李德仁院士獲2023年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)！他推動(dòng)了中國(guó)測(cè)繪遙感從大國(guó)到強(qiáng)國(guó).......

2024 年 6 月 24 日，2023 年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)揭曉，武漢大學(xué)的李德仁院士憑借在地理信息科學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)獲此殊榮。

作為國(guó)際著名的測(cè)繪遙感學(xué)家，李德仁院士在近 40 年的科研生涯中，致力于提升我國(guó)遙感對(duì)地觀測(cè)水平，為我國(guó)從測(cè)繪遙感大國(guó)到測(cè)繪遙感強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變做出了杰出貢獻(xiàn)。讓我們一起來(lái)了解一下這位地理信息科學(xué)泰斗的主要科研成就吧。

初出茅廬：解決測(cè)量學(xué)的百年難題

1982 年，李德仁院士在德國(guó)波恩大學(xué)進(jìn)修期間，首創(chuàng)了從驗(yàn)后方差估計(jì)導(dǎo)出粗差定位的選權(quán)迭代法，這一方法被測(cè)量學(xué)界稱為“李德仁方法”。

隨后，他在斯圖加特大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，創(chuàng)立了誤差可區(qū)分性理論和系統(tǒng)誤差與粗差探測(cè)方法，解決了一個(gè)測(cè)量學(xué)的百年難題。這項(xiàng)成果使他獲得了斯圖加特大學(xué)博士論文歷史最高分，并榮獲1988年“漢莎航空測(cè)量獎(jiǎng)”。

那么，如何通俗地理解“李德仁方法”呢？

想象你正在努力組裝一幅大型拼圖，這個(gè)拼圖有成千上萬(wàn)片，代表著從衛(wèi)星或飛機(jī)拍攝的大量測(cè)量數(shù)據(jù)。你的任務(wù)是把這些拼圖準(zhǔn)確地拼在一起，形成一幅完整的地球表面圖像。聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，對(duì)吧？但是問(wèn)題來(lái)了：有些拼圖片可能被家里調(diào)皮的小朋友偷偷換了位置（這就是“粗差”），有些可能因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中的小問(wèn)題而稍微變形（這就是“系統(tǒng)誤差”），還有一些可能因?yàn)楦鞣N原因稍微偏離了正確位置（這就是“偶然誤差”）。

現(xiàn)在，你要在不知道哪些拼圖片有問(wèn)題的情況下，找出并糾正這些錯(cuò)誤，同時(shí)還要盡可能準(zhǔn)確地完成拼圖。這就是測(cè)量學(xué)家們長(zhǎng)期面臨的難題。李德仁方法就像是一個(gè)智能助手，幫你一步步解決這個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題：

首先，它會(huì)概略地看一遍所有的拼圖片，找出那些明顯不對(duì)勁的部分（粗差檢測(cè)）。然后，它會(huì)仔細(xì)檢查每一片拼圖，看看是否有輕微的變形或系統(tǒng)性的偏差（系統(tǒng)誤差識(shí)別）。接著，它會(huì)考慮到所有拼圖片之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出每一片應(yīng)該放在哪里（最優(yōu)估計(jì)）。最后，它會(huì)反復(fù)進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，每次都變得更精確，直到找到最佳的拼圖方案。

李德仁方法的獨(dú)特之處在于，它能夠同時(shí)處理這些不同類型的誤差，而且可以在處理過(guò)程中不斷提高精度。這就像是一個(gè)超級(jí)玩家，不僅能糾正拼圖中的錯(cuò)誤，還能在拼圖過(guò)程中逐漸看清整幅圖像的樣子。在現(xiàn)實(shí)世界中，它幫助科學(xué)家們從海量的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出精確的地理信息，為繪制精確的地圖、監(jiān)測(cè)地球變化等工作提供了強(qiáng)有力的工具。

學(xué)成歸國(guó)：引領(lǐng)遙感技術(shù)趕超世界水平

回國(guó)后，李德仁院士加快研究步伐，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)開(kāi)展基礎(chǔ)理論和重大技術(shù)創(chuàng)新。1991 年，他提出“3S 集成”（GNSS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、RS 遙感、GIS 地理信息系統(tǒng)）理論，獲得國(guó)際認(rèn)可。3S 集成所構(gòu)成的現(xiàn)代遙感地理體系，也協(xié)助人類實(shí)現(xiàn)了天空地一體信息化移動(dòng)測(cè)量的歷史跨越。接下來(lái)，我們就對(duì)這幾項(xiàng)技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

想象一下，你有一雙能夠隨意放大縮小、穿透云層，甚至看穿地表的“超級(jí)眼睛”。這雙眼睛不僅能看到地球表面的每一處細(xì)節(jié)，還能準(zhǔn)確知道它們的位置，并且能實(shí)時(shí)分析它們的變化，這就是現(xiàn)代遙感地理體系的魔力。

該體系主要由三個(gè)部分組成，就像是一個(gè)超人的三種超能力：

遙感（RS）就像是超人的“千里眼”。通過(guò)衛(wèi)星、飛機(jī)甚至無(wú)人機(jī)上的傳感器，我們可以從高空獲取地球表面的圖像和數(shù)據(jù)。這些“眼睛”可以看到可見(jiàn)光、紅外線，甚至是雷達(dá)波。它們可以穿透云層，在夜間工作，甚至能“看到”地表下的情況。

DMSP 衛(wèi)星，其搭載的 OLS 傳感器可以探測(cè)夜間燈光分布（圖片來(lái)源：維基百科）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）就像是超人的“定位器”。通過(guò) GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，我們可以精確地知道地球上任何一個(gè)點(diǎn)的位置。它的性能如此精確，甚至可以測(cè)量出地殼的微小移動(dòng)。

北斗-M5 衛(wèi)星（2012-050A）的地面軌跡圖，白點(diǎn)為其在某時(shí)之位置，而白線包圍的區(qū)域?yàn)槠湓谠撎幍姆?wù)范圍。（圖片來(lái)源：維基百科）

地理信息系統(tǒng)（GIS）就像是超人的“高能大腦”。它可以將從“千里眼”和“定位器”獲得的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和可視化，將復(fù)雜的地理信息轉(zhuǎn)化為我們?nèi)菀桌斫獾牡貓D或 3D 模型。

地理信息系統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)例：約翰·斯諾 1855 年的地圖，展示了 1854 年倫敦霍亂疫情中的病例聚集區(qū)。（圖片來(lái)源：維基百科）

這三種“超能力”結(jié)合起來(lái)，就形成了現(xiàn)代遙感地理體系。它讓我們能夠全方位、多角度、高精度地觀測(cè)和理解我們的星球。例如，當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)可以快速提供災(zāi)區(qū)的詳細(xì)信息，幫助救援隊(duì)伍更有效地開(kāi)展工作。

在城市規(guī)劃中，它可以提供詳細(xì)的地形、建筑和人口分布數(shù)據(jù)，幫助規(guī)劃者做出更明智的決策。對(duì)于農(nóng)業(yè)，它可以監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況，預(yù)測(cè)產(chǎn)量，甚至指導(dǎo)精準(zhǔn)施肥。

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代遙感地理體系正在變得越來(lái)越智能。人工智能加入后，它不僅能“看到”，還能“理解”它所“看到”的東西。未來(lái)，它可能會(huì)成為一個(gè)真正的“地球大腦”，幫助我們更好地理解和保護(hù)我們的家園。

2003 年，李德仁院士作為牽頭人向國(guó)家提出“建設(shè)我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”的建議，這成為國(guó)家 16 個(gè)重大科技專項(xiàng)之一。在隨后的 15 年里，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了體系論證、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研制和重大應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)從無(wú)到有、從有到優(yōu)。

上方是被動(dòng)式遙感，以可見(jiàn)光遙感為代表，被動(dòng)接受地物發(fā)射或反射的電磁波；下方是主動(dòng)式遙感，以微波遙感為代表，主動(dòng)發(fā)射電磁波并接收反射的信號(hào)（圖片來(lái)源：維基百科）

志在千里：擦亮中國(guó)的“東方慧眼”

為了進(jìn)一步提升我國(guó)的遙感技術(shù)水平，李德仁院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了“通導(dǎo)遙”一體化天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，啟動(dòng)了珞珈系列科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星工程，并成功研制發(fā)射了 4 顆珞珈系列衛(wèi)星。

更具前瞻性的是，李德仁院士推動(dòng)了“東方慧眼”智能遙感星座計(jì)劃的建設(shè)。2022 年 4 月，“東方慧眼”智能遙感星座一期工程正式啟動(dòng)，2024 年 2 月 3 日，由李德仁擔(dān)任首席科學(xué)家研制的東方慧眼高分 01 星成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運(yùn)行。這標(biāo)志著我國(guó)在“通導(dǎo)遙”一體化智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)方面取得了重大進(jìn)展。

“東方慧眼高分 01 星”（即“煙臺(tái)二號(hào)”）通過(guò)捷龍三號(hào)遙三運(yùn)載火箭成功在我國(guó)廣東省陽(yáng)江海域成功發(fā)射入軌（圖片來(lái)源：武漢大學(xué)新聞網(wǎng)）

結(jié)語(yǔ)

從解決測(cè)量學(xué)的百年難題，到引領(lǐng)我國(guó)遙感技術(shù)趕超世界水平；從推動(dòng)“東方慧眼”智能遙感星座計(jì)劃，到培養(yǎng)新一代測(cè)繪遙感人才，李德仁院士用他的智慧和汗水，推動(dòng)了中國(guó)測(cè)繪遙感事業(yè)的跨越式發(fā)展。他的科研歷程不僅展現(xiàn)了一位杰出科學(xué)家的執(zhí)著追求，更彰顯了中國(guó)科技工作者勇攀高峰、服務(wù)國(guó)家的崇高精神。

正如他所說(shuō)：“科學(xué)是要為祖國(guó)服務(wù)的。”這種精神將繼續(xù)激勵(lì)著更多的中國(guó)科學(xué)家，為建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量。

策劃制作

來(lái)源丨科普中國(guó)

作者丨郭菲 煙臺(tái)大學(xué)

監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽

責(zé)編丨一諾

審校丨徐來(lái) 林林