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院士讲坛“遥感信息与城市发展”于11月18日举行,金亚秋院士主讲
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  11月18日,复旦大学“科技创新与城市未来”院士讲坛在上海举行,由中国科学院院士、复旦大学特聘教授金亚秋院士作题为《遥感信息与城市发展》的讲座。该院士讲坛由复旦大学城市发展研究院、复旦大学人口与发展政策研究中心、复旦规划建筑设计研究院联合主办,是复旦大学服务长三角与上海城市发展、搭建城市研究领域多学科协同创新平台的一项重要举措,将广邀各行业领域的院士在复旦开设讲坛,展望各自学科未来30年的发展方向,畅谈对新型城镇化以及城市未来发展愿景。

  金亚秋,美国麻省理工学院博士,2011年当选为中国科学院院士,同时,也是发展中国家科学院院士、国际宇航科学院院士、国际电气与地质工程师学会会士,现任复旦大学特聘教授,电子波信息科学教育部重点实验室主任,国家重点基础研究973项目首席科学家,国家级有突出贡献的中青年科技专家。主要从事复杂资源环境中电子波闪射与辐射的传输、空间遥感以及对地、对空目标信息理论与技术,复杂环境与目标计算电子学等领域的研究工作。其研究的成果在地球、环境新感、微波遥感、探月与升空探讨等领域得到了广泛的运用。

  金亚秋院士在讲座中指出,在现代信息时代,电磁波是最重要的信息传播的载体,本身也是许多高科技的信息源。什么是电磁波?电子的运动会产生电场和磁场,电流的变化会产生电磁场的变化与辐射传输,电磁场的传输就是电磁波。当我们向地球环境或目标发出电磁波或接收它们的电磁辐射,从中定量或定性地提取地球环境或目标的物理特征信息,就形成主动的或被动的遥感技术。主动指的是发出电磁波,如激光入射月球表面而反射回来,根据传播时延可以算出传播距离,或者月面的起伏;雷达波入射在海面舰船上,雷达的回波就可用来辨认海面上有无舰船,甚至识别是什么舰船。被动指的是用辐射计接受环境与目标的电磁辐射,如红外望远镜夜间看树林中的车辆,车辆的温度比背景树林的温度高,其红外辐射要强于冷背景的树林,所以在夜间也能分辨得很清楚。

  雷达是最主要的主动遥感器之一,它的一个主要参数是辨认目标的空间分辨率。为了机载或星载雷达具有很高分辨率,飞机或卫星的运动,通过路径合成之后相当于形成一个具有高分辨率的雷达大孔径,这就是合成孔径雷达。现在卫星上搭载的合成孔径雷达空间分辨率已达到米与分米量级,为复杂环境中目标检测提供了有力的工具。中国的星载遥感雷达在2020年也会达到分米量级。

  被动辐射计的分辨率是公里量级,在全球与区域性气象与海洋遥感中有广泛的业务应用,世界上在气象海洋环境的遥感监测中,都纳入了中国卫星遥感的观测数据。我国气象遥感卫星和海洋遥感卫星也已有长期的系列性的规划。

  电磁波按频率分,有十分广的频谱,涵盖伽马、紫外、X光,可见光、红外、微波、无线电波等。各个频率都有它特有的服务研究对象,往往组成了不同的学科,如天文学、光学、遥感、通信等。

  电磁波是一个矢量,即电场磁场的变化有方向性,称为极化。不同的环境和不同形状不同材质的目标对电磁波各种极化的反应是不同的。一种极化的电磁波入射在环境或目标上,可以得到同一极化和正交的交叉极化的回波。雷达回波的同极化与交叉极化的信息就能反过来获取不同环境与目标本身的许多特性和特征信息。

  用不同的频率、不同的极化、多个角度等不同的方式观测不同的环境和目标的电磁波,就会得到环境与目标的不同的反应,从中就可以提取许多人眼都无法察觉的内在的许多信息。如土壤的湿度、森林的生物量、积雪的厚度、海面的风速等。

  最初的遥感可以说从机载远距离光学摄影开始,但这只能在白天有良好的光照条件,覆盖的范围也小,但人眼判读比较容易。随后,红外辐射遥感成为主流,红外能有很宽的频谱探测环境目标,但红外辐射在云雨和大气水汽中衰减很大,无法看到云雨的下面。微波具有较大的波长,几乎不受大气水汽的影响,环境与目标的微波散射效应显著,微波甚至能透入干燥的浅层地表,微波遥感能全天候全天时高分辨率地观测。微波合成孔径雷达就是一种主动的微波遥感器,我国机载与星载微波合成孔径雷达也逐步走向应用。微波辐射计是被动的微波遥感器,我国风云气象卫星和海洋卫星都已具备了光学、红外、微波的遥感能力。

  为了得到更多全年的环境和目标的信息,如植被的生长变化、积雪的消融、土壤湿度和旱涝变化、海冰海风、地面起伏与变形、建筑物与人造目标识别等,促使了各类遥感技术的发展,称为多源遥感信息技术的发展。遥感技术根据任务的不同,已发展到光-红外-微波遥感融合、多频段、多极化、多方位、多站(一站发射、另一站接受)、干涉(不同接受处的相位信息),以及运动目标逆合成孔径雷达等技术。

  随着合成孔径雷达空间分辨率的提高,环境与目标的许多细节特征就可能予以识别。如一个建筑物的立体结构,这就是三维信息。通过多时间的观测与成像比较,就能发现环境和目标的变化信息,如地震前后的变化、城市多年的变化等,这就是四维信息。通过干涉等技术,多次的观察就能获得环境和目标成像的季节性热变化等,这就形成了环境和目标的四维、五维等高维度的遥感信息技术。

  多源与高维度遥感信息技术的发展促进了信息智能获取技术的研究与发展,因为单靠人眼是无法提取多源多维度定量的内涵在遥感数据与图像之中的特征信息的。从大气的温湿、暴雨、台风和旱涝灾害监测到今天热议的雾霾天气,从海风海冰海盐监测到海面运动舰船的识别,从陆地水文状态到城市布局变化等等,组成了极为广泛的应用领域。但是,遥感观测的数据图像并不直接提供我们需求的所有的科学知识,徐涛有一个“从数据到信息,从信息到知识”的科学转换,这就要求发展智能的手段实现这种转换,处理与获取多源多维度遥感数据与图像内涵的信息,这也是当今大数据技术的一个重要领域之一。

  还可提及的是外星遥感技术的发展,我国嫦娥一号和二号采用了多通道的微波辐射计,在世界上第一次测量了全月面的微波热辐射,包括了正对地球的月正面,和一直背对地球的月背面。并由此推算了月表面月壤的厚度,和月壤里富含的氦-3含量。这是嫦娥探月工程的一个创新点。在今后的月球、火星、小行星等外星探测采用什么样的技术手段,它会带动什么技术的发展,实现的科学目标是什么等,是我国空间遥感科学技术领域正在思考与规划的领域。我们复旦大学在该领域也开展了若干研究,取得了十分有意义的进展。上海的航天工业的基础雄厚,在我国航天技术发展上举足轻重,一定会在我国地球与外星空间遥感的所有领域发挥十分显著的作用。

  遥感数据图像的积累已形成城市遥感、多时相变化等专门的科技领域,国际上也形成专门的学术会议,定期研讨这些领域的发展。上海市曾在2007年召开过国际城市遥感大会。但是我国尚未有一个以城市管理和智慧城市建设为名义的代表在国际上展示,各方面的工作还显得零碎。城市遥感信息对于城市信息掌控、城镇化环境规划发展、区域性气候、水文、环境变化等都起着十分积极的作用。如加拿大空间局对加拿大每个城市都有多类遥感信息资料的研究与多年储备积累。新加坡土地面积很小,比上海要小得多,但也有相当活跃的国家遥感中心,有完备的卫星数据接收站。我曾问过:新加坡的遥感技术有什么用? 他们回答他们旨在服务于整个东南亚,其服务范围可以涵盖到中国的海南岛。同样比上海市要小的中国香港,也有完善的遥感卫星接收站和相应的技术服务机构。我想上海面临广袤的东海,有海洋、有岛屿、有港口,还有广大的内地延伸,长江三角洲和华东地区是我国经济发展最活跃的区域,无论地域需求,还是发展需求,对遥感信息技术及其相关技术和产业也应该有类似新加坡和加拿大的做法。今天,上海正在热议要成为有国际影响力的创新型城市,应该有更高更宽的视角来规划上海的科学技术的发展。这种规划应是动态的、世界性的。

  因此,上海的空间遥感信息技术与应用应站在全国各省市的前面。在民用卫星地面卫星接受站建设、遥感有效载荷与卫星技术研制、特别是服务于城市区域(包括邻海)遥感数据图像信息技术等有特别长足的发展, 建设一个智慧型的城市。这不仅是一个学科与技术的发展,它同时会带动与此关联的其他科学技术的发展,如卫星与航天技术、电子与传感器技术、计算机技术和数据处理技术、大气海洋环境的地球科学、空间科学技术等。这也标志一个国家、一个城市的能力,有良好的软实力和硬实力。它产生的对科技、人文、环境的影响,不会像股票那样立时涨落,但会长期地影响一个创新型国家、一个创新型城市整体实力的提高。

  上海市在气象、海洋、环境、城市规划、土地利用等方面的服务都有上乘的表现,在上述提及的相关科学技术都有良好的基础,应该可以在将上海建设成为有国际影响的创新型城市的过程中,发挥重要的作用,并取得进一步的发展。世界上高科技的发展是迅速的,要站在前列,需要我们不失时机地规划与发展。能做的先做,做成一件事就能增强信息和能力,但随时要调整与补全科技发展的结构,不要留下明显的短板。特别是上海市肩负国家发展创新型城市的重任,应在科学技术方面有个全方位的规划与挺进计划。发展上海市的城市遥感信息技术是一个重要方面,它对华东地区以至于全国的辐射影响也是可以预见的。■ 

  (以上内容选自由复旦大学城市发展研究院、复旦大学人口与发展政策研究中心、复旦规划建筑设计研究院联合主办的“科技创新与城市未来”院士讲坛之遥感信息与城市发展讲座)
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