葉曉婷 鄭挺穎

氣溶膠對(duì)氣象、氣候、交通、生態(tài)等，尤其是公眾健康造成顯著影響，近些年，霧霾成為社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。要減少霧霾的發(fā)生，減少大氣中的氣溶膠含量是必要途徑。中國礦業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究中心主任、國際歐亞科學(xué)院院士薛勇，在氣溶膠遙感定量反演及遙感大數(shù)據(jù)處理方面，已取得豐碩研究成果，連續(xù)兩年被遙感領(lǐng)域國際頂級(jí)期刊進(jìn)行封面報(bào)道。

薛勇院士的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新的物理模型與算法，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測相結(jié)合進(jìn)行陸地大氣氣溶膠濃度估算，推導(dǎo)出區(qū)域及全球尺度的氣溶膠時(shí)空變化，力求解決地球大數(shù)據(jù)處理方面的“卡脖子”問題，為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

9月29日，《環(huán)境與生活》雜志記者前往江蘇徐州的中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，就氣溶膠的遙感定量反演等相關(guān)問題采訪了薛勇教授。

為區(qū)域大氣污染防治提供科技支撐

“氣溶膠是在氣體中穩(wěn)定分散懸浮的液態(tài)或固體小顆粒，顆粒直徑一般小于100微米（0.1毫米），我們熟悉的空氣污染物PM2.5就是一種氣溶膠。你看這是蘇皖魯豫一帶氣溶膠每年的情況。這是我們中國礦業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究中心的團(tuán)隊(duì)依據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合自主開發(fā)的算法模型，做出的定量反演產(chǎn)品，從這些圖片中能非常清晰地看到這片區(qū)域每年的氣溶膠變化。另外，這是采用我國高分系列衛(wèi)星的數(shù)據(jù)反演出的蘇皖魯豫交界區(qū)域，包括徐州、濟(jì)寧、菏澤、棗莊、商丘、淮北等地的氣溶膠情況。我們的模型不僅可以計(jì)算區(qū)域的氣溶膠變化情況，還可以計(jì)算全球的?！?月29日，薛勇院士在他的辦公室里，指著電腦上的圖片，向《環(huán)境與生活》雜志記者介紹了蘇皖魯豫交界區(qū)氣溶膠的遙感反演結(jié)果。

據(jù)了解，近年來，蘇皖魯豫交界區(qū)作為京津冀及周邊地區(qū)、長三角兩個(gè)大氣污染治理重點(diǎn)區(qū)域的連接帶，空氣污染問題逐漸凸顯。該地區(qū)集中了近8000萬噸鋼鐵、4000萬噸焦化、1.4億噸水泥、1.1億噸石化產(chǎn)能，區(qū)域煤炭總消費(fèi)量達(dá)到3.2億噸，基礎(chǔ)排放量高，而大氣污染治理起步較晚，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，成為大氣污染治理和環(huán)境監(jiān)管的“洼地”。生態(tài)環(huán)境部在綜合考量評(píng)估該區(qū)域的污染程度、區(qū)位特點(diǎn)、基礎(chǔ)排放、治理進(jìn)程等因素后，將其納入管控重點(diǎn)。

薛勇院士表示，受資源條件、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素影響，煤炭在我國能源安全中起壓倉石作用，未來很長一段時(shí)間內(nèi)，其主體地位很難根本改變。以煤為主的能源開發(fā)利用，不可避免地帶來了大氣污染、土地退化、植被破壞等環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題。江蘇省重工業(yè)基地徐州是蘇皖魯豫交界處經(jīng)濟(jì)體量最大的城市，而地處徐州的中國礦業(yè)大學(xué)作為該區(qū)域最有影響力的高校之一，具有很好的區(qū)位優(yōu)勢和研究基礎(chǔ)，在“蘇皖魯豫交界區(qū)域大氣污染防治”中，可發(fā)揮重要的學(xué)術(shù)紐帶和科技支撐的作用。

他說，中國礦業(yè)大學(xué)作為目前以礦業(yè)命名的特色鮮明大學(xué)，在與煤炭開發(fā)、生產(chǎn)和利用相關(guān)的安全、測繪、信息技術(shù)、生態(tài)恢復(fù)、管理工程等領(lǐng)域的研究形成了優(yōu)勢。與此同時(shí)，隨著新一代國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星相繼投入應(yīng)用，我國遙感已正式步入高分辨率影像的大數(shù)據(jù)時(shí)代。遙感大數(shù)據(jù)具有長時(shí)間序列、大范圍覆蓋的優(yōu)勢，在煤基污染與溫室氣體排放監(jiān)測評(píng)估、礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)等能源與環(huán)境研究中，發(fā)揮著越來越重要的作用。

“2019年，我們中心在這些背景下應(yīng)運(yùn)而生，目前主要工作是使用高分辨率、高光譜大氣成分遙感技術(shù)，動(dòng)態(tài)、定量地評(píng)價(jià)燃煤電廠、焦化廠、煤化工的氮氧化物、二氧化硫、氣溶膠顆粒物及甲烷、一氧化碳、二氧化碳等污染物與溫室氣體的排放。我們團(tuán)隊(duì)還可以使用長時(shí)序、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)，反演煤礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤質(zhì)量、植被指數(shù)、人為熱排放等生態(tài)與環(huán)境指標(biāo)。”薛勇教授介紹。

負(fù)責(zé)和承擔(dān)國際國內(nèi)重大科研項(xiàng)目

薛勇院士是土生土長的徐州人，1982年考入北京大學(xué)空間物理本科專業(yè)，在北大遙感與地理信息研究所讀完研究生后留在北大任教。兩年后，薛勇到英國丹迪大學(xué)攻讀應(yīng)用物理專業(yè)博士，后來在英國讀了博士后，在英國多所著名大學(xué)任教，從講師成長為教授。他是英國皇家特許物理學(xué)家，IEEE（國際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）地學(xué)遙感學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，英國物理研究所學(xué)術(shù)成員，英國遙感和航空測量學(xué)會(huì)專業(yè)會(huì)員。

在國外期間，他承擔(dān)了眾多重大科研項(xiàng)目，如歐盟FP7計(jì)劃項(xiàng)目、歐洲航天局（ESA）全球氣候變化氣溶膠項(xiàng)目等。1999年，薛勇入選我國“教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”第二批特聘教授，此后與國內(nèi)科研院所建立了許多合作關(guān)系。他還擔(dān)任國家遙感中心“龍計(jì)劃”大氣衛(wèi)星遙感項(xiàng)目的首席調(diào)查員。

薛勇院士介紹，“龍計(jì)劃”是國家遙感中心與歐洲航天局對(duì)地觀測部2004年在地球觀測領(lǐng)域啟動(dòng)的大型科技合作研究計(jì)劃，目的是聯(lián)合中歐知名遙感專家開展合作研究，促進(jìn)遙感技術(shù)應(yīng)用水平的提高，每4年為一期。歷經(jīng)16年，中歐雙方逐步探索出了一套“政府搭建平臺(tái)，科學(xué)家自主參與，共享地球觀測數(shù)據(jù)”的科技合作機(jī)制，建立了中歐地球觀測數(shù)據(jù)共享應(yīng)用的獨(dú)特渠道。在前四期合作基礎(chǔ)上，最新的“龍計(jì)劃”第五期涵蓋了氣候變化、大數(shù)據(jù)分析等10個(gè)研究領(lǐng)域的55個(gè)合作項(xiàng)目，豐富了衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享資源并擴(kuò)大了參研科學(xué)家規(guī)模。

薛勇院士還是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“全球變化及應(yīng)對(duì)”重點(diǎn)專項(xiàng)“全球變化大數(shù)據(jù)的科學(xué)認(rèn)知與云共享平臺(tái)項(xiàng)目”子課題負(fù)責(zé)人、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“東部沿海天-空-地多平臺(tái)一體化監(jiān)測技術(shù)綜合集成應(yīng)用示范”子課題負(fù)責(zé)人、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于時(shí)間序列技術(shù)的NOAA/AVHRR 陸地氣溶膠遙感反演研究”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，曾經(jīng)擔(dān)任863計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域“基于遙感機(jī)理模型的高性能陸地大氣氣溶膠定量反演”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。他30多年來在國內(nèi)外一直從事“定量遙感”的研究工作，研究重點(diǎn)基本相同。

根據(jù)薛勇院士的觀察，近年來，我國在能源與環(huán)境遙感研究方面與歐洲、美國的差距在迅速縮小，在一些領(lǐng)域甚至超過歐洲水平，“歐洲的科研規(guī)模比不上中國。中國在這方面的科研水平一直是和美國比肩的?！?/p>

2019年，薛勇被全職引進(jìn)到中國礦業(yè)大學(xué)工作。聊起這些年的跨國經(jīng)歷，薛勇教授動(dòng)情地說：“我在國外長期從事大氣環(huán)境遙感方面的研究，我國近些年大氣污染問題比較突出，我就希望能把自身的研究成果應(yīng)用于國家大氣污染治理中。落葉歸根，我也想為家鄉(xiāng)的建設(shè)做點(diǎn)貢獻(xiàn)。我從小就知道徐州最好的大學(xué)是中國礦業(yè)大學(xué)，雖然我沒在此就讀，但她在我心中始終很親切。礦大是以煤炭資源的開發(fā)利用為特色的高校，煤炭消費(fèi)與大氣污染密切相關(guān)，所以我選擇回到徐州的礦大工作?！?/p>

當(dāng)選“國際歐亞科學(xué)院”院士

2019年9月18日，薛勇當(dāng)選為聯(lián)合國教科文組織下屬的非政府組織“國際歐亞科學(xué)院”院士。國際歐亞科學(xué)院成立于1994年，目前擁有歐洲、亞洲、北美洲、南美洲和大洋洲等地46國的600余名院士、通訊院士和榮譽(yù)委員，他們是各國著名的自然科學(xué)家、工程技術(shù)專家和社會(huì)科學(xué)家?！八拇嬖诜从沉耸澜缈萍夹碌陌l(fā)展趨勢，具有廣泛的國際性、多學(xué)科交叉和非政府機(jī)構(gòu)體制等特點(diǎn)?！?/p>

薛勇院士介紹，1995年5月，國際歐亞科學(xué)院中國科學(xué)中心在北京成立，2017年經(jīng)中央機(jī)構(gòu)編制委員會(huì)辦公室批準(zhǔn)為公益二類事業(yè)單位。目前，國際歐亞科學(xué)院共有200余位在國際學(xué)術(shù)界中享有崇高地位的中國籍院士。這個(gè)實(shí)體有利于中國科學(xué)家在國際科技舞臺(tái)發(fā)揮影響力、溝通與促進(jìn)雙邊或多邊政府間的科技交流與合作?！啊畤H歐亞科學(xué)院院士這個(gè)稱號(hào)是對(duì)我個(gè)人研究工作的肯定，亦是對(duì)國家科研水平、學(xué)?？蒲袑?shí)力的認(rèn)可。加入這個(gè)機(jī)構(gòu)，我可以第一時(shí)間接觸最前沿的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和高精尖的技術(shù)；與國際、國內(nèi)頂尖科學(xué)家進(jìn)行跨學(xué)科、高水平的創(chuàng)新融合；開展并參與更多高層次科技活動(dòng)，將我國有水平、有影響力的開創(chuàng)性成果推出去。這為我們團(tuán)隊(duì)產(chǎn)出高水平、高影響力的學(xué)術(shù)成果，培養(yǎng)具有國際化視野的科研人才，以及助力國家科技創(chuàng)新發(fā)展等，都將大有裨益?！?/p>

以衛(wèi)星圖像破譯大氣污染物“密碼”

薛勇院士的團(tuán)隊(duì)主要從“遙感數(shù)據(jù)氣溶膠反演”入手研究大氣污染。氣溶膠可分為一次氣溶膠（以微粒形式直接從發(fā)生源進(jìn)入大氣，如被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)灰和微塵）和二次氣溶膠。二次氣溶膠是指排到大氣中的氣態(tài)或顆粒態(tài)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（主要是紫外光、臭氧等引起的光化學(xué)反應(yīng)）后，形成新的大氣顆粒物。

氣溶膠通過吸收、散射太陽輻射或通過參與云的微物理過程，改變云的輻射特性，進(jìn)而影響地-氣系統(tǒng)輻射平衡，是影響全球氣候變化的重要因子。薛院士告訴記者：“目前所知的大氣污染、對(duì)全球氣候變化的影響等，主要是燃煤引起的。燃煤產(chǎn)生二氧化硫、二氧化氮，如果發(fā)生二次化學(xué)反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生氣溶膠，即使降低燃煤中硫的排放，其他排放物也容易形成二次氣溶膠，燃煤造成的直接空氣污染目前控制得較好，而我們關(guān)注的是二次化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣溶膠?！?/p>

薛勇院士表示，氣溶膠是大氣中性質(zhì)最不穩(wěn)定、化學(xué)成分最復(fù)雜的物質(zhì)之一。科學(xué)家做氣候變化研究時(shí)，最先要回答的就是大氣中有多少氣溶膠?！斑@就需要?jiǎng)?chuàng)新的方式。我們的工作相當(dāng)于破譯污染物中的‘密碼，第一步就是建立物理模型。光是一種電磁波，透過大氣到達(dá)地表，反射到衛(wèi)星傳感器上，我們用物理公式描述這個(gè)物理過程，再結(jié)合不同物質(zhì)在物理、化學(xué)方面的一些特性，比如臭氧對(duì)某個(gè)波段的電磁波有很強(qiáng)的吸收效果、PM2.5對(duì)某個(gè)波段的電磁波有非常強(qiáng)的散射作用等，建立不同的物理模型，根據(jù)物理模型反過來演算出氣溶膠的光學(xué)厚度、對(duì)地表的反射率、對(duì)太陽的短波輻射等。同時(shí)，我們還借助很多地面測量來輔助反演，比如設(shè)立地面站，通過雷達(dá)的反射，了解區(qū)域大氣的輪廓線，了解每一層大氣的情況，包括溫度、風(fēng)速、成分等，將一些‘點(diǎn)的具體情況與物理模型的‘面結(jié)合，進(jìn)而算出整個(gè)區(qū)域的大氣情況。搞清楚這些參數(shù)，可用于研究全球氣候變化、空氣污染指數(shù)預(yù)報(bào)等。”

薛勇院士介紹，要破譯衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的信息，有兩種手段。傳統(tǒng)的“目視解譯”方式憑借人的眼睛，依靠解譯者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和掌握的相關(guān)資料，通過大腦分析、推理、判斷，提取遙感圖像中有用的信息。“當(dāng)年我在北京大學(xué)學(xué)遙感時(shí)，計(jì)算機(jī)還沒發(fā)展起來，主要依靠目視解譯，比如拿到衛(wèi)星照片后，憑肉眼透過一種簡單的鏡片看出立體來。研究地質(zhì)的人如果通過這種方式，可以判斷出某處地表的巖性、構(gòu)造，能‘定性，卻不能‘定量，無法知道某類巖石的分布范圍有多廣?！边@就需要第二種手段“定量解譯”。

“舉個(gè)例子，有一個(gè)湖原來很小，因?yàn)槌鞘幸?guī)劃發(fā)展、變遷等因素變大了，若是目視解譯，從衛(wèi)星云圖中能了解到那是一片湖，而定量解譯則可以看出每年變大多少。再如鄱陽湖、白洋淀，利用遙感數(shù)據(jù)定量反演出它們的蓄水面積，可為該地區(qū)抗旱或泄洪提早做預(yù)案提供依據(jù)，防患于未然?！毖τ略菏空f。

我國高分系列衛(wèi)星免費(fèi)開放數(shù)據(jù)分辨率高

美國中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)是薛勇院士團(tuán)隊(duì)平常做氣溶膠反演用得較多的數(shù)據(jù)來源。MODIS是美國國家航空航天局（NASA）管理的“特拉（Terra）”和“阿瓜（Aqua）”衛(wèi)星上搭載的傳感器，全球許多國家和地區(qū)都在免費(fèi)接收和使用MODIS數(shù)據(jù)。MODIS可對(duì)陸地、海洋、大氣進(jìn)行高頻次觀測?！八a(chǎn)了近50種產(chǎn)品，不過產(chǎn)品質(zhì)量有高有低?！?/p>

20世紀(jì)80年代后，我國的風(fēng)云氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、高分衛(wèi)星、碳衛(wèi)星等遙感衛(wèi)星成功發(fā)射，使我國躋身于世界遙感科技的前列?！案叻中l(wèi)星系列是我國比較有特色的衛(wèi)星，目前在國內(nèi)外領(lǐng)先?！毖τ略菏空f。它們搭載了包括光學(xué)及多高光譜、SAR（特定吸收率）、中波紅外等傳感器，實(shí)現(xiàn)了“高空間分辨率（高分二號(hào)全色0.8米，達(dá)到亞米級(jí)）、高時(shí)間分辨率（高分四號(hào)20秒）、高光譜分辨率（高分五號(hào)330個(gè)波段）”的對(duì)地觀測。

薛勇院士團(tuán)隊(duì)最近根據(jù)高分一號(hào)衛(wèi)星2米分辨率的數(shù)據(jù)做出了氣溶膠反演產(chǎn)品。他介紹，“高分衛(wèi)星16米分辨率的數(shù)據(jù)免費(fèi)開放，2米、亞米分辨率的數(shù)據(jù)例外，只有承擔(dān)、執(zhí)行國家任務(wù)的人才可申請(qǐng)。在民用層面，我國16米分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已對(duì)公眾開放，這比美國強(qiáng)，美國免費(fèi)開放的是30米分辨率的數(shù)據(jù)。從民用衛(wèi)星技術(shù)、發(fā)射、傳感器質(zhì)量來說，我國與美國差不多。但衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣方面不及國外，這是差異?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/03/03/qkimageshjyshjys202010hjys20201011-5-l.jpg"/>

薛勇院士談到，我國高分系列衛(wèi)星的立項(xiàng)始于“十三五”規(guī)劃，到現(xiàn)在發(fā)射了13顆衛(wèi)星，速度很快，不過有些工作還不完美，有的研究單位就在彌補(bǔ)不足，比如生態(tài)環(huán)境部有項(xiàng)目在做“定標(biāo)”工作。他解釋了定標(biāo)的含義：衛(wèi)星傳感器掃描地球得到圖像，要看看像元代表什么，是河流還是山等等，通過選擇地面上一些長時(shí)間特性不變的、有特色的區(qū)域、點(diǎn)，作為參考點(diǎn)，建立相關(guān)關(guān)系，然后把衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理含義?！耙_處理數(shù)據(jù)，必須將數(shù)據(jù)、地表特性建立關(guān)系，這種關(guān)聯(lián)是定標(biāo)的第一步。定標(biāo)做好了，才有希望進(jìn)一步做定量分析。‘反演相當(dāng)于我們想知道地面上的物理參數(shù)，比如地面上各個(gè)物體的溫度，通過衛(wèi)星的熱紅外傳感器給地球照相，我們能根據(jù)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，把地面物體的溫度計(jì)算出來?！?/p>

大數(shù)據(jù)計(jì)算效率和精度成為“卡脖子”問題

地球大數(shù)據(jù)、地表大氣邊界層能量交換遙感、高性能地學(xué)計(jì)算、大氣氣溶膠遙感反演是薛勇院士的主要研究方向。他說：“僅從字面理解，這四個(gè)研究方向區(qū)別較大，其實(shí)它們互相支撐和補(bǔ)充，同屬地球科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)等的前沿交叉領(lǐng)域?！?/p>

衛(wèi)星遙感觀測到的是承載地球自上而下所有信息的電磁波，是采集地球信息的重要技術(shù)手段，具備無國界限制、覆蓋面積廣、觀測具有周期性、數(shù)據(jù)客觀等諸多特點(diǎn)。由此產(chǎn)生的“遙感大數(shù)據(jù)”容量大、類型多、難辨識(shí)、維度高、尺度多，需要復(fù)雜的物理模型，經(jīng)過輻射校正、幾何校正、投影變換、鑲嵌等基本處理和信息提?。ǚ诸悺⒆兓瘷z測、目標(biāo)檢測等），從這樣一個(gè)耦合總量中解譯出特定的大氣和地表參數(shù)等，才能進(jìn)一步提供信息和服務(wù)。遙感大數(shù)據(jù)是地球大數(shù)據(jù)的重要組成部分。

“大氣邊界層”是與地表直接接觸的大氣底層，是地球-大氣之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的橋梁，薛勇院士指出，研究湍流作用（湍流現(xiàn)象在自然界、工業(yè)裝置和日常生活中比比皆是，如大氣中的亂云、河流中的急流、熱電廠的濃煙等）導(dǎo)致的能量交換，以及大氣成分的垂直變化等，對(duì)了解氣候和指導(dǎo)人類活動(dòng)具有重要意義。

“對(duì)全球和區(qū)域環(huán)境的定性和定量解譯是研究一切地球科學(xué)的基石，而具有長時(shí)序、全覆蓋特點(diǎn)的遙感數(shù)據(jù)更是重中之重。海量的遙感數(shù)據(jù)和模型均離不開高性能計(jì)算，特別是現(xiàn)在衛(wèi)星傳感器都向著高光譜、高分辨率發(fā)展，針對(duì)遙感大數(shù)據(jù)的計(jì)算效率和精度成為‘卡脖子問題，所以基于遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的軟硬件開發(fā)是解決難題的有效手段。此外，獲取的數(shù)據(jù)如何使用、能從中獲取什么信息，是地球大數(shù)據(jù)研究的重要課題?！毖τ略谟鴮懖┦空撐臅r(shí)，其研究工作需要結(jié)合地表反照率、地表溫度等計(jì)算地表大氣邊界層能量交換，包括短波輻射、長波輻射、顯熱通量和潛熱通量?！霸谟?jì)算短波輻射時(shí)，需要大氣氣溶膠數(shù)據(jù)。我自己創(chuàng)新性地推導(dǎo)出一個(gè)定量反演大氣氣溶膠的算法。而在進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理、分析和計(jì)算地表物理參數(shù)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度比較慢，于是從2000年開始高性能地學(xué)計(jì)算的工作?！?/p>

這些術(shù)語乍一聽讓人容易云里霧里，但薛勇院士強(qiáng)調(diào)，無論在國內(nèi)還是國外，他從事的研究都基于“人類與大氣和諧、可持續(xù)發(fā)展的需求和挑戰(zhàn)”，其實(shí)同日常生活和生產(chǎn)都密切相關(guān)。“我們將衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和展示，公眾就可從中直觀地了解所需的科學(xué)信息，如對(duì)氣溶膠反演的研究可應(yīng)用于日常大氣污染監(jiān)測。再如，地表能量交換研究與天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)。而地球大數(shù)據(jù)的研究應(yīng)用體現(xiàn)在日常的天氣預(yù)報(bào)、快遞的地圖指示等方面。我們目前很多項(xiàng)目都聚焦于我國哪些地方存在大氣污染、嚴(yán)重到什么程度，最后的項(xiàng)目成果可以支撐不同領(lǐng)域的需求，如為國家能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和決策提供大氣污染信息、為一個(gè)區(qū)域內(nèi)的大氣污染協(xié)同治理提供數(shù)據(jù)支持等。”

自主研發(fā)我國首個(gè)長時(shí)間序列氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)集

海洋上的氣溶膠反演較為容易，因?yàn)槿祟愑绊懴鄬?duì)小，而陸地地表很復(fù)雜，所以薛院士一直專攻陸地氣溶膠反演。在陸地大氣氣溶膠反演領(lǐng)域，薛勇的團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出三大創(chuàng)新成果。

一是創(chuàng)建了我國第一個(gè)自主研發(fā)的“長時(shí)間序列氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)集”。

薛勇院士強(qiáng)調(diào)，大氣成分的總量變化是一個(gè)長期過程，包括人類活動(dòng)和污染治理對(duì)大氣的影響都具有一定的交互過程。氣溶膠光學(xué)厚度是目前可得到的氣溶膠數(shù)據(jù)中覆蓋范圍最廣、較準(zhǔn)確的一種數(shù)據(jù)，同時(shí)也是推算氣溶膠含量、評(píng)估大氣污染程度、確定氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。長期連續(xù)監(jiān)測氣溶膠光學(xué)厚度，對(duì)研究區(qū)域氣候特征、環(huán)境政策甚至全球變化的應(yīng)對(duì)等有重要意義?！皣H上已有不少氣溶膠光學(xué)厚度的數(shù)據(jù)集，但受各種因素影響，仍存在較大區(qū)域性和系統(tǒng)性偏差，尤其是針對(duì)中國這種異質(zhì)（不均勻、復(fù)雜）陸地表面?！?/p>

據(jù)了解，美國的MODIS自2000年開始才產(chǎn)生數(shù)據(jù)，迄今只有20年左右的數(shù)據(jù)量。而美國國家海洋大氣局“NOAA系列氣象觀測衛(wèi)星”上搭載的AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer，高級(jí)甚高分辨率輻射儀）傳感器，從1978年開始試運(yùn)行，其數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和時(shí)空一致性。基于AVHRR的數(shù)據(jù)，薛勇的團(tuán)隊(duì)做了兩項(xiàng)創(chuàng)新工作：首先，對(duì)NOAA的衛(wèi)星傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性的后驗(yàn)定標(biāo)，做了一套定標(biāo)算法，確保所有光譜數(shù)據(jù)具有一致的精度；另外，基于單波段地氣系統(tǒng)耦合反演難題，開發(fā)了一套氣溶膠反演算法，這套算法經(jīng)過長期驗(yàn)證和改進(jìn)，與當(dāng)下應(yīng)用最廣泛的NASA/ MODIS算法精度相當(dāng)?！皟蓚€(gè)算法相結(jié)合產(chǎn)生的創(chuàng)新成果是基于35年以上高分辨率、長時(shí)序的遙感數(shù)據(jù)，反演出陸地大氣氣溶膠光學(xué)厚度，可以把1982年至今陸地上的氣溶膠光學(xué)厚度變化情況算出來，這為研究全球氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下的環(huán)境污染效應(yīng)，提供了科學(xué)數(shù)據(jù)的支撐。”

薛勇院士指出，長時(shí)序的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)集是反映大氣成分時(shí)空分布周期變化最有效的手段。一般而言，長時(shí)序數(shù)據(jù)集時(shí)間跨度越長越好，而從科學(xué)角度出發(fā)，還需要滿足以下條件才具有研究價(jià)值：數(shù)據(jù)是連續(xù)觀測的，時(shí)空分辨率一致；精度一致、穩(wěn)定可靠。我們這個(gè)‘China Collection數(shù)據(jù)集在保證精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間尺度的擴(kuò)展，不僅具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且?guī)缀醴Q得上是全球能提供40年以上氣溶膠光學(xué)厚度的唯一數(shù)據(jù)集，現(xiàn)在我們準(zhǔn)備將成果發(fā)布在礦大的遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上?！?/p>

成果連續(xù)兩年登遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊封面

薛勇院士團(tuán)隊(duì)的第二個(gè)研究成果是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演百米以內(nèi)空間分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)?！敖鼛啄陮W(xué)界一直在探討我國高分衛(wèi)星‘卡脖子的問題：高分衛(wèi)星的分辨率那么高，怎么利用起來？我們做了一些相關(guān)工作。一般來說，計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度，大家常用的是一公里空間分辨率的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于地面上一公里乘以一公里的范圍在衛(wèi)星上呈一個(gè)點(diǎn)，而我們現(xiàn)在可以利用100米乘以100米在衛(wèi)星上呈一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度?！?/p>

薛勇院士團(tuán)隊(duì)的第三個(gè)創(chuàng)新性研究成果是利用靜止衛(wèi)星（永遠(yuǎn)固定在地球上空某個(gè)位置的衛(wèi)星）數(shù)據(jù)，生產(chǎn)覆蓋全球的、高時(shí)間頻率（每小時(shí)）的陸地大氣氣溶膠產(chǎn)品。“氣溶膠長時(shí)間序列反演研究的一般是氣溶膠的月平均量、年平均量。但對(duì)于很多大氣現(xiàn)象，我們需要看它一天內(nèi)發(fā)生了什么，地球靜止衛(wèi)星具有較高的時(shí)空分辨率和較廣的觀測范圍，可以提供這類數(shù)據(jù)，這也是我們研究的側(cè)重點(diǎn)。靜止衛(wèi)星每15分鐘就給地球拍一次照，這么一來，一天內(nèi)不同時(shí)段大氣發(fā)生了什么就比較容易知曉。目前，除了我們開發(fā)的算法，還沒看到第二家用靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算全球陸地每小時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度的情況?！?/p>

據(jù)了解，薛勇院士這方面的相關(guān)研究成果分別于2019年和2020年在遙感領(lǐng)域頂級(jí)國際期刊《IEEE地球科學(xué)與遙感匯刊》（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing）獲得封面報(bào)道。與全球大氣觀測站點(diǎn)結(jié)果以及全球氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)集對(duì)比驗(yàn)證，薛勇院士團(tuán)隊(duì)提出的方法使氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)精度達(dá)到國際前沿水平。

這些成果的產(chǎn)出離不開薛勇院士團(tuán)隊(duì)在“物理建?！狈矫娴亩嘀貏?chuàng)新。第一個(gè)有特色的創(chuàng)新建模方法是關(guān)于地表能量交換的建模。“常規(guī)的物理建模主要考慮地球物理參數(shù)的空間軸性質(zhì)，在我們的模型中，首次加入地球物理參數(shù)的時(shí)間軸，這樣就可以建立地表熱慣量的遙感定量反演解析模型。”

該團(tuán)隊(duì)第二個(gè)創(chuàng)新的建模方法是關(guān)于陸地氣溶膠衛(wèi)星遙感定量反演。“流行的方法是假設(shè)地表的情況再反演氣溶膠特性。我們則是通過重新求解大氣輻射傳輸方程，將地表特性和氣溶膠特性同時(shí)求解，使模型適用于任何地表情況的評(píng)估?！?/p>

集成人工智能技術(shù)以打破國際技術(shù)壁壘

薛勇院士還告訴《環(huán)境與生活》記者，我國人工智能和遙感領(lǐng)域目前都處于世界領(lǐng)先水平，自他回國加盟礦大以來，就一直在思考如何將我國在人工智能和遙感技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合，以打破國際上在定量遙感領(lǐng)域“卡脖子”的技術(shù)壟斷。

目前，薛勇院士的團(tuán)隊(duì)已與中國礦業(yè)大學(xué)人工智能研究院聯(lián)合成立了“遙感大數(shù)據(jù)智能分析研究中心”。他介紹：“我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在地表生態(tài)監(jiān)測、地形地貌特征精細(xì)提取、大氣定量反演模型、遙感數(shù)據(jù)處理和分析等方面，探索性地集成人工智能技術(shù)，產(chǎn)生了一批能夠支持地球遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)的研究成果。我們已將人工智能中的深度學(xué)習(xí)算法集成應(yīng)用于PM2.5、二氧化氮、臭氧等的定量遙感反演模型中。下一步，我們將把人工智能更多地應(yīng)用于煤礦區(qū)典型地物高精度識(shí)別中?！?/p>

礦大對(duì)薛勇而言，是他事業(yè)的新起點(diǎn)，經(jīng)過近一年的努力，他帶領(lǐng)的“礦大能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究團(tuán)隊(duì)”已初具規(guī)模。在充分調(diào)研徐州本地大氣污染狀況后，針對(duì)目前全面污染監(jiān)測需求，礦大能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究中心已經(jīng)獲批建立徐州市大氣環(huán)境天空地協(xié)同監(jiān)測工程研究中心，擬開展大氣污染多組分高光譜衛(wèi)星遙感定量反演技術(shù)、氣溶膠顆粒物垂直廓線反演技術(shù)、低空多組分大氣環(huán)境探測裝備、天空地大數(shù)據(jù)人工智能分析技術(shù)和應(yīng)用平臺(tái)等研究。

依托礦大能源與環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究中心豐富的學(xué)術(shù)成果，薛勇院士的團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研一體化深度融合，突破大氣成分定量遙感與協(xié)同探測等關(guān)鍵技術(shù)，以求提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，最終促進(jìn)區(qū)域的社會(huì)發(fā)展。薛勇院士堅(jiān)信，通過與學(xué)校其他優(yōu)勢研究方向的深入融合，一定能產(chǎn)出國際領(lǐng)先的標(biāo)志性成果。