以圖傳訊 問診地球
——中南大學教授胡俊的測繪“跨維”之路

王 軍

抬頭望天，在距離地球700公里～800公里、人類肉眼看不見的地方，雷達衛星正在執行區域地形監測任務。它們將拍攝到的地表圖像，以數據信號的方式傳回觀測站，順利完成了雷達干涉測量（以下稱“InSAR”）的第一道關卡。

什么是InSAR？中南大學地球科學與信息物理學院教授胡俊給出了答案：“在大地測量和地球物理學界有很多技術，包括像家喻戶曉的GPS全球定位系統，使用較為普遍。InSAR是一種獨特的空間大地測量技術，門檻稍微高一些，用在比較專業的遙感測量、數據處理等方面。”

站在實用價值的角度直白來講，InSAR好比醫生手中的超聲探測儀器，專門探查地震、火山、滑坡、冰川運動等地表形變，為防災、減災及全球變化研究提供科學支撐。

“跨維”勢在必行

胡俊從2005年讀研究生至今，從傳統的一維形變拓展到三維形變，十幾個年頭都在和InSAR打交道。

準確來說，他鉆研的是InSAR三維形變測量的理論和方法。據胡俊介紹，以往InSAR雖克服了常規方法空間分辨率低、成本高等困難，但只能監測地表三維形變在雷達視線方向的一維投影。也就是說，這種單一信息不夠全面，極容易引起研究人員對地表形變監測信息的誤判或錯判，不能夠準確反映出地質災害的前兆。同樣，種種局限性累積，也阻礙了InSAR技術本身的發展和應用。

某種程度上，重建地表三維形變恰恰解決了這些問題。胡俊拿醫學黑白B超和彩超來解釋InSAR一維、三維的不同，簡單比較，后者提供的信息量更為充足、精確。不過，這份精確度顯然也與研究難度成正比。“理論上，通過融合3個及以上衛星的InSAR信號就可以重建地表三維形變，但要實現這一目的，需要解決兩大核心科學問題，一是如何實現多源InSAR信號的高效融合，二是如何充分利用觀測對象的地學先驗信息。”

胡俊參加國際學術會議

當前，國際上關于InSAR三維形變測量的相關成果較為零散，尚未形成系統性的理論和方法體系。胡俊基于前人經驗，同時考慮到不同在軌衛星獲取數據的多樣性，沒少在數據處理、融合上下工夫。比如，早期的InSAR三維形變主要依靠數據的簡單融合，多采用純幾何的方式來研究，忽略了其中的物理聯系。胡俊在意識到這一點后，在幾何測算的基礎上主動引入物理力學信息，建立了顧及應力應變的InSAR三維形變的函數模型，使形變幾何數據、力學等呈現出清晰的因果表達關系。

另一方面，由于多源數據的質量參差不齊，胡俊需要靠著多年專業經驗在心中架起一桿秤。“整個研究中，質量好的數據所占權重高一些，質量差的數據也有可取之處，但權重就相對低一些。”胡俊坦言，如何把握好度實際是一件很難的工作。長久以來，他也在不斷嘗試，通過引入經典的方差分量估計等手段進一步平衡了比重關系。

如果說物理力學約束、方差分量估計是胡俊為InSAR信號高效融合做出的探索，那么利用不同的地質災害特征，他還在力爭做一個完美的現場還原。不同的地質災害有著不一樣的先驗信息，如何將這些信息用于數據處理是一門學問。用得好，相當于掌握了地球的“既往病史”，若再有地震、山體滑坡等災害發生，提前預警、防災將不再是問題。對此，胡俊基于卡爾曼濾波等測量評價手段，在國際上率先將InSAR三維形變測量從靜態發展到動態。“以前我們可能最終求一項形變速率，或者輸出一個靜態的結果。現在這個結果可以是隨時間變化的。”

這些理論方法的不斷細化、升級也給胡俊帶來一筆極大的“財富”。結合國際最新研究成果，他摸索并率先建立起一套完整的基于現代測量平差的InSAR三維形變測量的理論和方法體系，為高精度三維地表形變的監測開辟了新的途徑。

得益于這套卓越的體系，他收獲頗豐，近年來在InSAR三維形變方向發表了50余篇SCI論文。除此之外，他還受邀在國際地學頂級期刊Earth-Science Reviews上發表了國際上關于InSAR三維形變測量的首篇綜述，得到了美國地質調查局M.P.Poland研究員、利茲大學A.Hooper教授等多名國際著名InSAR專家的引用和推介。

行在當下，緊盯遠方

細數胡俊履歷中的光鮮榮譽，有很多。譬如入選教育部“長江學者獎勵計劃”青年學者，榮獲2018年度國家科技進步獎二等獎……但關于這些，他在采訪中又言之甚少，尤其和談論InSAR三維形變測量的前景比起來。

在訪談的過程中，胡俊特別指出了一點：測繪會隨著高新技術發展，越來越強大。這樣說的底氣源于他豐富的研究經驗和清醒的認識。“測繪可以說很傳統，又很新潮。在大禹治水時期，測繪專業知識已經被使用，這是它古老的地方。同時它和衛星、航天、計算機、人工智能技術等息息相關，與時俱進，前途自然一片光明。”

在胡俊看來，InSAR技術潛力或者說發展重點集中在“三高”，即高空間分辨率、高時間分辨率和高軌道衛星。

高空間分辨率一直以來是InSAR技術的優勢，只不過胡俊認為，這個優勢還可以進一步擴大。“對同一區域，影像趨勢是越來越清晰。比如，以往20米×20米，只有一個觀測點，獲取單一信息。如今3米×3米，甚至1米×1米就存在一個觀測點，獲取到的內容量、細節更多。”這類比于視頻的分辨率，假設以前衛星提供的是標清數據，未來可以進化到超高清、4K數據。當然這一進化伴隨著挑戰，除了接受信息時要考慮信號穿越云層、在地表發生折射等誤差，還得搞清楚以前不存在、如今高分辨率帶來的細節問題。

高時間分辨率也不難理解。空間上通過“放大”實現了細節清晰的效果，時間上則利用影像拍攝周期縮短，達到相對完整的記錄。胡俊表示，衛星繞著地球公轉，以前可能是每隔一個月拍一次照片，現在縮短到每隔一個星期。“影像越密集，對地質災害的預警越有幫助。”尤其是對山體滑坡這種時間上呈動態性的災害，它一開始每年可能僅滑動幾毫米，大量、持續的影像才能捕捉到它的動態。“海量的影像數據帶來的最直接的問題，就是有效信息的提取。如何從大數據中高效提取有價值的信息，這也將是測繪領域發展的一大難點。”

至于發展高軌道衛星，胡俊直言是一件大事情。高軌道衛星距離地球大約36000公里，是低軌道衛星的40倍左右。它的發射成本高，據胡俊介紹，一顆高軌道衛星的成本相當于七八顆低軌道衛星。所以即便被證實理論上可行，歐美國家也并未有實際動作。“我認為這是我們走向引領的一個契機。相對于低軌道衛星，這種衛星可以在某一區域小范圍地畫圓圈和8字，覆蓋范圍不僅更大，時間分辨率也能更高。”胡俊言談間很是激動，在他看來，要搞這種大動作，不論是從國家支持力度、相關單位的理論研究進程來看，中國一定能做出彩。

目前，胡俊帶著對未來的宏大愿景持續深挖。在完成國家自然科學基金項目等工作后，他即將投入到湖南省杰出青年基金項目中，為推動InSAR技術進步發力。他強調，可以作為“升華”特聘教授回到中南大學，多年來能夠有所收獲，離不開恩師朱建軍教授、李志偉教授的引導和幫助，也少不了父母、愛人的大力支持。“我算得上兩位老師在InSAR方向的第一批學生，早期也幫著搭建團隊，后來有幸拜在丁曉利教授的門下在香港理工大學做博士后。現在我們隊伍有11位老師，五六十個學生，隊內氛圍、任務分工等很和諧。”每個人的研究方向緊密聯系，組成一個完整的發展體系。

在這個體系中，胡俊是知識養分的給予者，是學生的指路燈，同時也更像一個驅動前進的齒輪，與大家一同承載著InSAR技術的發展希望，劍指未來。