从对地观测卫星到对地观测脑——专访中国科学院院士、中国工程院院士李德仁-轻识

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本文内容摘自《中国测绘》2020年第10期

再来武汉大学采访李德仁院士，倍感亲切。还记得上一次是2018年的12月30日，大雪纷飞，记者在武大人文馆里听了李德仁院士关于“我国测绘遥感技术发展的回顾与展望”的主题报告，连续2小时，李德仁院士兴致极高，一口气讲下来，将非常深刻的专业知识讲得深入浅出，真是一场测绘知识的盛宴！

近日，《中国测绘》杂志以“对地观测卫星系统”为主题与李德仁院士作专访邀约，得以成行。9月的武汉阴雨霏霏、气温降低，但或许心向往之，只觉一路丹桂飘香、处处皆是美景。

穿过信息学部的教学区，走进测绘遥感信息工程国家重点实验室，快步迈上台阶，轻轻踏入李德仁院士的办公室，他的秘书告诉记者，李德仁院士刚刚出完长差，现在正在查阅资料。

片刻之后，我们的采访正式开始。

14颗卫星花样齐全高分家族个个本领大

记者：今年8月20日，高分七号卫星正式投入使用，它属于我国对地观测卫星的高分专项系列，请您为我们介绍一下我国对地观测卫星的发展概况。

李德仁：首先，我想先谈谈对地观测的意义。

人类生活在地球的四大圈层之中，岩石圈、水圈、大气圈等。人类及其生存的地球正面临严峻的挑战，这需要我们对此进行实时的观测。

1957年，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”，这正式开启了人类的“天空时代”，从此改变了千百年来人类只能从地球表面进行观测的历史。随后几十年人类相继发射气象、资源、海洋等卫星序列，均以光学和雷达遥感为探测手段，从外部空间对地球进行观测，获取人类所需要的各种空间信息。可以说对地观测对于国防建设与国家安全十分关键，涉及到制空权、制海权、制天权、制信息权等。

在世纪之交之时，中国的航天技术——卫星应用、深空探测和空间安全三方面与西方国家相比仍存在明显差距，举例来说，那时候中国只有气象和资源卫星，然而资源卫星的分辨率也仅仅只能达到5m。当然西方国家也并不希望中国航天做大做强，因此对我国采取了诸多限制，由美、英、法、德等国家成立的巴黎统筹委员会（编者注：对社会主义国家实行禁运和贸易限制的国际组织，后更名为输出管制统筹委员会）限制向中国出口先进的航天器件，我国建立对地观测卫星系统的国际形势并不乐观。

那时正值第18届国际卫星对地观测委员会（Committee on Earth Observation Satellites）将于2004年在中国召开，徐冠华部长将担任轮值主席。因此从2002年开始，我便代表徐冠华部长参加委员会的筹备工作，同时联合十多位院士撰写咨询报告，向中央领导建议发展中国高分辨率对地观测系统。

中央领导批示支持，并将其列入中长期科技发展规划中。2005年，科技部成立专家组讨论商议国家2006～2020年的中长期发展规划，我有幸参与到高技术组、资源与生态环境组和国防组，最后形成了16个国家重大专项。其中与我们测绘相关的有3个专项——高分辨率对地观测系统、载人航天与探月工程和北斗全球卫星导航系统。

工信部航天局的王礼恒院士带领我和其他专家经过多年研究，一共规划了14颗卫星，就是我们现在所说的高分对地观测卫星，其中1～7颗是民用卫星，8～14颗是军用卫星。这14颗星可以说是“军民融合、花样齐全”，包含了光学、雷达卫星，从地球同步轨道卫星到太阳同步轨道卫星，基本上满足了中国国防建设、经济发展与百姓生活的需求。

光学卫星空间分辨率达到0.1m～0.5m；雷达卫星的分辨率达到0.5m～1m，且具有全极化数据；两颗地球同步轨道卫星分辨率分别为50m和15m；高光谱遥感卫星成像波段超过360个以上；16m分辨率宽幅遥感卫星的地面幅宽达到800km。

在高分专项中测绘卫星有两颗，一颗是去年发射的高分七号，一颗是高分十四号。高分七号的特点是具备双线阵立体测绘功能，且具有激光断面测高系统，高分十四号卫星规划时由白俄罗斯建造，目前还在建设中，尚未发射上天。

记者：这14颗高分卫星中，雷达卫星比重较小，后续是否有一些规划？

李德仁：当前我们有C波段、S波段和X波段的卫星，还没有L波段的卫星。我们会补充X波段的雷达卫星，X波段有利于保证三维测量和形变测量的精度；L波段的干涉合成孔径雷达卫星能够测定植被覆盖地面地形和地表变化。此外，我们开始了一项2020年~2030年的空间基础设施的卫星计划，在这个计划里就有多颗雷达卫星。今年，我们已经发射了一颗多模态、智能化的高分辨卫星（0.42m分辨率），这是高分专项之后国家基础设施卫星的成功案例。

记者：历经15年发展，高分辨率对地观测卫星重大专项可以说是硕果累累，请问您如何评价这项成果？

李德仁：第一，我们中国人通过自力更生、自主创新，让我国的卫星遥感及其应用赶上了世界先进水平。现在美国最好的卫星是锁眼号（Keyhole），它的分辨率是0.1m，我们的高分十一号也能达到这个标准；第二，中国卫星数据自给率达到了85%以上，2005年之前，我们基本上都是买国外的卫星数据，价格昂贵。在参与制定国家中长期科学与技术发展规划时，我们当时设立的目标是卫星数据自给率提高到60%以上，经过15年的努力，现在目标超额完成，我国的卫星数据不仅满足了本国需求，还能出口；第三，我们卫星采集的数据总量达到了约1500PB，是世界上存量最多的国家，这些数据支持了我国国防建设、经济发展和大众民生的需求。第四，对地观测卫星的高分专项技术还支持拉动了新一代的国家空间基础设施计划，推动了始于2014年的商业航天产业的发展。

从资源三号到高分七号

测绘卫星实现高精度卫星测绘

记者：高分七号卫星的立体测绘被比喻为“航天界的詹姆斯·卡梅隆”，请您谈谈立体测绘在行业与民用领域有哪些应用？

李德仁：高分七号属于测绘卫星，这就涉及到另一个话题一—我国测绘卫星的成绩。中国的民用测绘卫星之路起始于2005年1月7日，当时中共中央政治局委员、国务院副总理曾培炎视察国家测绘局，各位专家在座谈会上就21世纪国际测绘发展趋势做分析，我提出建议：国家测绘局作为我国重要部门，要建设国家，要为人民服务，必须自力更生，拥有自己好的数据源，不能依靠外国。我国要发展包括测绘卫星、测高卫星、重力卫星等在内的六大卫星，并建议先发一颗1∶50000测绘卫星，分辨率在2.5m左右。当场，曾培炎副总理就批示支持发展我国测绘卫星事业。

项目立项完成，我和龚健雅院士及航天508所的卫星相机研制专家杨秉新一起为卫星设计参数。我们设计了一个前视、后视分辨率达到3.5m和正视分辨率达到2.1m的三线阵相机，地面幅宽为60km，影像量化级别10Bit。为了实现快速准确的彩色立体测图，我们又为这个相机增加了一个“眼睛”——5.8m分辨率的多光谱相机。因为测绘卫星的数据要用于地图绘制，必然对精度提出要求，因此在解决卫星上的传感器问题后，我们还在卫星上采用国产双频GPS接收机和武大刘经南院士的PANDA软件，提高定轨的精度。为了进一步确保精度，我和龚健雅院士、航天科技五院及解放军信息工程大学的专家一同到河南嵩山定标场进行在轨卫星几何定标，最终定标精度优于0.3个像元。

资源三号卫星高精度的设计要求和标准大大提高了后期数据处理的速度，我们自主编制了基于人工智能影像相关和粗差自动剔除的超大区域网平差软件，用60个计算机结点，基于GPU+CPU解算，7天就处理完了我国陆地20TB的卫星数据，生成了精度为3.5m的数字正射影像和4m精度的数字表面模型，并采用该技术实现了无地面控制点的1∶50000全球测绘，支持“一带一路”建设和国防需要。

高分七号继承了资源三号的优势，不同的是因为提高了分辨率（0.7m），相机体积大，卫星上放不下三个“眼睛”的立体相机，于是换为双线阵立体相机，增加了激光测高仪（高程精度达到0.3m）。高分七号的目标是要为国家制作1∶10000的地形图。

下一代测绘卫星的目标是小型化、轻量化、智能化，我们希望能在明年发射的珞珈三号智能小卫星上实现。珞珈三号卫星只有230公斤，卫星上载有一个面阵相机，可以实现80%的立体测图、20%的平面测图以及凝视视频成像。此外，这颗小卫星能够迅速在轨定位并搜索目标和变化，通过星地通信和地面5G技术，在1分钟之内将信息发送到用户手机里。

从资源三号到高分七号，再到珞珈三号小卫星，发展历程代表了测绘卫星的三代，它们互相补充、互为配合。

再谈立体测绘技术的应用，高分七号的立体测绘数据已经由陕西测绘地理信息局成功完成珠峰周边的三维立体测图。地球本来就是三维的，三维实景影像更为逼真，这为社会管理、经济建设和生态环境调查等都提供了更真实的数据，其发展前景十分光明。

商业化运营推动航天事业良性循环

记者：当前我国高分卫星专项进入收尾阶段，您认为还有哪些需要提高的地方？

李德仁：高分专项和它后续的空间基础设施建设，大大提高了中国对地观测的能力，包括北斗三号的建设，也提高了中国的对地观测和导航的能力，取得很大的成绩。但是要把这两个系统成果用好，还需要努力解决“好用”和“用好”的问题。

存在哪些问题呢？总结来说是卫星用好和卫星好用两方面的问题。在卫星用好方面，卫星的数据需求、获取、分发与共享缺少动力和机制，数据积压在一些部门，很多用户想要数据但是无法得到；在卫星好用方面，本来我们卫星元器件受西方国家限制，很多用的都是二等品，要将二等品做成好用产品就得下功夫，再加上卫星上天后，外在环境复杂，要持续维护卫星以保证获取有质量的数据也需要花费力气，但是相关部门并无动力或资金去持续改善卫星质量，将卫星变得好用。

这背后深层次的原因是我国的卫星发射是政府投资，不存在将发射卫星的钱赚回来的压力。2014年8月底，我和多名院士代表中国工程院向国家提交了一份咨询报告，建议国内的高分辨率遥感卫星尽快实现商业化。10月，李克强总理在办公室会议上宣布，允许民间资本进入航天领域，从此以后商业航天如雨后春笋，呈势如破竹之势。做卫星产业的有研制“高景一号”的中国航天科技集团公司、珠海欧比特、长光卫星技术有限公司等，这些商业公司形成了如春秋战国时期的群雄竞起局面，这个势头是非常好的，但需要宏观指导、规划和资源整合。

通过商业化卫星运营，实现发射卫星—利用卫星数据获利—维护、发射卫星的循环，形成了按照国家要求的可持续发展的航天产业。商业化运作调动了两个积极性，使相关国有企业与民间企业，相互促进、相互竞争，提高了我国的卫星技术、水平和应用，努力推动我国走向航天强国。

对地观测卫星升级

谱好对地观测脑三部曲

记者：您近年来提出了“从对地观测卫星到对地观测脑”，这是一个新的转变，请您为我们详细讲一讲“对地观测脑”的概念。

李德仁：我们先从人类大脑特点说起，大脑就像一个超级智能计算机，能够对于五官感知的数据进行存储、认知、分析、推理、决策等，比如当你看见一个熟人，脱口而出：“小王，你最近好像瘦了”，这就是人脑的智能体现——首先大脑获得这个人的图像数据，然后迅速从数据库里搜索比对，这和数据库里的哪个图像是吻合的？现在和原来相比有哪些变化？短短几毫秒钟，大脑就做出了智慧判断。

以此类比，我们原来建立的对地观测卫星系统就仅仅是感知地球的手段，只能单纯获取数据，后期需要人对数据进行再处理并决策，一系列过程耗费时间太久，尤其当面临紧急情况、分秒必争之时，容易误事。我想举两个例子具体阐明，第一个是2008年汶川地震，当地的遥感影像并未及时获取，因此震中判断不准。解放军接到命令去汶川救灾，但是去了之后发现，震中实际上在汶川县下的北川镇和映秀镇，因而丧失了生命救援的黄金72小时。灾害应急需要我们快速、准确、智能化地回答问题。第二个是中国海军在非洲执行抓捕海盗的任务，中国卫星已经拍到了海盗的位置，但必须等到卫星过境转到中国上空，这个数据才能下载到地面站再进行处理解译，四五个小时过去了，海盗早已经不在那个位置了。这体现了当前的遥感、导航和通信卫星系统运行各自独立、信息分离，无法及时提供服务。

这两个例子启发我们，能否将对地观测卫星系统上升成为对地观测脑呢？现在天上有导航卫星、遥感卫星和通信卫星，正好像人的眼睛（遥感、导航卫星）、耳朵（通信卫星），将通导遥卫星一体化组成一个系统，形成一个大脑，这个大脑能够对“眼睛”“耳朵”感知的数据进行智能化处理，为用户提供PNTRC的功能——P（position）代表位置，N（navigation）代表导航路线，T（time）代表时间，R(remote sense）代表遥感图像、状态，C（communication）代表通信，即这些信息可以发送到你手上的接收设备中——这就是对地观测脑产生的过程。

但是做好它并不简单，有7个原来根本没有的关键技术需要解决，我邀请了各个领域的院士专家，请他们一同来攻克难关——

第一个是星载在轨智能处理，简单来说就是怎么在天上用人工智能技术做在轨智能处理，比如跟踪识别目标，变化检测等，这个是我来牵头，通过地球空间信息技术协同创新中心组织一大批青年学者来解决这项难题；

第二个是天地一体化网络通信，在天上处理完数据后，需要它与通信卫星联动往地面传回，到了地面后再利用5G信号传出去。当前，清华大学的中国科学院院士陆建华正在牵头研究这个问题；

第三个是天基资源调度，地面用户有很多需求，用哪颗卫星去服务呢？我请了北京理工大学的中国工程院院士张军来解决，因为张军院士曾经管理了中国所有的飞机调度；

第四个是太空环境安全，涉及到空间物理和网络安全诸多问题，我们请了武汉大学的中科院院士窦贤康校长来研究；

第五个是星基导航增强，要将北斗卫星导航精度提高到0.5m，除了地基增强外，必须要用低轨的卫星增强高轨的北斗导航卫星，才能保证在无法建立地基增强系统的地区获得实时高精度导航定位。目前，刘经南院士和我们实验室陈锐志主任正在攻克这个难题；

第六个是天基信息智能终端服务，要把信息送到用户的手机上，实现信息智能服务，这个难题交给了龚健雅院士；

第七个是基于载荷的卫星平台设计与研制，新一代的小型化、智能化卫星要怎么做，怎么打破原来的条条框框？这个问题，我请了航天科技院的张庆君研究员来解决，国家自然科学基金委有一个重大专项支持这项研究。

记者：这项工作十分艰巨，目前有没有一些突破？

李德仁：这项工作是一个原始创新的难题，我们正在与全国相关专家共同攻关。现在已经有了三个成功案例。第一个是我们在中国的多颗卫星上实现了寻找海上的移动目标，精度达到10m内，然后把处理压缩过的数据送到中国的静止轨道通信卫星，通过星地通信落地，再利用光纤或者5G送给用户，时间在1分钟内。第二个是，我们在长光卫星技术有限公司的红外遥感卫星“吉林一号”上，利用热红外图像自主识别森林高温火点，同时能把森林着火点的坐标算出来，再用北斗短消息直接从低轨卫星传送至森林救火队员，整个过程只需要20秒。原来是卫星扫描以后图像落地，人来寻找着火点再去上报，需要1～2小时，现在这个系统大大提高了效率。第三个是利用珞珈一号小卫星做了低轨增强高轨导航卫星的实验。在卫星上，我们装了一个2.5公斤的载荷，它能够同时接收北斗、GPS的双频信号进行实时自主精密定轨和授时，然后向地面发射两个L波段的导航信号，用这两个信号来增强地面用户接收，从而将导航精度提高到伪距法的2m，如果用载波相位法，则可以达到3cm精度。

这三个案例证明了我们的对地观测脑是完全可以实现的，为了实现这个目标，现在我们正在规划对地观测脑的PNTRC三部曲——

第一步做一个局域的（local）覆盖南中国海到华北地区，这大概需要20颗遥感卫星和1～3颗静止轨道通信卫星，实现15分钟的时间分辨率，1分钟处理将亚米级分辨率目标图像和亚米级导航定位精度送到用户手机等智能终端上；

第二步是区域性的（regional）覆盖中国及周边一带一路国家，这大概需要100颗遥感卫星，其中遥感卫星一半是光学卫星，一半是是雷达卫星，保证白天、夜晚都有影像，再加上150颗通信卫星；

第三步是全球的（global）。如果要实现对全球服务，预计需要200颗遥感卫星、300颗通信卫星。服务指标是时间分辨率5分钟，即要求的图像目标在5分钟内找到，分辨率和导航精度达到0.5m，在轨处理与通信时间小于1分钟便送达用户手机，开拓B2B、B2G和B2C的空天信息智能服务，为国家创造万亿产值。这是我们正在继续努力奋斗的最终目标。

通过“谱”好对地观测脑三部曲，实现“一星多用、多星组网、多网融合、智能服务”，我们才能实现由航天大国向航天强国的跨越，服务习近平总书记提出的国家精准治理及实现人类命运共同体的目标，实现中国两个一百年奋斗目标。

后记

一个半小时的采访过得真快！

李院士的桌子上有个很大的地球仪，采访过程中遇到记者疑惑的地方，他不时站起来用拳头比作卫星放在地球仪的赤道上空，旋转地球仪为记者讲解，非常宏大的知识和课题在李院士的拆分、讲解下变得清晰易懂，让人不由自主沉浸在测绘的海洋里。这让记者想起武大测绘学院的院士共讲一门基础课，让枯燥、冷门的《测绘学概论》变成热门的旁听课程的新闻，台下的学生想必和我是一样的感受吧！

采访结束，快走到信息学部大门时候，回首，发现遥感信息工程学院大楼上挂着两条长长的红色横幅，与楼下矮矮的绿色桂树相互掩映，煞是好看。横幅上写着：立壮志扬信息时代风帆下五洋捉鳖，树雄心撷遥感科学菁英上九天揽月。想起李德仁院士采访时说的那句话“一个人要用自己的本领为国家多做事！”正是有李院士这样为国为民的精神传承和师心造化，才有了一代又一代为我国测绘遥感事业献身的测绘人。下一个十年，我国的卫星遥感事业必将迈上新台阶，我们拭目以待！（来源：中国测绘学会作者：郝哲）

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