【編者按】日前，遙感學院舉辦“青年教師培育計劃”啟動暨科研經驗分享交流會，中國科學院院士、學院教授委員會主任龔健雅教授以“為核心關鍵技術攻關、為未來發展鋪路”為題做了前沿科技報告，指出了當前測繪遙感相關領域的一些關鍵核心技術，強調了學科交叉與技術變革的聯系，勉勵青年教師瞄準科技前沿，探索未知領域，攻關核心技術。應廣大師生需求，現將報告錄音整理，供師生學習參考。
為核心技術攻關，為未來發展鋪路
遙感學院領導幾次與我交流，希望我與院里的年輕老師談談個人成長和科學研究的一些問題，我也一直想跟大家聊聊。今天我借這個機會與大家談談遙感學科的發展，以及我們年輕人如何在當前遙感學科大發展的形勢下找準研究方向，承擔起攻克遙感領域的核心技術難題，引領未來發展的一些想法。
我們作為身處“世界第一”遙感學科的年輕老師，要有更大的志向，要有引領世界遙感學科發展的氣概，站位要高，要找準學科發展的核心問題?？傮w來說，要為當前核心技術攻關，為未來發展鋪路。
一、為核心技術攻關
為什么說目前要為核心技術攻關呢？因為遙感是一個工科，是一個對地球及其環境感知與分析的學科，我們現在面臨很多問題，而且是國家層面的一些問題，亟需我們這一代人去解決。我認為測繪遙感是一門信息感知技術，雖然主要用于地學研究，但是它的技術體系屬于信息技術范疇。所以我希望遙感學科以后更多地與信息學科融合，把它作為信息技術的前端—信息感知技術。大家可能感覺到了我們遙感學院的學生現在到信息領域工作的人數更多了。我們傳統測繪的人都轉向了地理信息，地理信息實際上就是一門信息技術。那么現在信息技術里有哪些關鍵核心技術呢？信息技術包括信息獲取、處理、傳輸、管理與應用，現在信息傳輸（通信），信息管理（數據庫與云服務）已經發展得很好了，信息處理硬件（高性能計算）也發展得不錯（當然國產芯片也是一個卡脖子的問題），而信息獲?。ǜ兄┡c處理還有很多瓶頸，有待我們遙感領域的專家和信息領域的專家共同努力。下面我就談一談當前我們需要盡快攻克的幾個核心關鍵技術問題。當然我總結的并不是太全，我把想法提出來跟大家交流一下。
1.無地面控制高精度測圖
第一個問題就是全球測圖。全球測圖的一個最核心的問題是境外無地面控制高精度測量。我們知道國內用攝影測量與遙感方法測圖基本上沒有太大問題，只不過是自動化程度的高低而已。但是中國作為大國，應該有全球視野，必須了解全球的地理信息。但到國外測量，我們出不去，依靠我們自主的遙感測繪衛星，在無需境外控制點的情況下，能否測量得到滿足精度要求的地圖，是一個核心關鍵問題。我們在論證第一顆民用測圖衛星--資源三號的需求與參數時就認真分析了資源三號用于境外無地面控制測圖的可能性與精度要求。資源三號衛星發射以后，我們利用資源三號衛星數據做了一些實驗，無地面控制的測量結果相當不錯。所以我那時候就向發改委申請了一個重大項目，主要目的就是利用國產衛星做境外的高精度測量。從2013年開始，我們開始組織團隊，突破核心關鍵技術，得到的結果非常好。我們馬上給有關領導匯報，得到國家有關部門的大力支持，全球地理信息資源建設項目獲得國家立項，一年投入幾個億，由國家測繪局（自然資源部）來組織生產，一年可以生產兩千萬平方公里以上的地圖數據。
做科研要看到哪些是影響我們整個國家的核心技術。 我們現在境外無地面控制衛星測圖的精度可以達到5米。比以前是一個很大的進步，但還沒有真正解決問題?，F在國外商業遙感衛星自主定位精度達到了3米，發達國家軍事衛星的定位精度就更高了。我們現在很多應用需求要求達到2米的精度，甚至更高。將遙感衛星自主定位精度提高到2米以上是一個非常有難度的挑戰，很多工業部門不敢做。我們要敢于迎接這個挑戰，已經提出來在宇航研究院研發一顆高精度測繪遙感衛星--珞珈三號02星。當然這有很大難度，也有很多的爭議，認為國家投入了那么多錢做大衛星也沒有達到這樣的精度，認為我們的低成本小衛星很難達到這一要求。但是我想，以前的衛星沒有達到這樣的精度，不等于我們不敢去想，只有我們敢想敢試，我們才有機會達到那個目標。15年以前，我們在論證設計資源三號衛星的時候，也沒有誰敢想境外測圖能夠達到5米的精度。當年我們論證資源三號衛星的時候，衛星遙感無地面控制定位精度大概是300多米，認為到達5米精度是不可能的。但在論證資源三號衛星的幾年時間里，我們非常認真地論證了影響衛星影像定位精度的各種因素，以及控制指標和方法，把所有問題討論清楚，最后在航天科技集團努力下，把資源三號衛星做得很棒，并有了很多技術創新，達到了無地面控制測量5米左右的精度，得到了國家科技進步一等獎。那么我們下一步要做到什么程度？我目前的想法是希望未來我們武漢大學的技術加上航天部門的技術能夠將衛星遙感影像的自主定位精度達到2米，如果我們武漢大學老師都不敢去想去做的話，其他人就更加困難。要敢于去想、去做真正卡我們脖子的事情，想想能不能有效解決。
2.遙感影像智能識別與解譯
第二個亟待解決的問題是遙感影像的智能識別與解譯。深度學習方法用于通用圖像的自動識別最近幾年取得重大進展，人臉識別等技術得到廣泛應用。深度學習方法在2013年左右就開始引入遙感影像的智能解譯，研究發表了很多文章，但是，到目前為止該技術仍然沒有得到大規模應用。我認為我們要認真分析其原因，找到問題的癥結，力圖解決。目前我們遙感領域使用深度學習方法都是用的現有計算機視覺領域的理論和算法包括網絡框架。但是，遙感還是有其特殊性。首先，遙感的樣本與計算機視覺使用的樣本有很大的差別，遙感不僅有大量光譜信息，而且對時態和區域特別敏感，例如三月份廣東和三月份東北的遙感影像大不一樣，特別是植被影像相差很大。如果采用計算機視覺領域現有的方法建立遙感樣本庫，將無法顧及樣本的時態和區域等問題。第二個問題是深度學習網絡框架。深度學習現在有很多框架，包括Google的TensorFlow、Facebook的Pytorch、百度的PaddlePaddle、華為的MindSpore等，這些框架對于通用圖像的處理和支撐能力還是不錯的，在人臉識別等方面得到廣泛應用。但在遙感方面的應用就存在很大的問題，這些框架不支持海量數據的學習，比如一個20000*20000的影像沒辦法直接應用這些框架進行機器學習，需要將影像切成小塊，這樣對影像的上下文表達就存在問題，另外，多光譜影像一般也需要轉換成RGB彩色影像才能應用。高光譜影像用現有的框架也很不方便。為此，去年我們申請了基金委重大計劃“空間信息網絡”的一個集成項目，我們七八個教授參與該項目。我們將建立一個全球最大的規范化的遙感樣本庫，能夠顧及時態、區域特征和各種影像特征。同時，我們要從底層開發一個遙感智能解譯的專用深度學習框架，使之具有內存可擴展，尺度通道可靈活創建等特征，解決大幅面和高光譜等遙感影像的深度學習問題。要從底層開發一個深度學習專用網絡是一個很難的課題，許多人認為我們不可能做得出來。我們不是說我們一定能夠成功，但起碼我們要試一試。如果武漢大學遙感學院不敢做也做不出來的話，全世界就沒有誰能夠組織起來做了。我們武大遙感院的年輕人要能夠想一些大的事情，做看似不可能的事，解決國家乃至整個學科發展的一些瓶頸問題。這一次，我們組織了7、8個教授，上十位博士和博士后研究開發遙感樣本庫和遙感專用網絡框架，我希望遙感學院更多老師和學生能夠參與和應用這個樣本庫和框架。未來我們的遙感學院有個專門用于機器學習的樣本庫，命名為LuojiaSet，和一個遙感智能解譯的專用機器學習框架，命名為LuojiaNet。有了這個基礎，我們今后就可以在這上面做更多的事情，在智能遙感方面起引領作用。
3.定量遙感與碳匯估算
定量遙感被形容為遙感研究的明珠，它可以通過遙感數據反演大氣、海洋、陸表生態與環境等各種物理參量，在生態環境監測與全球變化研究等方面得到廣泛應用，其中碳源碳匯的精確計算是當前國家的重大需求。我們國家提出要在2030年前實現碳達峰，2060年實現碳中和。在碳匯方面，一個非常有潛力的方法是遙感方法。但是非常遺憾的是我們國家的碳匯估算沒有用到遙感方法估算的結果。雖然遙感碳匯估算做了很多研究，但是國家層面并沒有直接用這些數據，因為我們并沒有拿出一個國家層面的高分辨率、高精度遙感碳匯數據。這方面不如澳大利亞，從2000年開始，澳大利亞科學院每年利用30m分辨率LandSat衛星遙感影像及地面參考數據計算整個澳大利亞的森林、農地、草地等地表要素的碳源碳匯，其結果用于國際談判。我國作為一個遙感大國，到現在也沒有拿出一個全國基于遙感的陸表碳匯年度變化結果，我們中國遙感界實在不好意思。當然這是國家工程，需要一定的經費投入。但是，我國基于遙感數據開展高分辨率、高精度陸表碳匯估算方法與流程還沒有達到實用和可操作的水平。澳大利亞從人口上說是一個小國，幾千萬人，每年都有一個陸地碳匯清算的清單。他們一年花幾百萬澳元就可以計算出30*30米分辨率的陸表碳儲量及變化量，而我們目前僅能通過模型和一些樣地數據粗略估算。我希望我們遙感學院能夠集中力量解決這樣問題，盡快拿出高分辨率、高精度陸表碳匯遙感估算方法和系統，并進行較大規模的示范應用，然后在全國推廣應用。實際上澳大利亞那個遙感碳匯系統也是我們學院一個在澳大利亞科學院工作的校友主持開發的，我們武大遙感學院和測繪遙感信息工程國家重點實驗室應該有這個自信開發這樣的系統。
4.室內導航與室內GIS
第四個問題是室內導航。室外導航我們做得不錯，中國的室外導航系統不亞于美國的Google導航系統、微軟的導航系統，但是我們的室內導航還沒有實現，當然美國室內導航也好不了多少。但是，這是我們空間信息領域的一個重要研究方向。在“十三五”期間，國家設立了重點研發項目，有幾個團隊在做室內導航，但做出來的技術能不能推廣很難說，因為涉及到很多問題，除了室內導航定位的信源外，還有室內三維GIS構建問題。這個問題應該屬于遙感學科的三維GIS，即如何用攝影測量與遙感方法快速構建室內三維GIS。目前導航定位的方案很多，但是室內高效建模方法還有待突破。我們到大型商場，大型停車場，就不知道怎么找路，車停在哪里，迫切需要室內三維GIS和室內導航，我們應該著力解決這一瓶頸問題。
5.無人駕駛系統
第五個是無人駕駛系統的問題。與人和動物一樣，任何一個無人系統都需要眼睛—視覺系統，而我們攝影測量就是研究利用立體影像進行三維測量的，實際上我們的空中三角測量就是與視覺導航與定位（SLAM）的原理相似，所以智能無人系統是我們攝影測量發展的一個重要方向。雖然計算機領域也把無人駕駛系統作為他們的重要方向，但是我們也要積極參與，如果我們不積極努力，就可能失去這一方向。十多年前，測繪遙感信息工程國家重點實驗室李清泉團隊開始開展自動駕駛研究，我非常支持，取得了一些重要成果。雖然我們研發的系統還沒有達到商用水平，現在與那些大公司相比有些差距，但是研究的很多關鍵技術推動了智能駕駛汽車技術發展。無人駕駛汽車的核心關鍵技術是實時可靠的視覺導航，這個可以理解為我們的實時攝影測量，目前在實時性和可靠性方面還有大的差距，這個有賴于算法和算力的重大突破。無論是基于視覺導航的無人駕駛系統還是基于激光的無人駕駛系統都與我們攝影測量與遙感技術相關，我們都要積極參與，發展一些新的算法，尋求突破，使人類早點進入無人駕駛時代。
無人系統發展的另一個重要方向是多無人系統的協同?，F在大家都聚焦在單臺車或者單架無人機的自動駕駛問題。對于多個無人系統目前研究還很少。多個無人系統自動分配任務，自動規劃工作方案，自動避免相互碰撞，實際上是一個非常大的問題。這也是我最近幾年一直在呼吁的研究方向。希望我們遙感院的年輕老師，特別是一些在計算機視覺方面有較好基礎的老師，關注多無人系統的協同工作問題。這是未來發展的重點和前沿方向，不要僅盯住單一無人系統的導航問題。我認為單個無人系統導航和自動駕駛問題可能近幾年會得到解決。但是幾百個、成千上萬個無人系統，不同類型的無人系統，自動地協同工作，特別是協同作戰，是一個有待克服的難題。最近看到一個消息：美國DARPA在做一個試驗，三百多個無人系統給定一個任務做聯合協同作戰。在我們測量領域，假如給你一個測圖任務，飛出去五架無人機，不用人去分配測圖任務，無人機會自動協同完成工作。這是一個很有挑戰、也很有前景的研究方向。
6.水下地形與目標探測
第六個問題是水下地形與目標的探測。水下地形與目標探測一直是我們國家的一個痛點。水下地形與目標的探測一般采用聲學方法，這也是遙感，但是我們一般很少涉及。另一種方法是激光雷達，這個與我們學科更緊密一些。激光雷達用于淺海地形測量和和目標探測是未來發展的一個重要方向，因為用船載聲納系統對淺海測量容易擱淺，主動聲納探測潛艇等目標又容易被發現。但是目前機載激光探深還有沒有大的突破，藍綠激光目前至多能夠探深至30-50米，在一些清澈水體的淺海地形測量還可以，但是對于200-300 以下的探測就無能為力。有沒有可能采用新的激光光源或者激光探測體制突破兩百米甚至三百米探測距離。如果能夠突破，這個技術將會是顛覆性的，可能需要想一個完全新的思路。希望我們的年輕老師，特別是搞激光雷達硬件的老師能夠靜下心來，努力攻這個關。
二、為未來發展鋪路
我前面已經談過，遙感是信息的感知技術，任何事物和環境只要需要感知，我們可以都去考慮。我前面講的問題是對現有需求和關鍵核心技術攻關。我也鼓勵和支持我們年輕人多搞些沙龍和學術研討。但是我們可能要更寬一些思路，不要在一個原有的方法上面打轉轉，打轉轉有些東西可能永遠也轉不出來。我希望更多的學術沙龍探索未來技術的發展，特別是我們武漢大學的年輕老師要有這種勇氣和情懷，向那些未知的、現在還沒有感覺到科學領域探索，勇于提出我們的想法，這樣才能引領國際遙感發展。
下面我談談為未來發展鋪路的問題。有些技術目前還感覺不到是瓶頸問題，甚至國際上也沒有，但是發展這個技術可以造福人類。我們要有馬斯克的那種敢闖敢想的精神。我認為如果世界上多有幾個馬斯克，這個世界會變得更多更快。最近有一個說法，現在社會的技術進步是靠少數科技精英引領推動的，這是在承認天才創造世界。當然我們每個人不可能像馬斯克有特殊天才。但是，我們可以學習他那種思想，根據現有的一些基本原理，突破關鍵技術，為未來發展鋪路。馬斯克要進入航天領域，發現火箭是一大瓶頸，成本高，可靠性低。結果他發展了火箭回收技術?；鸺F是貴在火箭發動機，一次發射就報廢了，他經過多年研究和試驗，終于解決了火箭回收問題，現在SpaceX重復使用的火箭已經超過10多次了，大大降低了成本。以前做火箭的人誰也沒想到，火箭扔出去了還能收回來重復使用。馬斯克很多做法顛覆了我們的常規想法?，F在他又在計劃要把人移民到火星上去，我相信他能夠實現移民火星的夢想，因為火星上有大氣和水，雖然很稀少，但是我相信他有辦法解決人類在火星上的生存問題。
馬斯克第二個震撼人類的事就是要發射幾萬顆衛星。以前大家覺得他是在做夢，發四萬多顆衛星，是一個天方夜譚的想法。但現在看來他這個想法能實現，目前SpaceX一個火箭可以重復使用十多次，一箭可以發60多個衛星，一個星期可以發一發火箭，目前已發射了1000多個衛星。他的很多想法就是我們常人不敢想的。當然他有錢，他也有號召力，不能與他相比。但我們作為年輕人也需要多想一些大事難事，提出一些根據現有知識和技術能夠實現的“超現實”想法。例如，把手機發展成千里眼，這就是我們李德仁院士提出來的通導遙一體化。我們現在覺得手機照相功能顛覆了我們的生活，走到哪里照到哪里。那我們能不能用手機通過衛星想照哪里就照哪里呢？很多人覺得這不現實，需要的衛星太多。馬斯克計劃發射四萬多顆衛星，我們怎么不敢去想呢？如果我們的手機能夠像現在照相一樣，可以隨時獲得任何一個地方的影像，那多有意思。例如，雖然我現在不在美國，但我想看看白宮前面的聚會，照兩張像片，拍兩段視頻，多有趣的事，而且可能成為一個巨大的產業。這些是我們這個專業還能想的，甚至有機會實現的新技術，我們要拓寬視野，放飛夢想。
第三個是關于各種物質的透視感知。我們搞遙感的，現在大都局限在可見光的范圍內，覺得眼睛能見到的就能得到成像。但現在很多技術都在顛覆我們的想法。夜光、微光、紅外、微波成像技術已經普及應用了，使我們能在黑夜人眼看不到的時候也能夠成像。最近，有一些新的成像技術發展很快，特別生物和醫學成像技術突飛猛進，使人們能夠更細致地觀測到微觀世界。在對地遙感相關領域也有不少新的技術涌現。我最近看到一個報道，人在墻的這邊可以看到墻另一邊的目標，用的是激光進行折射成像的原理。另外，有報道說以色列有一個技術能夠通過衛星探測到水管哪里漏水，我覺得這個太神奇，這樣的話，我們的衛星遙感將拓展很多應用?？偠灾?，我們的遙感技術還有很大的發展空間。
另一個需要特別關注的領域是交叉學科可能引起一些新的技術變革。有一些原理可能已經有了，通過學科交叉，思想討論和碰撞可以把這些原理利用到其他方面。最近，劉經南院士一直倡導將導航信號來用于遙感。SAR的原理就是發射無線電信號以后接收反射信號，然后成像。而導航信號一直在發射，用衛星導航的反射信號作為遙感信息源GNSS-R現在成為遙感和導航一個新的研究方向，科技部“十四五”的科技規劃將會設立一個GNNSS-R重點研發項目。同樣，通訊衛星信號也時時在發射，馬斯克已經發了1000多顆低軌通信衛星，我們國家的星網公司也計劃發射幾百可低軌通信衛星，這些通信信號是否可以拿來做遙感，也是我們值得探討的問題。低軌通信衛星離地面更近，反射和散射信號可能更強，而且衛星數量多得多，如果我們能用這些通信衛星的反射和散射信號做遙感，將會開辟一個新的重要的研究方向。
發射幾千上萬顆衛星已經不是未來的夢，大概也就是十年之內可能實現的事。天上布滿了成千上萬顆通導遙一體化的衛星之后，我們就可以對全球任意目標進行實時感知。這也是我們迫切需要研究的一個問題。遙感已經從普查、詳查、監測發展到實時監視。所以我希望我們一些年輕老師能夠投入到遙感監視的研究方向，我認為這是一個大有發展前景的方向。
今天我來與大家交流，順便談了一些我對遙感學科發展的一些想法，是否對，請大家批評指正。希望年輕老師能夠把目光看得遠一些，我們的研究既要面向國家急需的核心關鍵技術，也要面向未來的發展。
