借卫星之眼瞰天地之境

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　　李家国是我国遥感卫星事业的参与者，也是见证者，他经历了与国家事业共同成长到蜕变的铭心历程。2003年10月21日，“资源一号02星”成功发射，结束了我国长期依赖国外卫星遥感数据的历史，那年李家国读大三，刚刚接触遥感；2007年，我国正在筹备建设“环境与灾害监测预报小卫星星座”，以适应环境监测和防灾减灾新的形式和要求，那年李家国获得地图学与地理信息系统学硕士，结合着地理信息研发和遥感应用，走进了遥感研究领域；随后，我国在高分辨率对地观测系统，即将陆续发射7颗高分卫星，为遥感的基础和应用研究提供支撑和保障，李家国则一直默默坚守在遥感领域，为我国的遥感事业贡献着一己之力。
　　一门课引发的兴趣
　　2000年，李家国以优异的成绩考取吉林大学水文与水资源工程专业，十分珍惜大学生活的他也格外奋发图强。直到一门课的出现，他前进道路的方向从此被改变。“当时修了一门课叫做《遥感与地理信息系统》，又恰逢我国发射了‘资源1号02星’”，在课上，老师讲述了我国还处于起步阶段的遥感卫星未来发展的规划，这使李家国感到非常激动和兴奋，也正是基于这个原因，他决定研究生转变研究方向，于是报考了地图学与地理信息系统专业。
　　在接下来的几年中，李家国不断深造，于2010年取得中科院遥感应用研究所定量遥感理学博士学位。随即，他进入中国科学院遥感与数字地球研究所工作，直至今日。围绕着传感器辐射定标与校正、水环境遥感监测、遥感大数据快速处理这3大研究方向，李家国辛勤耕耘，翻越了一座又一座高峰。
　　传感器辐射定标与校正，即把卫星或传感器探测到的信息转换成人所能理解的信息，“因为传感器观测到的是地球光电转换的过程，通过接收地球反射来自太阳光的能量，或地球自身发射的辐射，从而记录下数字”，然而，这些干巴巴的数字对于科研者来说是没有任何意义的，因此需要把数字转换成具有物理意义的参量，比如太阳光反射率、地表发射热辐射的辐量度等。
　　传统的水环境检测需要仪器伸到水中进行探测，或者现场拿一些设备观测，“就像医生号脉，需要与病人接触，通过抽血、化验，获得一些环境基本的物理或化学参量”，李家国打了个形象的比喻。而遥感水环境遥感监测则只“看”，在不接触也不化验的前提下，就知道水环境状态如何，有无问题，比如水是多是少，哪里洪水哪里干旱，哪里有水环境灾害等都可以通过遥感来进行观测和反演。
　　遥感大数据快速处理，则是把遥感数据应用到行业中的进程缩短，以前可能需要3?5天，但经过大数据的处理，比如并行处理、高性能计算等“加速”，就能在两个小时内完成数据处理任务，从而快速形成“观测-知识-决策”链条。
　　“传感器辐射定标与校正，解决的是传感器‘能不能用’的问题，遥感监测是‘如何用好’，大数据快速处理是‘如何好用’，这3个方面是一个循环迭代的过程”，李家国总结道。
　　两个奖项闪耀的光环
　　踏足遥感领域近10余载来，李家国收获颇多，尤以两个奖项最为瞩目。“生态环境遥感应用处理与分析系统技术研究及应用示范”获得地理信息科技进步奖一等奖。“对于中国科学院遥感与数字地球研究所来说，我们研究的遥感属于前端，而行业中有应用中心，属于后端。我们作为前端处理则要为后端提供技术支撑，生产要素及专题产品，后端再凭借我们提供的素材进行行业研判和评价”。因此，这个项目重点解决的是遥感在生态应用中所面临的技术瓶颈问题，具体来说包括3个方面：一是，遥感在生态应用过程中面临着区域多、参数杂、模型多样，以至于选择起来困难，开发的算法语言不统一；二是，数据量庞大，比如处理一个保护区的原始数据达几个G，结果数据量就可能达到几十个甚至几百个G；三是，处理业务流程复杂，专业性非常强。
　　针对这3个问题，李家国及团队对关键技术进行了梳理，并研发解决方案，最后构建了一套完整的业务流程。“我们把遥感在生态环境中的应用按照不同的原则，切分成很多不同的细小的原则节点，每个原则节点可以是一个算法，也可以是一个处理工具，还可以是一个模型的参数”，再通过搭积木的形式，构建一张作业流程图，“人员只要把自己所负责的环节汇成图，系统就会把这些不同的环节串联在一起。这样科研人员只需关心自己负责的节点，不用考虑前后是如何完成的”。这样一来，极大降低了算法的复杂性和对专业人员的要求。
　　另一个项目“神东矿区卫星遥感监测业务化运行系统”获得地理信息产业工程银奖，且排名第一。神东煤炭集团是中国神华能源股份有限公司的核心煤炭生产企业，他们生产面临着严重的环境及大气污染问题，因此亟需一个业务化运行系统，根据不同的季节、不同的时间，自主完成产品生产工作。然而，项目的工期紧迫，从招投标到结项，只留给团队1年的时间。项目集中了团队中绝大部分骨干力量，40多人挤在一个不到200平米的屋子里开发系统。“研发工作非常辛苦”，作为项目一员的李家国回忆起当时的情景仍记忆犹新。
　　功夫不负有心人，项目最终圆满交付。总结起来共有3个代表性应用：首先，通过遥感检测港口是否有冰，决策是否出船，而且每到九十月份后系统会自动启动；其次，监测非法开采小煤窑，“国家明令禁止开采小煤窑，但地方百姓会铤而走险，盗采煤矿，从而产生治安问题：一是造成国家资源流失，二是容易出现安全隐患，三是对生态环境造成破坏”，如此大的区域不可能依靠人力巡逻，所以通过遥感发现开采痕迹，方便有针对性监督治理；最后，监测煤火，前期预警，在我国北方内蒙地区的地下煤藏都属浅层煤，地表受光照后容易形成自燃，这不但是自然资源的巨大浪费，同时也埋下很大的安全隐患，因此通过遥感监测可能发生煤火的地方，可起到警报作用。
　　新能源下的遥感监测
　　目前，核能是唯一被证实的不仅能够提供大量能源，而且不会释放温室效应气体的能源。随着经济迅速发展和工业化进程的加快，我国对电力的需求与日俱增。有数据统计，截至2015年底，我国运行的核电机组近30台，总装机容量达2831万千瓦；在建的核电机组24台，总装机容量达2672万千瓦。其中，我国在建的核电机组数量排名全球第一，总机组数量位居全球第三。 　　核电的发展具有广阔前景，但仍面临着一些问题，核电站的温排水问题就是其中之一。热电厂需要大量的水用于冷却，而这些冷却水经过发电机的加热后成为温排水。核电站的冷却水不断地排入受纳水体，造成水域温度升高，对温排区域内的海洋鱼类、贝类群种等资源产生不同程度的影响。“每个国家对核业排水有排放标准，我国目前还未制定标准，只是参考其他行业标准，比如夏季不能超过1度，冬季不能超过2度，如果一旦超过这些标准值，就会产生很大影响，特别是在海洋保护区周边，可能会改变海洋生物的习性；如果接近农民围垦，会对海带紫菜养殖区造成危害，这就需要严格监测是否对周边环境产生影响，影响有多大，都要进行评估”，李家国深感问题的严重。
　　因此，核电站水体热排放一直是环保工作中一个关注焦点，核电站温排水环境影响的研究对于防止热污染，保护海域水质和生态环境具有重要意义。而水温的高低是环境影响评价的前提，是反映热污染程度的一个重要指示因子。定期、准确地调查评估温排水的影响范围、强度，是近海岸热温排放以及核电站对海水环境影响评估重要参考依据。
　　“利用遥感技术对核电站温排水热污染监测与评价，可以较好反映水体热的时空差异性和变化规律，可以为核电站运营期间的环境管理提供技术支撑、能够满足环境保护部门及公众对环境信息的需求，对保护近海海域环境具有重要意义”，从2010年开始，李家国就一直致力于此，他先后去过广西防城港、浙江三门县、福建福清和宁德、广东阳江等地进行现场试验，通过遥感卫星手段监测，从而为核电厂提供技术支持，同时为后续再建核电机组提供空间参考范围依据。
　　民生问题中的遥感应用
　　近年来，卫星遥感技术在海绵城市建设中凸显出巨大的潜力。海绵城市以水为对象，主要解决“城市在下雨后，如何把水留住，不下雨时，如何发挥水的潜在作用”，简单概括就是“留水”和“用水”问题。如今的城市道路不同以往，地下建筑越来越多，致使道路不再具有渗水功能，所以一旦下雨就容易形成洪涝，雨水少时就干旱，问题关键还是不透水面积过大。
　　遥感在海绵城市中起到的主要作用就是检测水能渗透的面积和不能渗透的面积。“通过遥感可以直观监测城市中的不透水面积的大小，及分布情况；另一方面，一旦发生洪涝，遥感还能监测何地产生积水，前提需要高分辨率的亚米级卫星数据”。目前，李家国和团队已在河南鹤壁、浙江杭州开展了海绵城市的相关应用工作，“遥感起到辅助性作用，地面手段是主导。因为遥感只能‘看’，而且从太空中看还受到很多条件的限制，所以没有遥感不行，但光靠遥感也不行”，他道出了遥感的核心作用。
　　除了智慧型城市，“黑臭”也是关乎民生的重要问题。随着我国城镇化快速发展，作为重要资源和污水载体的城市河流和湖泊已经遭受严重污染，其中以严重的水体黑臭现象最为突出，以及水体黑臭导致的次生环境问题，比如爆发水华、浮萍泛滥、水葫芦疯长等。很多水体黑臭问题严重，已成为我国许多城市共同存在的污染问题。城市水体黑臭不仅影响城市景观，破坏河流生态系统，更是影响城市居民的生活和危害人体健康。因此，控制和治理城市河道水体污染、整治河道黑臭刻不容缓。
　　同样以卫星遥感技术为主要手段，李家国聚焦解决“黑臭”。他分阶段提取全国地级及以上城市不透水面积及聚集密度、城市绿地及城市建成区范围等重要城市水环境信息；利用高空间分辨率影像动态提取城市主要水体水域分布，统计水域面积和水域占建成区面积比例；基于天地协同技术手段针对重点城市开展城市黑臭水体遥感动态监测，建立城市黑臭水体监测平台，收集、展示和发布黑臭水体位置、治理进展及城市黑臭天地协同动态监测成果。
　　每年，李家国都有1?2次出海任务。对于不是在海边长大的科研人员来说，出海无疑是件辛苦之事，上船后面临的晕船、呕吐，都是需要他们忍耐和克服的窘境。然而，出海实验也不是光有人员和设备就可以，需要天空晴朗无云，同时有卫星通过，还要无风才能出海，唯有达到“天时地利人和”，海上试验才有完成的可能。因此，李家国也深感要想成为一名合格的遥感科研人员，关键需具备认真的态度和坚韧不拔的品质。
　　2016年下半，我国将陆续发射高分三号、五号等高性能新型遥感卫星，未来，李家国也计划着把高空间分辨率和多光谱结合起来，在现有的空间分辨率基础上，增加更多的谱段，从原有的4个增加至8个，这相当于会有更多双“眼睛”来观察地球表面……
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