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以图传讯 问诊地球

来源:  发布时间:2020-07-21

——中南大学教授胡俊的测绘“跨维”之路
王 军


  抬头望天,在距离地球700公里~800公里、人类肉眼看不见的地方,雷达卫星正在执行区域地形监测任务。它们将拍摄到的地表图像,以数据信号的方式传回观测站,顺利完成了雷达干涉测量(以下称“InSAR”)的第一道关卡。
  什么是InSAR?中南大学地球科学与信息物理学院教授胡俊给出了答案:“在大地测量和地球物理学界有很多技术,包括像家喻户晓的GPS全球定位系统,使用较为普遍。InSAR是一种独特的空间大地测量技术,门槛稍微高一些,用在比较专业的遥感测量、数据处理等方面。”
  站在实用价值的角度直白来讲,InSAR好比医生手中的超声探测仪器,专门探查地震、火山、滑坡、冰川运动等地表形变,为防灾、减灾及全球变化研究提供科学支撑。
  
“跨维”势在必行
  胡俊从2005年读研究生至今,从传统的一维形变拓展到三维形变,十几个年头都在和InSAR打交道。
  准确来说,他钻研的是InSAR三维形变测量的理论和方法。据胡俊介绍,以往InSAR虽克服了常规方法空间分辨率低、成本高等困难,但只能监测地表三维形变在雷达视线方向的一维投影。也就是说,这种单一信息不够全面,极容易引起研究人员对地表形变监测信息的误判或错判,不能够准确反映出地质灾害的前兆。同样,种种局限性累积,也阻碍了InSAR技术本身的发展和应用。
  某种程度上,重建地表三维形变恰恰解决了这些问题。胡俊拿医学黑白B超和彩超来解释InSAR一维、三维的不同,简单比较,后者提供的信息量更为充足、精确。不过,这份精确度显然也与研究难度成正比。“理论上,通过融合3个及以上卫星的InSAR信号就可以重建地表三维形变,但要实现这一目的,需要解决两大核心科学问题,一是如何实现多源InSAR信号的高效融合,二是如何充分利用观测对象的地学先验信息。”
  当前,国际上关于InSAR三维形变测量的相关成果较为零散,尚未形成系统性的理论和方法体系。胡俊基于前人经验,同时考虑到不同在轨卫星获取数据的多样性,没少在数据处理、融合上下工夫。比如,早期的InSAR三维形变主要依靠数据的简单融合,多采用纯几何的方式来研究,忽略了其中的物理联系。胡俊在意识到这一点后,在几何测算的基础上主动引入物理力学信息,建立了顾及应力应变的InSAR三维形变的函数模型,使形变几何数据、力学等呈现出清晰的因果表达关系。
  另一方面,由于多源数据的质量参差不齐,胡俊需要靠着多年专业经验在心中架起一杆秤。“整个研究中,质量好的数据所占权重高一些,质量差的数据也有可取之处,但权重就相对低一些。”胡俊坦言,如何把握好度实际是一件很难的工作。长久以来,他也在不断尝试,通过引入经典的方差分量估计等手段进一步平衡了比重关系。
  如果说物理力学约束、方差分量估计是胡俊为InSAR信号高效融合做出的探索,那么利用不同的地质灾害特征,他还在力争做一个完美的现场还原。不同的地质灾害有着不一样的先验信息,如何将这些信息用于数据处理是一门学问。用得好,相当于掌握了地球的“既往病史”,若再有地震、山体滑坡等灾害发生,提前预警、防灾将不再是问题。对此,胡俊基于卡尔曼滤波等测量评价手段,在国际上率先将InSAR三维形变测量从静态发展到动态。“以前我们可能最终求一项形变速率,或者输出一个静态的结果。现在这个结果可以是随时间变化的。”
  这些理论方法的不断细化、升级也给胡俊带来一笔极大的“财富”。结合国际最新研究成果,他摸索并率先建立起一套完整的基于现代测量平差的InSAR三维形变测量的理论和方法体系,为高精度三维地表形变的监测开辟了新的途径。
  得益于这套卓越的体系,他收获颇丰,近年来在InSAR三维形变方向发表了50余篇SCI论文。除此之外,他还受邀在国际地学顶级期刊Earth-Science Reviews上发表了国际上关于InSAR三维形变测量的首篇综述,得到了美国地质调查局M.P.Poland研究员、利兹大学A. Hooper教授等多名国际著名InSAR专家的引用和推介。
  
行在当下,紧盯远方
  细数胡俊履历中的光鲜荣誉,有很多。譬如入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者,荣获2018年度国家科技进步奖二等奖但关于这些,他在采访中又言之甚少,尤其和谈论InSAR三维形变测量的前景比起来。
  在访谈的过程中,胡俊特别指出了一点:测绘会随着高新技术发展,越来越强大。这样说的底气源于他丰富的研究经验和清醒的认识。“测绘可以说很传统,又很新潮。在大禹治水时期,测绘专业知识已经被使用,这是它古老的地方。同时它和卫星、航天、计算机、人工智能技术等息息相关,与时俱进,前途自然一片光明。”
  在胡俊看来,InSAR技术潜力或者说发展重点集中在“三高”,即高空间分辨率、高时间分辨率和高轨道卫星。
  高空间分辨率一直以来是InSAR技术的优势,只不过胡俊认为,这个优势还可以进一步扩大。“对同一区域,影像趋势是越来越清晰。比如,以往20米×20米,只有一个观测点,获取单一信息。如今3米×3米,甚至1米×1米就存在一个观测点,获取到的内容量、细节更多。”这类比于视频的分辨率,假设以前卫星提供的是标清数据,未来可以进化到超高清、4K数据。当然这一进化伴随着挑战,除了接受信息时要考虑信号穿越云层、在地表发生折射等误差,还得搞清楚以前不存在、如今高分辨率带来的细节问题。
  高时间分辨率也不难理解。空间上通过“放大”实现了细节清晰的效果,时间上则利用影像拍摄周期缩短,达到相对完整的记录。胡俊表示,卫星绕着地球公转,以前可能是每隔一个月拍一次照片,现在缩短到每隔一个星期。“影像越密集,对地质灾害的预警越有帮助。”尤其是对山体滑坡这种时间上呈动态性的灾害,它一开始每年可能仅滑动几毫米,大量、持续的影像才能捕捉到它的动态。“海量的影像数据带来的最直接的问题,就是有效信息的提取。如何从大数据中高效提取有价值的信息,这也将是测绘领域发展的一大难点。”
  至于发展高轨道卫星,胡俊直言是一件大事情。高轨道卫星距离地球大约36000公里,是低轨道卫星的40倍左右。它的发射成本高,据胡俊介绍,一颗高轨道卫星的成本相当于七八颗低轨道卫星。所以即便被证实理论上可行,欧美国家也并未有实际动作。“我认为这是我们走向引领的一个契机。相对于低轨道卫星,这种卫星可以在某一区域小范围地画圆圈和8字,覆盖范围不仅更大,时间分辨率也能更高。”胡俊言谈间很是激动,在他看来,要搞这种大动作,不论是从国家支持力度、相关单位的理论研究进程来看,中国一定能做出彩。
  目前,胡俊带着对未来的宏大愿景持续深挖。在完成国家自然科学基金项目等工作后,他即将投入到湖南省杰出青年基金项目中,为推动InSAR技术进步发力。他强调,可以作为“升华”特聘教授回到中南大学,多年来能够有所收获,离不开恩师朱建军教授、李志伟教授的引导和帮助,也少不了父母、爱人的大力支持。“我算得上两位老师在InSAR方向的第一批学生,早期也帮着搭建团队,后来有幸拜在丁晓利教授的门下在香港理工大学做博士后。现在我们队伍有11位老师,五六十个学生,队内氛围、任务分工等很和谐。”每个人的研究方向紧密联系,组成一个完整的发展体系。
  在这个体系中,胡俊是知识养分的给予者,是学生的指路灯,同时也更像一个驱动前进的齿轮,与大家一同承载着InSAR技术的发展希望,剑指未来。
  

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2024年2月

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