李德仁院士：推動中國測繪遙感從大國到強國的科學(xué)家

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

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

李德仁，中國科學(xué)院院士，中國工程院院士，武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國際著名測繪遙感學(xué)家。現(xiàn)任武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會名譽主任，地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心主任。

（圖片來源：科技日報）

初出茅廬：解決測量學(xué)的百年難題

1982年，李德仁院士在德國波恩大學(xué)進修期間，首創(chuàng)了從驗后方差估計導(dǎo)出粗差定位的選權(quán)迭代法，這一方法被測量學(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，創(chuàng)立了誤差可區(qū)分性理論和系統(tǒng)誤差與粗差探測方法，解決了一個測量學(xué)的百年難題。這項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“漢莎航空測量獎”。

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，這個拼圖有成千上萬片，代表著從衛(wèi)星或飛機拍攝的大量測量數(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。聽起來很簡單，對吧？但是問題來了：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”），有些可能因為生產(chǎn)過程中的小問題而稍微變形（這就是“系統(tǒng)誤差”），還有一些可能因為各種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題的情況下，找出并糾正這些錯誤，同時還要盡可能準(zhǔn)確地完成拼圖。這就是測量學(xué)家們長期面臨的難題。李德仁方法就像是一個智能助手，幫你一步步解決這個復(fù)雜的問題：

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

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

學(xué)成歸國：引領(lǐng)遙感技術(shù)趕超世界水平

回國后，李德仁院士加快研究步伐，帶領(lǐng)團隊持續(xù)開展基礎(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，獲得國際認可。3S集成所構(gòu)成的現(xiàn)代遙感地理體系，也協(xié)助人類實現(xiàn)了天空地一體信息化移動測量的歷史跨越。接下來，我們就對這幾項技術(shù)做一個簡單的介紹。

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“超級眼睛”。這雙眼睛不僅能看到地球表面的每一處細節(jié)，還能準(zhǔn)確知道它們的位置，并且能實時分析它們的變化，這就是現(xiàn)代遙感地理體系的魔力。

該體系主要由三個部分組成，就像是一個超人的三種超能力：

遙感（RS）就像是超人的“千里眼”。通過衛(wèi)星、飛機甚至無人機上的傳感器，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”可以看到可見光、紅外線，甚至是雷達波。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傳感器可以探測夜間燈光分布

（圖片來源：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點的位置。它的性能如此精確，甚至可以測量出地殼的微小移動。

北斗-M5衛(wèi)星（2012-050A）的地面軌跡圖，白點為其在某時之位置，而白線包圍的區(qū)域為其在該處的服務(wù)范圍。

（圖片來源：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)進行存儲、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)。

（圖片來源：維基百科）

這三種“超能力”結(jié)合起來，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、高精度地觀測和理解我們的星球。例如，當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害時，這個系統(tǒng)可以快速提供災(zāi)區(qū)的詳細信息，幫助救援隊伍更有效地開展工作。

在城市規(guī)劃中，它可以提供詳細的地形、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。對于農(nóng)業(yè)，它可以監(jiān)測作物生長狀況，預(yù)測產(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，它可能會成為一個真正的“地球大腦”，幫助我們更好地理解和保護我們的家園。

2003年，李德仁院士作為牽頭人向國家提出“建設(shè)我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)”的建議，這成為國家16個重大科技專項之一。在隨后的15年里，他帶領(lǐng)團隊完成了體系論證、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研制和重大應(yīng)用，推動我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)從無到有、從有到優(yōu)。

上方是被動式遙感，以可見光遙感為代表，被動接受地物發(fā)射或反射的電磁波；下方是主動式遙感，以微波遙感為代表，主動發(fā)射電磁波并接收反射的信號

（圖片來源：維基百科）

志在千里：擦亮中國的“東方慧眼”

為了進一步提升我國的遙感技術(shù)水平，李德仁院士帶領(lǐng)團隊開展了“通導(dǎo)遙”一體化天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，啟動了珞珈系列科學(xué)試驗衛(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，李德仁院士推動了“東方慧眼”智能遙感星座計劃的建設(shè)。2022年4月，“東方慧眼”智能遙感星座一期工程正式啟動，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，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行。這標(biāo)志著我國在“通導(dǎo)遙”一體化智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)方面取得了重大進展。

“東方慧眼高分01星”（即“煙臺二號”）通過捷龍三號遙三運載火箭成功在我國廣東省陽江海域成功發(fā)射入軌

（圖片來源：武漢大學(xué)新聞網(wǎng)）

結(jié)語

從解決測量學(xué)的百年難題，到引領(lǐng)我國遙感技術(shù)趕超世界水平；從推動“東方慧眼”智能遙感星座計劃，到培養(yǎng)新一代測繪遙感人才，李德仁院士用他的智慧和汗水，推動了中國測繪遙感事業(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，更彰顯了中國科技工作者勇攀高峰、服務(wù)國家的崇高精神。

正如他所說：“科學(xué)是要為祖國服務(wù)的?！边@種精神將繼續(xù)激勵著更多的中國科學(xué)家，為建設(shè)科技強國貢獻力量。