以圖傳訊 問診地球

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(dá)衛(wèi)星正在執(zhí)行區(qū)域地形監(jiān)測(cè)任務(wù)。它們將拍攝到的地表圖像，以數(shù)據(jù)信號(hào)的方式傳回觀測(cè)站，順利完成了雷達(dá)干涉測(cè)量（以下稱“InSAR”）的第一道關(guān)卡。

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

站在實(shí)用價(jià)值的角度直白來講，InSAR好比醫(yī)生手中的超聲探測(cè)儀器，專門探查地震、火山、滑坡、冰川運(yùn)動(dòng)等地表形變，為防災(zāi)、減災(zāi)及全球變化研究提供科學(xué)支撐。

“跨維”勢(shì)在必行

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

準(zhǔn)確來說，他鉆研的是InSAR三維形變測(cè)量的理論和方法。據(jù)胡俊介紹，以往InSAR雖克服了常規(guī)方法空間分辨率低、成本高等困難，但只能監(jiān)測(cè)地表三維形變?cè)诶走_(dá)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(duì)地表形變監(jiān)測(cè)信息的誤判或錯(cuò)判，不能夠準(zhǔn)確反映出地質(zhì)災(zāi)害的前兆。同樣，種種局限性累積，也阻礙了InSAR技術(shù)本身的發(fā)展和應(yīng)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(yī)學(xué)黑白B超和彩超來解釋InSAR一維、三維的不同，簡(jiǎn)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(gè)及以上衛(wèi)星的InSAR信號(hào)就可以重建地表三維形變，但要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要解決兩大核心科學(xué)問題，一是如何實(shí)現(xiàn)多源InSAR信號(hào)的高效融合，二是如何充分利用觀測(cè)對(duì)象的地學(xué)先驗(yàn)信息。”

當(dāng)前，國際上關(guān)于InSAR三維形變測(cè)量的相關(guān)成果較為零散，尚未形成系統(tǒng)性的理論和方法體系。胡俊基于前人經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到不同在軌衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的多樣性，沒少在數(shù)據(jù)處理、融合上下工夫。比如，早期的InSAR三維形變主要依靠數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單融合，多采用純幾何的方式來研究，忽略了其中的物理聯(lián)系。胡俊在意識(shí)到這一點(diǎn)后，在幾何測(cè)算的基礎(chǔ)上主動(dòng)引入物理力學(xué)信息，建立了顧及應(yīng)力應(yīng)變的InSAR三維形變的函數(shù)模型，使形變幾何數(shù)據(jù)、力學(xué)等呈現(xiàn)出清晰的因果表達(dá)關(guān)系。

另一方面，由于多源數(shù)據(jù)的質(zhì)量參差不齊，胡俊需要靠著多年專業(yè)經(jīng)驗(yàn)在心中架起一桿秤。“整個(gè)研究中，質(zhì)量好的數(shù)據(jù)所占權(quán)重高一些，質(zhì)量差的數(shù)據(jù)也有可取之處，但權(quán)重就相對(duì)低一些。”胡俊坦言，如何把握好度實(shí)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(jīng)典的方差分量估計(jì)等手段進(jìn)一步平衡了比重關(guān)系。

如果說物理力學(xué)約束、方差分量估計(jì)是胡俊為InSAR信號(hào)高效融合做出的探索，那么利用不同的地質(zhì)災(zāi)害特征，他還在力爭(zhēng)做一個(gè)完美的現(xiàn)場(chǎng)還原。不同的地質(zhì)災(zāi)害有著不一樣的先驗(yàn)信息，如何將這些信息用于數(shù)據(jù)處理是一門學(xué)問。用得好，相當(dāng)于掌握了地球的“既往病史”，若再有地震、山體滑坡等災(zāi)害發(fā)生，提前預(yù)警、防災(zāi)將不再是問題。對(duì)此，胡俊基于卡爾曼濾波等測(cè)量評(píng)價(jià)手段，在國際上率先將InSAR三維形變測(cè)量從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)。“以前我們可能最終求一項(xiàng)形變速率，或者輸出一個(gè)靜態(tài)的結(jié)果。現(xiàn)在這個(gè)結(jié)果可以是隨時(shí)間變化的。”

這些理論方法的不斷細(xì)化、升級(jí)也給胡俊帶來一筆極大的“財(cái)富”。結(jié)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(xiàn)代測(cè)量平差的InSAR三維形變測(cè)量的理論和方法體系，為高精度三維地表形變的監(jiān)測(cè)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(fā)表了50余篇S C I論文。除此之外，他還受邀在國際地學(xué)頂級(jí)期刊Earth-Science Reviews上發(fā)表了國際上關(guān)于InSAR三維形變測(cè)量的首篇綜述，得到了美國地質(zhì)調(diào)查局M.P.Poland研究員、利茲大學(xué)A. Hooper教授等多名國際著名InSAR專家的引用和推介。

行在當(dāng)下，緊盯遠(yuǎn)方

細(xì)數(shù)胡俊履歷中的光鮮榮譽(yù)，有很多。譬如入選教育部“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”青年學(xué)者，榮獲2018年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)……但關(guān)于這些，他在采訪中又言之甚少，尤其和談?wù)揑nSAR三維形變測(cè)量的前景比起來。

在訪談的過程中，胡俊特別指出了一點(diǎn)：測(cè)繪會(huì)隨著高新技術(shù)發(fā)展，越來越強(qiáng)大。這樣說的底氣源于他豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和清醒的認(rèn)識(shí)。“測(cè)繪可以說很傳統(tǒng)，又很新潮。在大禹治水時(shí)期，測(cè)繪專業(yè)知識(shí)已經(jīng)被使用，這是它古老的地方。同時(shí)它和衛(wèi)星、航天、計(jì)算機(jī)、人工智能技術(shù)等息息相關(guān)，與時(shí)俱進(jìn)，前途自然一片光明。”

在胡俊看來，InSAR技術(shù)潛力或者說發(fā)展重點(diǎn)集中在“三高”，即高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高軌道衛(wèi)星。

高空間分辨率一直以來是InSAR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，只不過胡俊認(rèn)為，這個(gè)優(yōu)勢(shì)還可以進(jìn)一步擴(kuò)大。“對(duì)同一區(qū)域，影像趨勢(shì)是越來越清晰。比如，以往20米×20米，只有一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，獲取單一信息。如今3米×3米，甚至1米×1米就存在一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，獲取到的內(nèi)容量、細(xì)節(jié)更多。”這類比于視頻的分辨率，假設(shè)以前衛(wèi)星提供的是標(biāo)清數(shù)據(jù)，未來可以進(jìn)化到超高清、4K數(shù)據(jù)。當(dāng)然這一進(jìn)化伴隨著挑戰(zhàn)，除了接受信息時(shí)要考慮信號(hào)穿越云層、在地表發(fā)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(xì)節(jié)問題。

高時(shí)間分辨率也不難理解。空間上通過“放大”實(shí)現(xiàn)了細(xì)節(jié)清晰的效果，時(shí)間上則利用影像拍攝周期縮短，達(dá)到相對(duì)完整的記錄。胡俊表示，衛(wèi)星繞著地球公轉(zhuǎn)，以前可能是每隔一個(gè)月拍一次照片，現(xiàn)在縮短到每隔一個(gè)星期。“影像越密集，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警越有幫助。”尤其是對(duì)山體滑坡這種時(shí)間上呈動(dòng)態(tài)性的災(zāi)害，它一開始每年可能僅滑動(dòng)幾毫米，大量、持續(xù)的影像才能捕捉到它的動(dòng)態(tài)。“海量的影像數(shù)據(jù)帶來的最直接的問題，就是有效信息的提取。如何從大數(shù)據(jù)中高效提取有價(jià)值的信息，這也將是測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展的一大難點(diǎn)。”

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

目前，胡俊帶著對(duì)未來的宏大愿景持續(xù)深挖。在完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等工作后，他即將投入到湖南省杰出青年基金項(xiàng)目中，為推動(dòng)InSAR技術(shù)進(jìn)步發(fā)力。他強(qiáng)調(diào)，可以作為“升華”特聘教授回到中南大學(xué)，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(dǎo)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(xué)生，早期也幫著搭建團(tuán)隊(duì)，后來有幸拜在丁曉利教授的門下在香港理工大學(xué)做博士后。現(xiàn)在我們隊(duì)伍有11位老師，五六十個(gè)學(xué)生，隊(duì)內(nèi)氛圍、任務(wù)分工等很和諧。”每個(gè)人的研究方向緊密聯(lián)系，組成一個(gè)完整的發(fā)展體系。

在這個(gè)體系中，胡俊是知識(shí)養(yǎng)分的給予者，是學(xué)生的指路燈，同時(shí)也更像一個(gè)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)的齒輪，與大家一同承載著InSAR技術(shù)的發(fā)展希望，劍指未來。