高端论坛|李德仁院士自述：中国卫星“从无到有”与“从有到好”
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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。
测绘不仅在理工科领域有大显身手的空间，在人文社科领域也有“用武之地”。
我的老师王之卓先生曾说过；“跟着外国人走不叫创新，开拓国家科学发展需要，为实现还没有实现的目标去努力。这才是真正的原始创新。”
地球空间信息要为大众服务
做卫星遥感，不仅要准确定位地面上某一个目标的位置，还要把它解释出来，这涉及国防、环境、土地利用、灾害分析等多个领域。具体来说，就是着眼于现实需求：研究一个灾区在哪儿，房子倒了多少，滑坡在哪儿，河流堵塞了几条，造成了什么后果。把这些信息告诉需要的人，总结起来就是四个 W，即 Where，What，When，What Change。这样地球空间信息就达到了 Geoinformation for All 的应用程度，也就是“为人人服务”，“为大众服务”。
那么，如何体现四个 W 的服务水平？我归纳为 4 个“Right”，即 RightTime， Right Place， Right Data， Information and Knowledge to Right Person。
我们一步步把地球空间信息科学提升为服务的科学，在规定的时间，在需要的地方，把正确的数据、信息、知识，送给需要的人，这样我们就把整个学科延伸到一个更高的服务科学的水平。这也是我们这个学科现在和未来需要继续努力的。
国家减灾中心联合实验室成立，我和张祖勋院士任首席科学家，用气象环境卫星做干旱水灾预报、干旱检测、水灾检测。后又成立了环境灾害遥感应用科技组，刘良明教授为负责人，每个月向国家测绘局提供一份全国植被覆盖指数，反映地表植被覆盖状况。
2008年汶川地震，我们接到消息说：唐家山倒下来，把湔江堵了，洪水涨得很快，形成堰塞湖，屯了近 3 亿立方的水。如果堰塞湖漫过来，会危及下游的城市，尤其是我国重要的核工业基地绵阳，后果不堪设想。当时全国有七线阵航空扫描仪的机构不多，拥有机载激光雷达系统的机构更是少之又少，武汉大学是为数不多的同时拥有这两个设备的机构。于是，我们主动请缨，协助抗洪救灾，由于时间紧迫，我们就在机场租了个会议室研究泄洪方案，派马洪超教授团队带上高精度仪器去灾区，及时获取航飞数据，准确找到了泄洪点，解决了堰塞湖险情。
接着我们还做了一件利国利民的好事。一架军用飞机失事，找了三天三夜都没有线索。我们的设备上天在可疑区获得大量数据。通过三维多光谱景观建模，定位了三个可疑点，果然找到了失事飞机。马洪超因此成了抗震救灾模范，成都军区在表扬信中写道：“你们积极响应，主动请缨，积极参战，发挥科技优势，在提供直升飞机失事疑似位置方面给与了无偿的大力支持，对准确确定失事飞机位置起到了重要作用。”
关于救灾应急，我认为要建立一个集成系统。因为灾害时刻在变化，涉及的单位错综复杂，如果每个单位搞一个系统，系统与系统之间会有重合或冲突。为了提高效率，就要避免重劳动，注重分工协作。所以我们提出要做大系统，做“系统的系统”，英文称为 system of systems。
测绘不仅在理工科领域有大显身手的空间，在人文社科领域也有“用武之地”。
我的夫人朱宜萱教授在香港认识了敦煌研究院院长樊锦诗教授，她的先生彭金章是武汉大学历史系教授，主要研究历史和文化遗产，常年驻守在敦煌。2005年，我和朱老师带格林教授参观敦煌，樊锦诗院长热情地接待了我们。她对我们说：“像敦煌这样的文化遗产，不可复生，也不可能永生。”我就想到可以用测绘遥感技术解决敦煌莫高窟文化遗产的保护，把它们拍下来，导入电脑中，做成真三维数字敦煌，不就在数字中永生了吗？
这样我们就开始了敦煌文化遗产保护项目，朱老师带队，从 158 窟的释迦牟尼卧佛像做起敦煌整个城市和鸣沙山整个大区都使用航空激光雷达测量。做崖面，沿着崖面的沟进去，深入到每个洞里。运用地面激光雷达把整个敦煌地区的三维地形图做出来。由于崖面比较高，就用 20 m 升降梯来回移动在 0 m、5 m、10 m、15 m、20 m 的高度，做多次的激光扫描，把敦煌崖面的三维扫描出来，精度为 3 mm。
我的博士仲思东教授用他发明的四目立体摄影系统去扫描石窟群中段的标志性建筑——九层楼，数据量多且是自动化的，就这样做了九层楼和月牙泉的三维重建。他的博士论文写的就是《四目立体摄影系统用于摄影测量的研究》。
多种方法结合使用，有房子有结构的用摄影测量，沙漠区用机载激光雷达，崖面用地面激光雷达，洞穴内用手携式激光雷达，再加上高精度数码相机，各有所长，相互弥补。470 多个洞窟，我们一个个做。这个项目得到了世界教科文组织的认可。之后，我们和敦煌研究院申请了一个国家973 项目，研究三维重建、色彩恢复和可视化表现。由李清泉教授牵头在做，朱老师也有参与。
我们的文化遗产保护不再是囿于传统的形式。这充分体现了人文社会科学也可以用现代科技手段进行研究，历史学家解读文献，我们让历史在数字中永生。
创新永无止尽
我的老师王之卓先生曾说过；“跟着外国人走不叫创新，开拓国家科学发展需要，为实现还没有实现的目标去努力。这才是真正的原始创新。”原始创新的过程相当艰辛，因为立项审批需要专家同意，获得其他人的认可是一个漫长的过程，难免耽误了时机。
2003年，我们在全国率先做了武汉市街景影像，当时国外没有，相关部门对此表示怀疑，就耽搁了研究进程。三年后，美国人做出来了。街景影像隐含着重要的现实意义和历史价值，相当于数字化的清明上河图。清明上河图的历史价值在于它真实再现了当时经济社会景象，街景影像也能够记录人们的衣食住行，描绘城市特征，反映社会变迁，相信在未来大数据时代，对不同时相街景影像的数据挖掘，也会显现出重要的政治、经济和文化价值。
此外，原始创新需要宽松的政策支持。孙中山先生有句话：“先知者先觉，后知者后觉，不知者不觉。”搞创新就是先知先觉。一方面，我们要争做先知先觉者；另一方面，国家应当对超前创新给予宽容，允许失败。
创新永无止境。10年前，我提出建立天基互联网，将天上的几百个卫星囊括到一个网络中，使任意两颗卫星都可以产生通信联系，使数据处理在天上自动完成，这样就可以把对灾害的响应速度提高到 1 min以内。
我们为这个设想足足准备了 8 年，现在终于在国家自然科学基金委立项着手研究了，这也是未来 5 至 10 年，在互联网+时代，地球空间信息技术协同创新中心的主要工作。
实现天基互联网，单靠我们自己的力量是不够的，还需要导航、通信、组网的人，所以我们就采取协同创新中心的方式，联合中国航天科技集团、清华大学、北京航空航天大学等核心协同单位共同组建，一共有 7个研究方向、18个研究团队。
同时我们还邀请了武汉大学的相关团队加入，让尽可能多的武大人参与到天基互联网的建设中，为我们学校的长远发展创造条件。
2002年，我们建议发射高分辨率遥感卫星，国家采纳了；2014年，高分辨率商业化应用卫星的建议，国家也采纳了；对于组建天基互联网、实现天地互联网大集成的设想，我满怀期待。
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。
图片制作：王晓醉
本文转载自《武汉大学学报·信息科学版》（微信号：GeolnfoSciWhu）（版权归作者及刊载媒体所有）
作者简介
李德仁，祖籍江苏丹徒县，1939年12月出生于江苏泰县。德国斯图加特大学博士，著名摄影测量与遥感学家；中国科学院院士，中国工程院院士，国际欧亚科学院院士，武汉大学教授、博士生导师； 历任武汉测绘科技大学校长、测绘遥感信息工程国家重点实验室主任；武汉大学学术委员会主任，全国有突出贡献的中青年专家，全国政协委员，国务院学科评议组成员；中国测绘地理信息学会副理事长，中国图像图形学会副理事长，中国地理学会环境遥感分会副理事长，湖北省科协副主席，湖北省测绘地理信息学会副理事长，湖北省土地学会名誉会长，武汉欧美同学会会长，武汉留学回国博士联谊会会长，武汉中国光谷首席科学家，武汉关爱协会理事长。
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编辑：孙丰家
审核：王怡波 李茂永
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)