李德仁院士自述-中国卫星“从无到有”与“从有到好”（上）
编者按：
这是一篇短文，也是武汉大学测绘遥感学科的发展史，更是中国测绘遥感学科的进步史。读完掩卷，你会惊觉前进的每一步都走得如此艰难而昂扬，也会感受到学科发展，不断创新的重要性和必然性。
持续创新让学科出彩
我们从事一个专业，要对新事物持有敏锐的觉察力，并注意吸收和运用。
我把武汉大学测绘遥感出彩的原因归结为：
紧跟国家和社会需要，持续吸收和充分运用新技术。
1903年
美国莱特兄弟发明了飞机，航空摄影测量专业相继而生。
1957年
加加林上天，人类实现了站在地球之外看地球的愿景，于是卫星遥感产生了。
1980年
世界国际摄影测量学会更名为国际摄影测量与遥感学会，武汉大学航空测量系也改成了摄影测量与遥感系。
做遥感首先要掌握航空摄影测量技术。德国教授霍夫曼提出的三线阵方法被广泛应用，其原理就是将一个 CCD 线阵放在卫星的传感器上，随着卫星的移动，对地面进行扫描。
摄影测量是解决几何问题，也就是研究地球的形状、大小和地球上这些目标的分布与变化。武汉大学的几何遥感在世界上是领先的。这些成绩的取得绝非一蹴而就，而是经历了一个从无到有，从有到强的蜕变。
从画地图到发卫星
起初我们扮演着“用户”的角色，只是拿卫星图像测制地图。1986年，我带回国用 SPOT 卫星拍的法国马赛的立体影像，和我的三个研究生一起推导这些立体影像的区域网平差，并把 SPOT 立体像对的高程测量精度做到了 5.5 m。1988年，我们出席在日本召开的国际摄影测量与遥感大会，做了关于SPOT 影像的立体摄影测量处理的报告，并写了一篇关于 SPOT 立体影像的区域网平差的论文。这是我从德国回来早期做的工作。这次成功也让我深深意识到数据共享的重要性，这是推动中国乃至世界卫星遥感前进的关键。
王之卓先生早在 20 世纪 60 年代就著文预言过卫星测量地球是可能的。20 世纪 80 年代开始，很多同行开始研究解决卫星测图问题。1988年，我们成功通过 SPOT立体影像做出了 1∶5万地图，平面精度 10 m，高程精度 5.5 m，当时能达到这个精度的只有几个国家。
我们开始思考，中国人能不能自己发卫星做立体测图？改革开放以后，中国开始重视遥感对地观测卫星。刚开始以军用为主，民用卫星发射最早始于中巴资源卫星。1999年，我和杨凯参与了中巴地球资源一号卫星的前期策划，这是南南合作的一个成功典范。
钱学森说过，“科学是没有国界的，但科学家是有国籍的。”我把这句话理解成“科学没有国界，但是研究科学的人是有国界的。”在国防口，我们发现卫星地面处理软件是从加拿大高价购买的，质量不好，而且买国外软件存在安全隐患。于是我们就毛遂自荐，提出由我们自主研发。相关负责人听了，表示难以置信：“几百万美金买来的软件，几个老师和学生能做出来吗？”结果我们做出来了，不仅把成本降低了近十倍，性能也好很多。外国的软件是在好器件的基础上做出来的，由于美国军方的限制，中国买来的器件存在先天不足，而武汉大学就有这个本事，用我们的理论把各种误差找出来，把不清晰的变清晰，也因此立下了在该领域的权威。
要获得遥感卫星的定轨定位精度，需要有星载 GPS 接收机，还有姿态测量的仪器，星象仪、陀螺等，当时都是从国外买的。买别人的就证明我们的本职工作没做好，于国家有愧。我们不能受制于人，要独立自主，要做好中国的卫星，用好中国的卫星。
在提高精度和质量上下功夫
我们不满足于有卫星，又开始在卫星精度和质量上下功夫。在元器件受限的情况下，用精细的算法提高数据质量。王密和张良培教授是我当年的研究生，他们分别研究如何提高几何质量和辐射质量。我们一起到相关部门了解原始数据情况，用几何遥感和物理遥感的理论强项提高数据质量，这就弥补了我们元器件不好、成像质量不如外国的缺陷。
我们建立了一个控制点数据库实时纠正，把无地面控制的卫星目标精度从 200 m 做到了 20 m 以内。资源三号升天之后，我们做到了 10 m。进而，我们用中国所有 173轨的 ZY-3卫星数据做无地面控制的超大区域网平差处理。一共有 8 810景，20 TB数据，为自动剔除粗差，用 GPU 并行快速处理方法，利用 15 个计算节点，通过并行计算自动匹配约 20 亿个连接点。通过自动粗差剔除挑选出具有标准点位分布、最大重叠度以及高可靠性连接点像点约 300 万个参与无控制区域网平差计算，整整算了 7 天 7 夜，把平面、高程的精度都达到 5 m 之内。这就为我国开展全球测图提供了基础。
2013 年 4 月 26 日和 2014 年 8 月 19 日，我国高分 1 号和高分 2 号遥感卫星上了天，2014年 12月，中巴资源四号卫星上天。这个卫星上有 4个传感器，分辨率分别是 5 m、10 m、20 m、70 m。
到 2015 年 5 月，我们一共做了 20 多颗中国高分辨率卫星，分辨率从5 m、3 m、2 m、1 m做到 0.5 m，这一连串数据直观地记录了中国卫星从无到有、从有到好的整个过程。而且，我们的卫星和其他国家相比，不仅有更好的质量，而且有更宽的幅面，这就意味着效率更高。
不断壮大学科体系
从传统的光学测绘遥感，到高光谱和雷达遥感，武汉大学测绘遥感学科体系不断壮大。2000年合校后，学科交叉与融合有了新突破，开拓了在高光谱、雷达遥感等领域的研究。从不入门到入门，从入门到创新，经历了漫长的过程。
20 世纪 90 年代，高光谱遥感逐渐兴起，当时我在加拿大当客座研究员，看到了这一研究领域的广阔前景，就带回国一堆论文。张良培是学物理的，我就把资料给他研究。围绕高光谱遥感，我们做了四方面的探索：波段选择、数据压缩、波谱数据库和混合像元。我把第四个命题交给张良培去做，全世界都认为混合像元有多种地物目标混合，是个线性的关系，就是线性混合像元。张良培独辟蹊径，最早提出非线性混合像元的理论。
因为我在这方面没有经验，就把张良培送到中科院遥感应用研究所跟童庆禧院士学习。现在张良培的团队不断壮大，是世界上屈指可数的高光谱研究团队之一。在 2014年影像融合和数据遥感分析大赛上，这个团队独揽前三名，他们做高分辨率、高光谱图像解译已经达到世界最高水平了。
廖明生是学无线电的，是龚健雅院士的学生，我们也把他送到遥感所，跟郭华东院士学雷达，后来结识了意大利米兰理工大学罗卡教授，他正利用多时相的雷达数据来研究大城市的地表下沉。在中国东部地区，随着城市迅猛发展，高层建筑、地下工地越来越多，地表下沉严重。在与欧空局合作的龙计划中，我们当时就组成一个团队研究这个问题，由我和意大利罗卡教授做首席。廖明生教授提出了相干目标分析法的干涉雷达测量。随后我们到上海海洋地质调查局检验我们的方法，他们不太相信我们可以成功。但结果显示，用我们的方法测量可以达到 2至 3 mm 的精度，与罗卡教授的永久散射体干涉雷达测量相当，代表了世界水平。现在，武汉大学卫星遥感的定轨精度是厘米级，形变是毫米级，绝对位置是米级——这是我们团队的力量！
对于创新，我的思路是不断走出国门，了解世界发展的最新动向。我上学时不知道雷达，1995 年在苏黎世理工大学任客座教授时才初次接触。我用 4 个月的时间把那里所有关于雷达遥感的书都看完了，边看边复印，装了满满 3 箱，然后寄回国。回校后，组织几个老师和博士生建立了雷达遥感兴趣小组，把资料送给他们翻译、阅读和讨论。苏黎世理工大学是爱因斯坦的母校，一共培养出了 18个诺贝尔奖获得者，这里科研环境好，给各国学者的待遇都很好。我就是在这样的科学殿堂里接触并着手研究雷达遥感的。
在前进的道路上，每迈出一步都不是轻而易举的，要前进就必须拿出排除万难的魄力。例如在资金的使用上，有很多反对的声音，当然这是必要的谨慎。但是我坚持“好钢用在刀刃上”，坚持引进最好的设备来发展学科、推进学科创新。过于谨慎就没有创新了。
我们花 380 万元买 MODIS 接收处理设备的时候，很多老同志不同意，认为这不是测绘。但是我坚持认为这是摄影测量与遥感要做的，并且一定要做，还要应用到城市遥感、海洋遥感和灾害遥感中去。
买激光雷达也是如此。很多人认为激光雷达成像的质量不如光学成像的点密集，打不到的地方就成不了像。但是激光雷达测量有它不可替代的优势，从飞机上打一束激光出去，再收回来，是主动而不是被动的，可以同时得到 4 个回波，还有全波形记录。实际上，激光雷达技术发展非常快，可以 1秒钟打几十万个点，非常密。
我们在敦煌做了试验，用摄影测量和激光雷达测量同时为九层楼古建筑建模，结果激光雷达测量的精度是 3 mm，摄影测量的精度是 5 mm。随着激光技术的发展，激光雷达测量的精度可以比摄影测量高得多。在汶川地震抢险救灾中也充分展示了它的优越性。
本文节选自《不停歇的创新——李德仁院士学成归国 30 年回顾》，作者为李德仁院士，2016年武汉大学出版社出版。
《武汉大学学报·信息科学版》编辑部已得到李德仁院士和武汉大学出版社的授权，在微信公众平台转载本书部分内容。
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