洪洋+尹穎堯+曹曉晨

授課老師：國家“千人計劃”特聘專家、北京大學(xué)博雅講席教授洪陽

課 程：《高瞻遠(yuǎn)矚遙感者 博大精深地信人》（遙感第一堂課）

時 間：9月13日上午8點(diǎn)00分～9點(diǎn)50分

地 點(diǎn)：北京大學(xué)理科教學(xué)樓404教室

學(xué) 生：北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院2017級地空5班新生

我有三個夢。

一是學(xué)術(shù)夢——建立世界一流科研團(tuán)隊。這個夢已經(jīng)實現(xiàn)了，不論是美國的科研團(tuán)隊、清華的科研團(tuán)隊，還是在北大要建立的科研團(tuán)隊，至少在遙感領(lǐng)域，我的科研團(tuán)隊是世界一流的。

二是中國夢——發(fā)展中國自己的衛(wèi)星遙感，實現(xiàn)遙感大數(shù)據(jù)+智能物聯(lián)網(wǎng)。

三是地球夢——世界和平、共享繁榮（world peace and shared prosperity）。

遙感（remote sensing），remote意為遙遠(yuǎn)，sensing是感知，遙感即遙遠(yuǎn)感知。

人眼，就是廣義上的遙感器（remote sensor）。

遙感是一門年輕學(xué)科，它提供了一個前所未有的對宇宙奧秘、對人類生存環(huán)境的觀測手段和能力。小到把不同的傳感器，即把紅外線、雷達(dá)等傳感器安裝在汽車上，汽車在行駛過程中能360度立體重構(gòu)周邊的景象；大到把傳感器安裝在飛機(jī)上，可大面積航拍；再大到把衛(wèi)星傳感器送入太空，可全方位觀測地球；還有很多傳感器，可再集成太陽系、銀河的圖形、顏色……我的美國宇航局同事約翰·馬瑟，借助傳感器觀測宇宙微波信息，發(fā)現(xiàn)“宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性”，推演宇宙大爆炸0～30秒間的過程，獲得了物理學(xué)諾貝爾獎。

遙感是一門綜合性學(xué)科，基于物理學(xué)，研發(fā)可以感知的傳感器（sensor）時，需要運(yùn)用電子學(xué)知識；把傳感器獲取的大量信息繁衍成產(chǎn)品時，需要計算機(jī)知識。

物質(zhì)世界數(shù)字化

未來三十年，新一輪科技革命將深刻影響世界。未來，是“萬物相連+數(shù)據(jù)為王+人工智能”的超級智能時代，這個時代由“數(shù)碼世界物質(zhì)化”和“物質(zhì)世界智能化”引領(lǐng)。

未來三十年的科技發(fā)展，是以物質(zhì)世界數(shù)字化為起點(diǎn)的。這個階段已經(jīng)完成，未來的十年是數(shù)字世界物質(zhì)化。實現(xiàn)了物質(zhì)世界數(shù)字化，就可以重新再創(chuàng)造一個物質(zhì)世界。比如VR采集了大量數(shù)據(jù)信息后，可重建一個現(xiàn)實，重建一個物質(zhì)世界。只要有一個人足夠的信息，就可以將TA“重生”，在家里走來走去。大家身處北京、紐約等不同的地方，通過通訊、投影等數(shù)字世界物質(zhì)化，可以讓大家“真實”地坐在一塊兒，面對面、甚至用眼神交流。

在已完成的物質(zhì)世界數(shù)字化中，遙感在信息采集上起了很大作用。萬物相連、人工智能、重建時空，信息數(shù)據(jù)是最基礎(chǔ)的，而遙感是獲取這些信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性手段。要把數(shù)字世界物質(zhì)化，需要重建時間和空間，就需要遙感與地理信息系統(tǒng)的知識。地理信息系統(tǒng)是以地球為核心建立時間、空間坐標(biāo)的，在此基礎(chǔ)上，以最佳路徑或最短路徑重建時空。

遙感天然就是大數(shù)據(jù)。遙感擁有自己的觀測體系。高空、高太空使用衛(wèi)星，目前，全球民用衛(wèi)星有一千多顆，它們?nèi)轿挥^測地球和人類社會；中太空，使用飛機(jī)；近地，使用無人機(jī)；城市中的各種攝像頭，也屬于遙感范疇……這些積累了海量的視頻等數(shù)據(jù)。我在國外工作時，研發(fā)了遙感衛(wèi)星航空航天大數(shù)據(jù)，回國后，繼續(xù)研究遙感大數(shù)據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是時空數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)要么反映空間，要么反映時間，要么時間空間都反映。時空大數(shù)據(jù)，也是遙感研究的一個前沿方向。目前，時空大數(shù)據(jù)仍以地球為中心，它奠定了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、VR技術(shù)的社會應(yīng)用基礎(chǔ)。未來，會不會以太陽系為中心建立時空大數(shù)據(jù)？以銀河系為中心建立時空大數(shù)據(jù)？以宇宙為中心建立時間大數(shù)據(jù)？

想象有多大，交叉就有多多

遙感，還是一個交叉型學(xué)科。

在北大，我們的目標(biāo)是建立世界一流遙感大數(shù)據(jù)平臺，這個平臺能與北大各個院系交叉。比如在地空學(xué)院內(nèi)部的前沿交叉，研究數(shù)字地球、遙感地質(zhì)、遙感礦產(chǎn)資源；與城市與環(huán)境學(xué)院的前沿交叉，研究遙感水文、遙感氣象、環(huán)境遙感、智慧城市；與醫(yī)學(xué)院的前沿交叉，研究三維影像、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)；與海洋研究院的前沿交叉，打造海洋遙感大數(shù)據(jù)平臺；與計算機(jī)學(xué)院的前沿交叉，建立運(yùn)行高性能遙感大數(shù)據(jù)平臺；與經(jīng)濟(jì)學(xué)院的前沿交叉，研究遙感金融大數(shù)據(jù)、太空經(jīng)濟(jì)學(xué)、空間信息基礎(chǔ)設(shè)施……

有一張衛(wèi)星圖片，它基于衛(wèi)星圖像發(fā)布中國制造業(yè)指數(shù)。每天，高分辨率衛(wèi)星拍攝、跟蹤中國工廠進(jìn)進(jìn)出出的物流車，分析每天的產(chǎn)品生產(chǎn)量，得到每天的制造業(yè)指數(shù)。這些指數(shù)和數(shù)據(jù)可服務(wù)于證券商、投資商、股票商。這就是遙感與金融的一個結(jié)合。

北大遙感所與我

下面介紹一下北大遙感所的歷史。

1974年，北大籌劃國家計委地質(zhì)總局航空地質(zhì)學(xué)習(xí)班。這之前，我們拿著錘子到處勘探。自此，我們可以通過航空、飛機(jī)、衛(wèi)星跟蹤。

1975年，開辦航空地質(zhì)學(xué)習(xí)班，這是歷史上著名的北京大學(xué)“第一期遙感培訓(xùn)班”“黃浦一期班”。

1981年，國家科委成立國家遙感中心，下設(shè)技術(shù)培訓(xùn)部、研究發(fā)展部、資料服務(wù)部，其中國家遙感中心技術(shù)培訓(xùn)部就設(shè)在北京大學(xué)。

1983年，開建北大遙感樓，曾一度是北大標(biāo)志性建筑。

……

中國的遙感科學(xué)技術(shù)是從北京大學(xué)萌芽的，它的從無到有是在北大實現(xiàn)的。在北大，唯一小于40歲的學(xué)科是遙感學(xué)科，在世界上，遙感學(xué)科也很年輕。

同學(xué)們一定要看準(zhǔn)未來，不要選擇頂峰學(xué)科，或走下坡路的夕陽學(xué)科，一定要把個人的發(fā)展和國家的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相結(jié)合。比如在“一帶一路”國家戰(zhàn)略中，沿線區(qū)域土地覆蓋、植被生長狀態(tài)、農(nóng)情、水文、資源與環(huán)境等，都需要遙感技術(shù)的支撐。《2015～2020年中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》指出，2018年中國地理信息產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到7600億元，2020年11000億元，作為這個產(chǎn)業(yè)的主力軍，遙感學(xué)科前途無限。endprint

目前，北大遙感學(xué)科建設(shè)分為三個階段。

近期目標(biāo)（2020年），建設(shè)相對完整、富有特色的測繪科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科，建立地圖制圖學(xué)與地理信息工程、海洋遙感與全球變化兩個專業(yè)方向，重點(diǎn)培育遙感大數(shù)據(jù)等前沿研究方向，建立以理工文結(jié)合為特色的學(xué)科體系；在定量遙感、全球變化水能量循環(huán)遙感、行星微波遙感、時空大數(shù)據(jù)學(xué)科方向取得突破。

中期目標(biāo)（2030年），建立具有國際水平的學(xué)術(shù)團(tuán)隊，形成國際化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)機(jī)制，初步建成具有國際一流水平的北京大學(xué)測繪遙感和地理信息學(xué)科；在定量遙感、全球變化水循環(huán)遙感、行星微波遙感、時空大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，進(jìn)入國際一流。

遠(yuǎn)期目標(biāo)（2050年），在全面把握國際測繪科學(xué)與技術(shù)的前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，形成具有重要國際影響的核心研究方向；培養(yǎng)優(yōu)秀的國際化創(chuàng)新人才，擁有多位具有國際影響力的大師級學(xué)者；實現(xiàn)北京大學(xué)測繪遙感地信學(xué)科整體位于國際一流前列（前千分之一）的目標(biāo)。

我1999年從北大碩士研究生畢業(yè)，到美國亞利桑那大學(xué)讀博，博士畢業(yè)后進(jìn)入加州大學(xué)爾灣分校從事博士后研究，出站后在美國宇航局（NASA）工作，之后執(zhí)教于俄克拉荷馬大學(xué)，不到四年晉升終身教授，再以中組部國家特聘專家身份回國，受聘于清華大學(xué)。離開北京大學(xué)的18年后，2017年夏天，我再次回到本科就讀的北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，被聘為北大博雅講席教授。

在遙感領(lǐng)域，我主要研究全球水與能量循環(huán)（water and energy cycle）。

2000年前，我們還沒有辦法研究全球的水與能量循環(huán)，推動這項研究實現(xiàn)的關(guān)鍵因素是遙感，它可以大面積、三維、四維、全方位觀測地球。通過遙感衛(wèi)星三十多年的數(shù)據(jù)，我分析了全球水循環(huán)的變量蒸散發(fā)情況。蒸散發(fā)，指土壤、樹、莊稼、湖泊、海洋等中的水，由于熱力等氣候要素作用，水分蒸發(fā)和散發(fā)的總和。

這張圖（見下）說服力強(qiáng)，沒有衛(wèi)星遙感，是無法做出這樣的全球偵探圖的。圖中的沙漠和干旱地帶的蒸散發(fā)幾乎為零，而亞馬孫雨林、非洲中部和西非的蒸散發(fā)最多，它們就是地球的兩個“肺”。地球要是沒有“肺”，就如人不能呼吸?；鹦呛驮虑驔]有呼吸，它們的蒸散發(fā)全是靠泥。宇宙學(xué)界有個說法，水星是地球的過去，火星是地球的未來，如果我們不愛護(hù)地球，沒了肺，地球就成火星了。

我的研究領(lǐng)域還有一個是重力衛(wèi)星遙感。物理學(xué)中的重力系數(shù)平均值是9.8N/kg，但地球的不同地方，重力系數(shù)不一樣。即便是同一個地方，由于表面水、地下水的變化，昨天、今天、明天的重力系數(shù)也可能不一樣。利用這種重力變化，我們開發(fā)了重力傳感器。它運(yùn)用兩束互相追蹤的激光，在300多公里的高空繞地球飛行。遇到重力大的地方，激光會下沉；重力小的地方，激光上浮。就這樣，我們分析出了2003年～2013年中國的總儲水量變化圖，在《自然》《科學(xué)》等發(fā)表了多篇論文。endprint