利用地質(zhì)和水文數(shù)據(jù)來優(yōu)化抽水沉降模型。

吳希文希望可以通過探索地面形變的成因，分辨自然和人為形變?yōu)暮?，?duì)減少人為災(zāi)害和預(yù)防自然災(zāi)害提出建議，為未來的土地規(guī)劃與防災(zāi)減災(zāi)工作提供重要的依據(jù)。

“最大的困難就是難以遇到志同道合的人。”在被問及多年科研生涯中遇到的難題時(shí)，吳希文這樣答道。在他看來科研是一項(xiàng)需要討論和爭辯的工作，一個(gè)人的能力有限，只有通過溝通與合作才能更好地完成研究任務(wù)。“在討論過程中，不可避免地會(huì)有爭議，但是不要怕有爭議，往往有爭議能碰撞出更多的火花?！睂?duì)此，在教學(xué)過程中，吳希文也常常鼓勵(lì)學(xué)生大膽地討論、大膽地質(zhì)疑、大膽地提出自己的見解和想法。

對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)，吳希文更注重因材施教，在了解其性格和想法的前提下，去培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性和主動(dòng)性?！笆谥贼~，更要授之以漁”，他希望在傳授知識(shí)的同時(shí)，能幫助學(xué)生真正成長為具有解決問題的能力的有用之材。