借衛星之眼 瞰天地之境
——記中國科學院遙感與數字地球研究所副研究員李家國

本刊記者　宋 潔

借衛星之眼 瞰天地之境
——記中國科學院遙感與數字地球研究所副研究員李家國

本刊記者宋 潔

海面試驗

李家國是我國遙感衛星事業的參與者，也是見證者，他經歷了與國家事業共同成長到蛻變的銘心歷程。2003年10月21日，“資源一號02星”成功發射，結束了我國長期依賴國外衛星遙感數據的歷史，那年李家國讀大三，剛剛接觸遙感；2007年，我國正在籌備建設“環境與災害監測預報小衛星星座”，以適應環境監測和防災減災新的形式和要求，那年李家國獲得地圖學與地理信息系統學碩士，結合著地理信息研發和遙感應用，走進了遙感研究領域；隨后，我國在高分辨率對地觀測系統，即將陸續發射7顆高分衛星，為遙感的基礎和應用研究提供支撐和保障，李家國則一直默默堅守在遙感領域，為我國的遙感事業貢獻著一己之力。

一門課引發的興趣

2000年，李家國以優異的成績考取吉林大學水文與水資源工程專業，十分珍惜大學生活的他也格外奮發圖強。直到一門課的出現，他前進道路的方向從此被改變。“當時修了一門課叫做《遙感與地理信息系統》，又恰逢我國發射了‘資源1號02星’”，在課上，老師講述了我國還處于起步階段的遙感衛星未來發展的規劃，這使李家國感到非常激動和興奮，也正是基于這個原因，他決定研究生轉變研究方向，于是報考了地圖學與地理信息系統專業。

在接下來的幾年中，李家國不斷深造，于2010年取得中科院遙感應用研究所定量遙感理學博士學位。隨即，他進入中國科學院遙感與數字地球研究所工作，直至今日。圍繞著傳感器輻射定標與校正、水環境遙感監測、遙感大數據快速處理這3大研究方向，李家國辛勤耕耘，翻越了一座又一座高峰。

傳感器輻射定標與校正，即把衛星或傳感器探測到的信息轉換成人所能理解的信息，“因為傳感器觀測到的是地球光電轉換的過程，通過接收地球反射來自太陽光的能量，或地球自身發射的輻射，從而記錄下數字”，然而，這些干巴巴的數字對于科研者來說是沒有任何意義的，因此需要把數字轉換成具有物理意義的參量，比如太陽光反射率、地表發射熱輻射的輻量度等。

傳統的水環境檢測需要儀器伸到水中進行探測，或者現場拿一些設備觀測，“就像醫生號脈，需要與病人接觸，通過抽血、化驗，獲得一些環境基本的物理或化學參量”，李家國打了個形象的比喻。而遙感水環境遙感監測則只“看”，在不接觸也不化驗的前提下，就知道水環境狀態如何，有無問題，比如水是多是少，哪里洪水哪里干旱，哪里有水環境災害等都可以通過遙感來進行觀測和反演。

遙感大數據快速處理，則是把遙感數據應用到行業中的進程縮短，以前可能需要3～5天，但經過大數據的處理，比如并行處理、高性能計算等“加速”，就能在兩個小時內完成數據處理任務，從而快速形成“觀測-知識-決策”鏈條。

“傳感器輻射定標與校正，解決的是傳感器‘能不能用’的問題，遙感監測是‘如何用好’，大數據快速處理是‘如何好用’，這3個方面是一個循環迭代的過程”，李家國總結道。

兩個獎項閃耀的光環

踏足遙感領域近10余載來，李家國收獲頗多，尤以兩個獎項最為矚目。“生態環境遙感應用處理與分析系統技術研究及應用示范”獲得地理信息科技進步獎一等獎。“對于中國科學院遙感與數字地球研究所來說，我們研究的遙感屬于前端，而行業中有應用中心，屬于后端。我們作為前端處理則要為后端提供技術支撐，生產要素及專題產品，后端再憑借我們提供的素材進行行業研判和評價”。因此，這個項目重點解決的是遙感在生態應用中所面臨的技術瓶頸問題，具體來說包括3個方面：一是，遙感在生態應用過程中面臨著區域多、參數雜、模型多樣，以至于選擇起來困難，開發的算法語言不統一；二是，數據量龐大，比如處理一個保護區的原始數據達幾個G，結果數據量就可能達到幾十個甚至幾百個G；三是，處理業務流程復雜，專業性非常強。

針對這3個問題，李家國及團隊對關鍵技術進行了梳理，并研發解決方案，最后構建了一套完整的業務流程。“我們把遙感在生態環境中的應用按照不同的原則，切分成很多不同的細小的原則節點，每個原則節點可以是一個算法，也可以是一個處理工具，還可以是一個模型的參數”，再通過搭積木的形式，構建一張作業流程圖，“人員只要把自己所負責的環節匯成圖，系統就會把這些不同的環節串聯在一起。這樣科研人員只需關心自己負責的節點，不用考慮前后是如何完成的”。這樣一來，極大降低了算法的復雜性和對專業人員的要求。

另一個項目“神東礦區衛星遙感監測業務化運行系統”獲得地理信息產業工程銀獎，且排名第一。神東煤炭集團是中國神華能源股份有限公司的核心煤炭生產企業，他們生產面臨著嚴重的環境及大氣污染問題，因此亟需一個業務化運行系統，根據不同的季節、不同的時間，自主完成產品生產工作。然而，項目的工期緊迫，從招投標到結項，只留給團隊1年的時間。項目集中了團隊中絕大部分骨干力量，40多人擠在一個不到200平米的屋子里開發系統。“研發工作非常辛苦”，作為項目一員的李家國回憶起當時的情景仍記憶猶新。

功夫不負有心人，項目最終圓滿交付。總結起來共有3個代表性應用：首先，通過遙感檢測港口是否有冰，決策是否出船，而且每到九十月份后系統會自動啟動；其次，監測非法開采小煤窯，“國家明令禁止開采小煤窯，但地方百姓會鋌而走險，盜采煤礦，從而產生治安問題：一是造成國家資源流失，二是容易出現安全隱患，三是對生態環境造成破壞”，如此大的區域不可能依靠人力巡邏，所以通過遙感發現開采痕跡，方便有針對性監督治理；最后，監測煤火，前期預警，在我國北方內蒙地區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，同時也埋下很大的安全隱患，因此通過遙感監測可能發生煤火的地方，可起到警報作用。

在澳大利亞輻射定標試驗現場

新能源下的遙感監測

目前，核能是唯一被證實的不僅能夠提供大量能源，而且不會釋放溫室效應氣體的能源。隨著經濟迅速發展和工業化進程的加快，我國對電力的需求與日俱增。有數據統計，截至2015年底，我國運行的核電機組近30臺，總裝機容量達2831萬千瓦；在建的核電機組24臺，總裝機容量達2672萬千瓦。其中，我國在建的核電機組數量排名全球第一，總機組數量位居全球第三。

核電的發展具有廣闊前景，但仍面臨著一些問題，核電站的溫排水問題就是其中之一。熱電廠需要大量的水用于冷卻，而這些冷卻水經過發電機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，對溫排區域內的海洋魚類、貝類群種等資源產生不同程度的影響。“每個國家對核業排水有排放標準，我國目前還未制定標準，只是參考其他行業標準，比如夏季不能超過1度，冬季不能超過2度，如果一旦超過這些標準值，就會產生很大影響，特別是在海洋保護區周邊，可能會改變海洋生物的習性；如果接近農民圍墾，會對海帶紫菜養殖區造成危害，這就需要嚴格監測是否對周邊環境產生影響，影響有多大，都要進行評估”，李家國深感問題的嚴重。

因此，核電站水體熱排放一直是環保工作中一個關注焦點，核電站溫排水環境影響的研究對于防止熱污染，保護海域水質和生態環境具有重要意義。而水溫的高低是環境影響評價的前提，是反映熱污染程度的一個重要指示因子。定期、準確地調查評估溫排水的影響范圍、強度，是近海岸熱溫排放以及核電站對海水環境影響評估重要參考依據。

“利用遙感技術對核電站溫排水熱污染監測與評價，可以較好反映水體熱的時空差異性和變化規律，可以為核電站運營期間的環境管理提供技術支撐、能夠滿足環境保護部門及公眾對環境信息的需求，對保護近海海域環境具有重要意義”，從2010年開始，李家國就一直致力于此，他先后去過廣西防城港、浙江三門縣、福建福清和寧德、廣東陽江等地進行現場試驗，通過遙感衛星手段監測，從而為核電廠提供技術支持，同時為后續再建核電機組提供空間參考范圍依據。

星地同步觀測

民生問題中的遙感應用

近年來，衛星遙感技術在海綿城市建設中凸顯出巨大的潛力。海綿城市以水為對象，主要解決“城市在下雨后，如何把水留住，不下雨時，如何發揮水的潛在作用”，簡單概括就是“留水”和“用水”問題。如今的城市道路不同以往，地下建筑越來越多，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，雨水少時就干旱，問題關鍵還是不透水面積過大。

遙感在海綿城市中起到的主要作用就是檢測水能滲透的面積和不能滲透的面積。“通過遙感可以直觀監測城市中的不透水面積的大小，及分布情況；另一方面，一旦發生洪澇，遙感還能監測何地產生積水，前提需要高分辨率的亞米級衛星數據”。目前，李家國和團隊已在河南鶴壁、浙江杭州開展了海綿城市的相關應用工作，“遙感起到輔助性作用，地面手段是主導。因為遙感只能‘看’，而且從太空中看還受到很多條件的限制，所以沒有遙感不行，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”也是關乎民生的重要問題。隨著我國城鎮化快速發展，作為重要資源和污水載體的城市河流和湖泊已經遭受嚴重污染，其中以嚴重的水體黑臭現象最為突出，以及水體黑臭導致的次生環境問題，比如爆發水華、浮萍泛濫、水葫蘆瘋長等。很多水體黑臭問題嚴重，已成為我國許多城市共同存在的污染問題。城市水體黑臭不僅影響城市景觀，破壞河流生態系統，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。

同樣以衛星遙感技術為主要手段，李家國聚焦解決“黑臭”。他分階段提取全國地級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范圍等重要城市水環境信息；利用高空間分辨率影像動態提取城市主要水體水域分布，統計水域面積和水域占建成區面積比例；基于天地協同技術手段針對重點城市開展城市黑臭水體遙感動態監測，建立城市黑臭水體監測平臺，收集、展示和發布黑臭水體位置、治理進展及城市黑臭天地協同動態監測成果。

每年，李家國都有1～2次出海任務。對于不是在海邊長大的科研人員來說，出海無疑是件辛苦之事，上船后面臨的暈船、嘔吐，都是需要他們忍耐和克服的窘境。然而，出海實驗也不是光有人員和設備就可以，需要天空晴朗無云，同時有衛星通過，還要無風才能出海，唯有達到“天時地利人和”，海上試驗才有完成的可能。因此，李家國也深感要想成為一名合格的遙感科研人員，關鍵需具備認真的態度和堅韌不拔的品質。

2016年下半，我國將陸續發射高分三號、五號等高性能新型遙感衛星，未來，李家國也計劃著把高空間分辨率和多光譜結合起來，在現有的空間分辨率基礎上，增加更多的譜段，從原有的4個增加至8個，這相當于會有更多雙“眼睛”來觀察地球表面……