用遙感支起海洋的風(fēng)帆
——記中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所李曉明研究員

本刊記者 宋 潔

參加2016年TerraSAR-X/TanDEM-X 科學(xué)會議

海洋,占全球總面積的71%之多，不僅蘊藏著豐富的資源，是人類生存與發(fā)展的“第二空間”，而且在整個地球系統(tǒng)中扮演中重要的角色。長期以來，人類對于海洋的探索從未停止，對其的了解也在逐步加深，但相較于對陸地的認知，卻仍然處于“初級階段”。而對我國來說，加強對海洋環(huán)境的監(jiān)測與保護和海洋資源的開發(fā)與利用，是實現(xiàn)我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保證。中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所研究員李曉明，也肩負著這樣的使命感，他以衛(wèi)星海洋遙感為手段，循著大海的足跡，踏上了“探測者”的征程。

走上海洋遙感之路

對海洋認知來說，觀測是一種極為重要的手段，從原始的肉眼觀測到如今的智能化浮標、水下滑翔機、自動觀測站、岸基雷達和衛(wèi)星遙感等，人類對于海洋的觀測正在逐步實現(xiàn)立體化，這是使得海洋“透明化”的關(guān)鍵之舉。在諸多觀測手段中，衛(wèi)星遙感發(fā)揮著舉足輕重的作用。

衛(wèi)星海洋遙感根據(jù)其所攜帶的傳感器不同，一般分為微波和光學(xué)兩大類。微波可以穿透云層，且不受光照條件影響，因此可以實現(xiàn)對海洋的全天候、全天時的觀測。相對于其它主動微波遙感傳感器，星載合成孔徑雷達具有高空間分辨率的突出優(yōu)勢，這就決定了利用它可以實現(xiàn)對海洋的宏觀和微觀觀測，用科學(xué)的語言講就是可以研究不同空間尺度的海洋動力過程。

“我目前的研究重點主要是在衛(wèi)星微波海洋遙感方向上，更具體的講就是利用星載合成孔徑雷達開展對海洋的觀測和研究。合成孔徑雷達海洋遙感可以說是衛(wèi)星海洋遙感領(lǐng)域最具有挑戰(zhàn)性的研究方向，即便經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，仍然有諸多尚未解決的科學(xué)問題。這也是十幾年來它一直吸引我不斷鉆研的動力。”提到衛(wèi)星微波海洋遙感，李曉明仿佛一下打開了話匣子?！昂喍灾环矫嫖蚁Ｍㄟ^雷達數(shù)據(jù)獲取海洋的動力學(xué)要素，比如海面風(fēng)場、海浪等，另一方面是希望通過雷達觀測更深入地認知海洋的動力過程，就是關(guān)于海洋是如何運動及變化的?！?/p>

2002年，李曉明考入中國海洋大學(xué)海洋遙感教育部重點實驗室，師從我國衛(wèi)星海洋遙感事業(yè)開拓者之一的賀明霞教授。然而，在星載合成孔徑雷達海洋遙感這扇新的大門前，他卻遲遲沒能叩門而入。初遇挫折也深深困擾著李曉明，直到2004年冬天才出現(xiàn)轉(zhuǎn)機。那時，賀明霞教授與德國有一些科研合作項目，李曉明隨同前往德國漢堡大學(xué)開展合作研究。短短兩個月，李曉明收獲頗豐，對德國的科研和生活環(huán)境也留下了良好的印象，在他心中漸漸萌發(fā)出出國留學(xué)的念頭，但缺少的只是一個機會。幸運的是，2006年德國空間宇航中心(DLR)的Susanne Lehner博士同意接收李曉明作為博士研究生，而且研究課題和他前期所做的研究也有很強的關(guān)聯(lián)性，這給了李曉明很大的信心與鼓勵。

2006年6月，李曉明便開始了在德國接近八年的學(xué)習(xí)和工作。初到異國他鄉(xiāng)的李曉明少了些許浮躁的心情，很快便融入到了Lehner博士團隊的科研中，也取得了高效成果。德國規(guī)定只有高等院校才有授予博士學(xué)位的資格，因此，在Lehner博士的幫助下，德國漢堡大學(xué)教授、馬普氣象研究所前任所長Hartmut Grassl教授擔(dān)任李曉明的合作導(dǎo)師。雖然李曉明和Grassl教授接觸不多，但在最后論文撰寫階段，他給了李曉明相當(dāng)多的建議，并對博士論文進行逐字、逐行修改。2010年1月，李曉明在德國漢堡大學(xué)完成了博士論文答辯，獲得了理學(xué)博士學(xué)位。

“德國傳統(tǒng)的博士階段教育讓我受益匪淺，這種師徒制、一對一的、相互間互動非常頻繁的交流模式帶給我不知疲倦的樂趣，我還有幸參加了各類衛(wèi)星遙感領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研討會。可以說，在德國讀博士的那幾年，讓我的科學(xué)眼界有了一個跨越性的提高?！崩顣悦髡f道。

2015年東海實驗合照

小雷達探測出海洋大世界

在德國學(xué)習(xí)與工作期間，李曉明參與了德國聯(lián)邦教育和研究部、德國聯(lián)邦經(jīng)濟與科技部、歐洲空間局、歐盟FP7的多項科研項目，在星載合成孔徑雷達海浪與海面風(fēng)場遙感取得了突出的科研成果。

星載SAR海浪反演是SAR海洋遙感研究起步最早也是最基礎(chǔ)的研究內(nèi)容之一。多年來，國內(nèi)外幾代科學(xué)家都曾致力于理解SAR海浪成像機理并建立相應(yīng)的反演模式，希望利用高空間分辨率的星載合成孔徑雷達獲取海浪二維方向譜和海浪參數(shù)。但由于非線性反演需要外界提供第一猜測譜信息，因此在一定程度上阻礙了SAR波模式數(shù)據(jù)作為獨立的觀測源應(yīng)用于全球海浪遙感研究。針對這一技術(shù)性瓶頸問題，李曉明建立了參數(shù)化模型CWAVE_ENV。通過實驗，該模型在不需要第一猜測譜的情況下，不僅可以在中低海況準確地反演獲取海浪要素，在高海況，甚至極端海況條件下都能夠得到較為理想的反演結(jié)果。

Terra SAR-X、TanDEM-X和 Cosmo-Sky Med等米級空間分辨率X波段星載合成孔徑雷達在2007年相繼發(fā)射，并提供了一系列高質(zhì)量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)星載SAR來說，米級分辨率SAR的出現(xiàn)，可以說為星載SAR的海洋遙感研究打開了一扇新的“窗戶”。由于諸多星載SAR海洋動力研究都是依賴于準確可靠的海面風(fēng)場反演，因此，實現(xiàn)X波段星載SAR的海面風(fēng)場反演成為李曉明著重考慮的問題。有困難就會有對策，針對此問題，李曉明建立了X波段星載SAR海面風(fēng)場非線性反演地球物理模式函數(shù)，科學(xué)地解決了利用高分辨率X波段星載SAR反演高精度海面風(fēng)場的難題。值得一提的是，李曉明建立的X波段星載合成孔徑雷達海面風(fēng)場反演的非線性地球物理模式函數(shù)及相應(yīng)的反演流程，已在DLR地面衛(wèi)星接收站用于業(yè)務(wù)化運行，為星載合成孔徑雷達海洋觀測業(yè)務(wù)化應(yīng)用做出了重要的貢獻。

在國外多年，李曉明得到了極大的鍛煉，經(jīng)過幾年的奮斗，他在工作、生活方面都已經(jīng)非常穩(wěn)定。但在風(fēng)平浪靜的背后，總要有些許挑戰(zhàn)人生才會更加完整。2013年，李曉明在北京參加第35屆國際環(huán)境遙感大會期間，萌生了回國的想法?！拔耶?dāng)時內(nèi)心最真實的想法就是能夠為我們國家、為我們的民族做出一點貢獻，這是我應(yīng)盡的義務(wù)。哪怕回國后只是做一點微不足道的工作，也只求踏踏實實，無愧于內(nèi)心。”李曉明表示。盡管DLR遙感技術(shù)研究所所長Richard Bamler教授和Lehner博士提出了提供永久職位這樣具有相當(dāng)吸引力的條件，但他最終還是選擇了回國。

“回國后，我也沒有任何不適應(yīng)。我一直認為如果你把所經(jīng)歷的都看作困難，你肯定會不適應(yīng)，但搞科研就是要全身心投入；雖然有一些情況你可能知之甚少，但只要肯多加了解，因地制宜，情況總會變好的?！崩顣悦髡劦交貒蟮那闆r時說道。

回國后的工作和生活可謂是開啟了李曉明的新篇章。近年來，在利用新的星載合成孔徑雷達技術(shù)觀測海洋應(yīng)用方面處于快速發(fā)展的狀態(tài)，在中科院“百人計劃”支持下，李曉明帶領(lǐng)課題組圍繞星載合成孔徑雷達海洋遙感開展了系列研究，堅持核心研究方向，持久性地對反演的機理與方法進行研究，但又不僅僅局限于反演，亦開展了海洋多尺度動力過程研究，做出了一些具有創(chuàng)新性的研究成果，獲得了國內(nèi)外同行的認可。在2015年他還同時獲得國家自然科學(xué)基金青年基金和面上項目的資助。

“當(dāng)我在國際高水平學(xué)術(shù)研討會上做報告時，又或者在國際高水平雜志上發(fā)表科技論文時，能夠署名‘中國’兩個字，那種自豪感是任何都無法替代的。那一刻我感到所有的困難和艱辛在取得的成果面前都已經(jīng)微不足道，這更是一直支持我、激勵我前進的動力?！崩顣悦饕舱潜е@種想法用小小的雷達觀測出海洋的大世界。

李曉明研究員課題組合照

教書育人，鏗鏘前行

科研不是一蹴而就，攻克也需要時間的見證，如同教學(xué)，兩者都會相得益彰。李曉明自回國后，基本上全部的精力都投入到科研、團隊建設(shè)和研究生培養(yǎng)工作。研究生培養(yǎng)是他極為看重的一個方面，他認為任何科研事業(yè)都需要后繼有人，下一代的學(xué)生就是我們國家未來科研事業(yè)的基石。從本科生到研究生是一個非常大的跨越，而碩士研究生的培養(yǎng)又不同于博士研究生。他以“鐵杵磨成針”的精神從點點滴滴積累，一步步做起，為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)煞費苦心。“因為我自己體驗過國內(nèi)外科研教育的不同，即便我在研究生培養(yǎng)過程中盡可能的采用一些國外研究生培養(yǎng)的方式，但是很多內(nèi)涵是可意會而不可言傳的，需要學(xué)生親自設(shè)身處地地去了解、去感受。所以，我非常支持我的研究生畢業(yè)后去國外深造，也會幫學(xué)生聯(lián)系國外讀博士的導(dǎo)師，希望他們能夠有機會去體驗發(fā)達國家科研的內(nèi)涵，將來回國為祖國的科研事業(yè)做出貢獻?！崩顣悦髟谡劦饺绾慰创芯可厴I(yè)后出國的問題上講道?！拔蚁耄覀兊膭?chuàng)新應(yīng)該建立在長時間踏踏實實的研究基礎(chǔ)上，而不是一心想著為創(chuàng)新而創(chuàng)新。在科學(xué)研究問題上，基礎(chǔ)沒打好，細節(jié)沒做好，就一門心思去考慮創(chuàng)新，在我看來是不現(xiàn)實的?！痹谡劶把芯可鷤兂３＠Щ笥诤螢椤皩W(xué)術(shù)創(chuàng)新”的問題上，李曉明也談到了自己的感想。

在談及下一步的計劃，李曉明說，我們團隊現(xiàn)在的科研聚焦點轉(zhuǎn)到了南海。目前中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所設(shè)有3個衛(wèi)星地面接收站，其中一個設(shè)在三亞。建設(shè)三亞站的目的就是實現(xiàn)覆蓋我國南海和東南亞地區(qū)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收。在此基礎(chǔ)上，中科院遙感所成立了海南省地區(qū)觀測重點實驗室，實驗室一個戰(zhàn)略研究方向就是致力于南海的海洋遙感研究。李曉明目前在研的海南省自然科學(xué)基金創(chuàng)新團隊項目就是關(guān)于南海內(nèi)波遙感研究?！皟?nèi)波是一種非常重要的海洋學(xué)的現(xiàn)象，在南海發(fā)生頻率非常高，對我國水下潛器的航行安全影響很大，我主要是想對南海西北部尤其對海南到越南之間的內(nèi)波發(fā)生規(guī)律和機制進行深入探索，這一區(qū)域的內(nèi)波研究前期涉及的較少。”李曉明解釋道。

有了理論與基礎(chǔ)，不進行實踐只能是紙上談兵。除了基礎(chǔ)研究，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所在另一方面主要側(cè)重技術(shù)應(yīng)用。“我們希望加強對南海的管控和資源的開發(fā)利用，為此我們和海南大學(xué)、中國電子科技集團、海洋信息研究院等合作申請研究項目，通過遙感的新技術(shù)、新方式去研究獲取南海的海洋環(huán)境和島礁的信息，為我們了解南海、利用南海以及掌控南海都提供了重要依據(jù)和科學(xué)上的支撐?！薄暗牵覀儼l(fā)現(xiàn)雖然經(jīng)過這么多年的發(fā)展，相對于南海的廣闊和瞬息萬變，我們對南海衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取能力仍然較低，無法滿足需求?！币虼耍鳛槭紫茖W(xué)家，李曉明最近又投入到海南系列衛(wèi)星計劃的研究中?！拔覀兿Ｍㄟ^發(fā)射系列低緯度系列小衛(wèi)星，其中也包括星載合成孔徑雷達，實現(xiàn)對南海衛(wèi)星觀測的高頻次、大面積覆蓋，獲取更豐富的衛(wèi)星觀測資料。這是我們未來完全掌控南海的基礎(chǔ)！”談到這個衛(wèi)星計劃時，李曉明激動地說道。

“實事求是地講，通過這些年在國外的求學(xué)和工作，我知道我們國家的衛(wèi)星海洋遙感研究距離國際頂尖水平仍有較大差距。但是，正是意識到這種差距，才激勵著我不斷地前行。”李曉明沒有忘記過去，也在展望未來。今后，他依然會腳踏實地地走下去，這是他的堅持，更是他的堅守。