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【光电与时代同行】北京空间机电研究所侯立周:唯有“专注创新” 才能引领高光谱遥?#34892;?#19994;的发展

2019-07-05 11:22:08来源:CIOE中国光博会新闻标签:CIOE中国光博会

技术创新,最需要的是专注,就是要心无旁骛地沉下心来做事情。

提高创新意识,放眼领域全局,规划远景目标,对创新发展也都很重要。


嘉宾简介

侯立周,博士,北京空间机电研究所研究员。主要从事空间光学遥感、光谱探测技术等方面的研究,特别是在傅里叶变换光谱探测技术方面具有深厚的理论功底?#22836;?#23500;的载荷研制经验。曾主导研制了高分五号卫星大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪?#22836;?#20113;三号卫星高光谱?#29575;?#27668;体监测仪载荷,其中前者是我国光谱分辨率最高、光谱通道最多的光谱仪载荷,是我国高分系列卫星高光谱分辨率的标志。

当我们需要对植被、水体、土壤等地物进行精准定量分析的时候,以前这些数据可能需要成百上千的人花费一两个月的时间到田间地头才能采集到,现在通过卫星几个小时即可实现,再花上几个小时这些数据就能分析出来形成报告——这幕后的“功臣?#26412;?#26159;高光谱卫星。2018年4月26日发射的珠海一号02组卫星已经可以实现高光谱观测,其中的4颗高光谱卫星成为全球25颗高光谱卫星家族中的重要成员。


进入21世纪以来,全球卫星遥感产业市场规模不断扩大,以年均超过10%的速度增长。2018年作为中国商业航天超级年,在国?#19994;?#22823;力支持和引导下,商业航天科技成果在领域内呈?#24535;?#21943;式发展。正如上文提到,遥感卫星在社会生产和生活各领域的应用范围不断扩大,我国民用遥感卫星系统研制工作取得了显著成绩,逐步形成了气象、海洋、陆地资源和科学试验等遥感卫星系统,也具备了一定的应用基础。相关研究报告显示,基于卫星遥感的行业应用服务潜在市场规模接近1000亿元。


近期,光博君对接到了北京空间机电研究所侯立周博士(以下简称“侯博?#20445;?#23601;高光谱遥感技术等方面进行采访。


侯博您好,请问您如何?#21019;?#21355;星高光谱遥感技术对国计民生的作用与影响?

在说卫星高光谱遥感的作用之前,?#20154;?#19968;下高光谱技术的优势。所谓高光谱,主要是指光谱分辨率很高,由于探测目标的属性主要体现在光谱维度上,这样就能呈现出更多、更为丰富的目标属性的信息。因此,高光谱遥感有以下?#20613;?#26174;著优势:

1)  蕴含着近?#23631;?#32493;的地物光谱信息;

2)  地表覆盖的识别能力极大提高;

3)  可实现定量或半定量的分析。


所有技术的检验标准归根结底?#23478;?#23454;用才行,高光谱遥感技术的作用与影响也主要体现在国计民生方面的应用上。一般来说,先进的科技成果往往最先在军事领域得到应用。高光谱遥感技术也不例外,它在军事领域的应用主要有以下?#20613;悖?/span>

1) 目标侦查:可以通过高光谱卫星极大拓宽目标种类识别的范围和提供识别的准确率;

2) 反伪装探测:可以完成?#36828;?#31181;伪装目标或工程的揭露,提高部队作战水平;

3) 近水海域环境监测:可以应用在海军或潜艇部队所需的浅水区进行探测海底结构类型、水下危险事件以及海水清晰度等。


同时,高光谱遥感技术在民用领域有着更为广泛的应用。如:

1)  测绘地形图,?#35889;?#19987;题影像。如:精细农业中的农作物、森林、草场等植被分布影像,地质探测的矿物、土壤、冰川等专题分布影像等;

2)  海水要素监测。如:海洋资源普查、水色水?#26102;?#21270;、叶绿素和浮游生物含量、海岸带和海洋生态变化、海洋污染监测等。我们目前就有一颗海洋的卫星海洋一号C星目前在轨为海洋生物的资源开放利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发、海洋科学研究等领域提供服务;

3)  资源环境调查与灾害评估。如土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地?#35797;?#23475;评估等。单单这个方面就有较为广泛的应用需求;

4)  大气遥感。如利用超光谱数据进行大气成分及其含量的准确探测,并能够为气候变化、环境污染检测、天气预报、灾害预警等方面提供丰富的数据,从而提高其准确性和可靠性。目前,我们的主要工作集中在这个方面,典型的代表产品是高分五号大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(简称AIUS)?#22836;?#20113;三号高光谱?#29575;?#27668;体监测仪(简称GAS)。

所以,总的来说,卫星高光谱遥感技术的应用?#27973;?#24191;?#28023;?#23545;国计民生的意义也?#27973;?#37325;大,也许还有更多的应用领域有待开发。


请介绍下您所从事的大气成分探测领域高光谱遥感技术特点和发展现?#30784;?/strong>

大气成分探测不同于其它高光谱探测,它对光谱的连续性和精细程度的要求?#27973;?#39640;。根据分子运动特点,不同的气体分子会吸收特定波长的光,这个波长称为该气体的特征吸收峰,特征吸收峰的强度大小与该气体的浓度是正相关的,因此通过测量大气散射的太阳光谱或大气自身的红外发射光谱,就能反演出不同的大气成分和痕量气体的种类和浓度信息。


所以,这类光谱遥感技术的特点是需要测量一定波长范围内的连续光谱,并且光谱分辨率要求极高,例如测量?#29575;?#27668;体二氧化碳和甲烷等需要光谱分辨率最高达到0.04nm,而测量某些痕量气体需要光谱分辨率高达0.01nm,就相当于在卫星上建立了一个光谱分析实验室。


目前采用的技术方案主要有傅里叶变换光谱仪和光栅光谱仪两类,其中光栅光谱仪一般用于可见?#20004;?#32418;外谱?#21361;?#32780;傅里叶变换光谱仪多用于近红外至远红外谱段。由于气体的特征吸收峰多位于红外区域,同时傅里叶光谱仪采用干涉分光,具有高光通量、多通道、波长位置精度高等优点成为了卫星遥感大气探测的主流仪器之一。


国际上已经发射的大气成分探测的傅里叶变换光谱仪载荷主要有美国的对流层发射光谱仪(TES)、?#20998;?#30340;被动迈克尔逊干涉大气探测仪(MIPAS)和加拿大的大气化学实验(ACE)。我国近期也已经发射了两台大气成分探测的时间调制傅里叶变换光谱仪载荷,分别是风云三号卫星上的高光谱?#29575;?#27668;体监测仪和高分五号的大气环境红外甚高分辨率探测仪,这两台仪器都是由隶属航天五院的北京空间机电研究所研制。其中大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是我国光谱分辨率最高的光谱探测载荷,在国际上也处于先进水平。它的光谱范围覆盖2.4um~13.3um,光谱分辨率最高0.011nm,有17万多的光谱通道,能在轨自主跟踪太阳,测量大气的精细透过率光谱,将可以反演出多达40多种大气成分和痕量气体的垂直分布信息。


您如何?#21019;?#25216;术创新对本行业的推动?  

对任何行业来说,创新都应该是行业发展的驱动力,侯博说。十九大报告指出,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。在习近平总书记提出的“创新、协调、绿色、共享、开放”五大发展理念中,把创新?#26049;?#20102;的首位,也充分体现了创新的重要地位。


那么,对航天高光谱遥感技术来说,创新的重要性可能更加凸显。目前,随着技术能力的提升,我们与国外相关领域的技术水平的差距在逐渐缩小,?#34892;?#23616;部技术能力甚至还处于领先地位。之前的发展我们应该算是处于追赶或跟跑阶?#21361;?#25216;术水平和技术体制是已被验证可行了的。就大气成分探测领域来说,目前主要有光栅型和干涉?#22303;?#31181;技术途径,与之配套的相关技术体系也?#27973;?#24222;大,包括数据处理、定标、反演和应用等都有一套较为成熟的理论体系、处理流程和相关算法。这样,我们不用去“?#28304;懟保?#19981;用走太多弯路,相对要容易很多。


GF-5 AIUS观测数据及反演结果


而往后的发展我们可能要处于领航地位,这时候是没有参考、也没有航标的,一旦出现“偏航”所积累的技术成果和优势地位必将付之东流,其难度和压力可想而知。正如华为老总任正非先生在全国科技创新大会上所言:“华为正在本行业逐步攻入无人区,处在无人领航,无既定规则,无人跟随的困境。华为跟着人跑的‘机会主义’高速度,会逐步慢下来,创立引导理论的责?#25105;?#32463;到来?#20445;?#25105;们也同样要面临这个问题。


这个时候,高光谱遥感要在更高的光谱维、空间维的分辨率、信噪比以及更高的时效性上实现突破,不但要有超前的技术能力,还需要新的体制和理论来支撑,才能肩负起科技领航的历史使命。创新的意义也就不?#36828;?#21947;,所以唯有“创新”才能革新现有高光谱遥感技术能力、探测体制以及理论体系的发展,才能满足未来高光谱遥感的需求,也唯有“创新”才能引领高光谱遥?#34892;?#19994;的发展。


请问您觉得技术创新发展之路上,最大的关键词是什么?您是怎么理解的?


对于“专注”的重要程度,国内外名家都有阐述。比如荀子在?#24230;?#23398;》中说:“蚓无爪牙之利,筋骨之强,上食埃土,下饮黄泉,用心一也。”马可·吐温曾说过:“人的思想是了不起的,只要专注于某一项事业,就一定会做出使自己感到吃惊的成绩来。”都是说做事要专注。


我认为目前搞技术创新,最需要的也是专注,就是要心无旁骛地沉下心来做事情。“专注”主要体现在两个方面:


一是体现在研究的长期性,尤其是对高光谱遥感来说,它是个系统工程,更需要长期的?#20013;?#30340;研究。比如说,我们高光谱技术团队,成立于2006年,以高分五号AIUS为契机开始了基于时间调制的傅里叶变换光谱技术的相关研究,到目前为止已经接近13年了。这期间,我们就做了一件事,就是发展星载高光谱遥感技术,从零起步到目前有高分五号AIUS?#22836;?#20113;三号GAS两台载荷的在轨运行,中间经历了从原理理论、技术体制、产品研制、试验测试等大量的研究,也铸就了国内首台基于掩星探测模式的光谱分辨率最高的红外高光谱遥感载荷。


二是体现在对专业技术的执着追求。专业技术是发展的基石,也是创新的来源和创新的主体。要以水滴石穿、持之以恒的态度和?#36884;ⅲ?#25191;着追求专业技术,并将它做到极致。在我们从事的这个系统工程的行业中,对专业技术的需求更加广?#28023;?#21253;括光、机、电、算、热等各个专业以及它们之间相互交叉形成的新的技术点,还有地面与空间环境的差异性,如温度差异、空间辐照特性等等,都需要进行系统的、细致的研究,才能保证产品在天上甚至极端恶劣的环境下正常工作,不出问题。正是对这些专业技术的深入研究,才涌现出许多新的技术、新的方法,践行?#26049;?#21457;展中创新、在创新中发展的基本理念,解决了一个又一个的?#23548;?#38382;题,保障着仪器在轨可靠、稳定的运行。


那么在创新发展之路上您有哪些体会愿意与大家分享?

我认为,在创新发展这条道路上,除了之前所说的需要极大的专注外,还有一些体会,对创新发展都很重要。


首先,提高创新意识,坚持创新是发展的第一驱动力。任何创新都不是无水之源、无本之木,要重视总结前人的经验教训,善于借鉴前人的创新工作,在前人的知识、经验和智慧的基础上去创新,可?#21592;?#20813;很多不必要的麻?#24120;?#23569;走一些弯路。对高光谱遥感方面的创新尤为如此,因为它是系统工程,有很多前人的经验在里面。


其?#21361;?#37319;取开放态度,放眼领域全局。正如前面所说,创新需要前人的基础,要站在巨人的肩膀上才能百尺竿头更进一步。在进行创新工作时,需要采取更加开放的态度,对领域内相关技术兼容并包,博采百?#36965;?#21462;其之长,不宜故步自封;也要着眼全局、着手细节,脚踏实地地做创新工作,不宜只见树木不见森林,也切忌眼高手低、好高骛远。


第三,关注行业动态,规划远景目标。对行业发展的前沿思想、科技动态等要有足够的敏?#34892;裕?#21450;时关注、时刻把握发展方向,并对照自?#36965;?#22312;必要时调整创新途径,从而做到知己知彼,才能始终立于行业前头。对自身发展进行规划,提出发展的远期目标和近期目标,并在必要时进行校正和完善。我认为这一项工作?#27973;?#37325;要,它是自身发展道路的灯塔和罗盘,指引前进的方向。所以,我们大概每年要进行一次发展规划的制定或修正工作,同时也对行业前沿的动态和自身发展定位有更加深刻和清醒的认识,这对我们从事的这种系统性工作的创新尤为重要。


总而言之,创新贯穿于我们工作的始终,创新工作也需要我们重视从意识、态?#21462;?#30446;标到团队的每一个?#26041;冢?#25171;造一个具有创新战斗力的“高精尖”技术团队。


你觉得行业未来的发展,技术和市场会面临哪些挑战?

技术的进步自然是遥?#34892;?#19994;发展的天然推动力。比如光电成像器件的出现直接推动了光学遥感器从胶片返回式到成像数传式的跳跃发展;再比如激光器的出现和数字技术的发展使得基于干涉分光的傅里叶变换光谱仪进入实用,甚?#37327;梢源?#36733;到卫星应用。在大气探测领域也出现了一些新技术,如激光光丝技术和光频梳技术等,它们有潜力成为本行业的新体制遥感器,我们?#38431;?#21644;?#24403;?#36825;些新技术挑战。


另一方面,市场需求是遥?#34892;?#19994;可?#20013;?#21457;展的源泉。现在我们正在进入一个“小卫星,大时代”的节点,小卫星和微纳卫星遥?#34892;?#24231;具有轻量化、低成本、高性价比的特点,可获得更多样化和更高时效性的遥?#34892;?#24687;,满足市场的快速、多样化需求。目前我国已出现众多民营卫星企业,遥感器也正向小巧、智能化方向快速发展,这既是对传统遥?#34892;?#19994;的挑战也是机遇,相信在不断扩大的市场需求、强大的民营?#26102;?#21644;万众创新?#23548;?#30340;推动下,卫星遥?#34892;?#19994;将迎来飞速的发展。


祝福&寄语

中国国际光电博览会CIOE是极具规模及影响力的光电产业综合性展会,覆盖光通信、激光、红外、传感、数据?#34892;?#31561;众多光电产业链版块,其规模之大令人叹服,其影响之广令人钦佩!


自1999年创办以来?#20004;瘢?#24050;有二十余年,对中国光电事业发展做出了极大贡?#31069;?#21516;时也推动着国际光电事业加速向前发展。我们祝福CIOE越来越大、越做越精、?#38454;?#36234;好!同时也希望在CIOE上能看到更多的卫星遥感元素,让大众能够更多的了解和参与卫星遥感事业的发展!


光博君说

卫星遥感作为获取空间地理、地物信息的重要手?#21361;?#21457;挥的作用日益显著,同时国家“一带一路”倡议明确提出实现卫星信息互通,为我国商业遥感的国际化发展也带来了新的机遇。由此可见,商业遥感卫星市场未来必将走向?#27604;佟?#20294;我国高分辨率以及甚高分辨率商业遥感技术还处于起步阶?#21361;?#22312;遥感数据应用方面也还有很长一段距离要走。


而我们的科技创新之路上,正需要有像侯博这样心无旁骛地沉下心来做事情,专注研究的长期性,专注对专业技术执着追求的一批研究学者。才能更好的推动高光谱卫星大数据的产业化应用,开启定量遥感的新时代!


CIOE中国光博会启动【光电,与时代同行】专题栏目,聚焦光电行业及其应用领域中在研发、技术等岗位上的不断钻研技术、创新以及与时俱进的追光人,分享行业经验及技术干货。


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