作者:彭科峰 来源:中国科学报 发布时间:2016/6/27 10:59:20
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毛克彪:遥感灾害监测和空间气候变化模型创新者

毛克彪(左)和中山大学地学院院长柳林教授

■本报记者 彭科峰

6月13日,“高分四号”正式投入使用,这也是世界上地球同步轨道分辨率最高的对地观测卫星。专家认为,此举将显著提升我国对地遥感观测能力。

毫无疑问,遥感技术正在各个领域得到广泛应用并发挥重要作用。遥感技术的发展,也离不开像中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员毛克彪这样的青年遥感科研人员的参与和努力。

在2008年南方大雪冰冻灾害监测中,毛克彪综合利用自己提出的算法作出的灾情图件提交到了国务院,为救灾提供了有力的支撑信息,凸显了遥感在大尺度灾害监测中的作用。

2015年,毛克彪中选国家自然科学基金委项目“基于遥感研究气候变化背景下农业旱灾时空变化对粮食生产影响”。2016年5月,毛克彪被授予“全国优秀科技工作者”。“在国家对科技创新的高度重视下,在基金委等各部门的支持下,青年科研人员正迎来全新的发展机遇。”在接受《中国科学报》记者采访时,毛克彪这样说。

从中科院到农科院

在毛克彪看来,遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息,判认地球环境和资源的技术,其本身就是一种交叉学科的体现。“遥感几乎涉及到地学所有的学科,还有计算机、电子、物理和数学。对我个人而言,因为在本科和硕士期间就在不同的专业听课,在工作中能很好地将不同的专业知识融合到一起。”

“1997年,我考上东北师范大学,学的是城市规划与区域开发专业。2001年,考上南京大学的研究生,开始从事地图学与地理信息系统专业的学习。”毛克彪说。

2004年,毛克彪考上中科院遥感所的博士,师从遥感科学国家重点实验室主任施建成,继续地表温度和土壤水分反演算法的深入探索。在这期间,毛克彪得到郭华东院士、李小文院士等科学大家的关怀和建议,得以迅速成长。2007年刚到中国农业科学院参加工作时,得到了唐华俊院士在工作和生活上的关怀,使得自己在中科院所做的工作在农业领域充分应用,毛克彪说。

2008年初,南方发生罕见的大冰灾。李小文主动组织大家承担监测灾情发展的任务。一天深夜,李小文给毛克彪打来电话:“南方天气太复杂,可见光和热红外遥感无法派上用场,微波的常规算法无法监测雪情。国家遥感中心和国务院等着我们遥感界拿出雪灾发展分布图,你能不能想想办法?”

“国内各个灾害监测中心都无法作出结果,我确实也没有把握,但还是硬着头皮答应下来。”毛克彪回忆说,他随后用了两天两夜的时间,将雪灾情况分布图做出来并提交给李小文。李小文进行修正后,将其提交给了国家遥感中心和国务院新闻办公室,得到高度好评。

别出蹊径的创新

当前,运用卫星遥感技术快速准确地获取大面积、长时间序列的地表温度和土壤水分,是应对多种自然灾害等诸多问题迫切需要开展的研究课题,其研究成果既具有重大的科学意义,也具有重要的社会经济价值。毛克彪从事水热参数遥感反演近20年,也做出了不少创新。

毛克彪介绍,地表热辐射在通过大气达到卫星传感器的过程中,主要受地表类型和土壤水分、近地表空气温度和大气水汽含量的影响。“在利用单波段热红外传感器准确计算地表温度过程中,必须满足三个条件:获取大气水汽含量计算大气透过率,获取近地表空气温度估算大气平均作用温度,已知地表类型和土壤水分准确估算地表发射率。”毛克彪说。

毛克彪在三个关键参数研究以及空间气候变化研究都做了大量创新研究工作。他通过利用同极化不同频率微波指数克服粗糙度的影响,建立了标准极化微波指数模型,提高了土壤水分反演精度;发明了一套利用GPS地面反射信号估算土壤水分的仪器和方法,填补了国内地面高空估算大面积土壤水分微波仪器的空白;提出利用卡曼滤波迭代优化方法估算窄波段、宽波段发射率及大气水汽含量,提高了反演精度。

近地表空气温度不但是影响大气平均作用温度的关键参数,也是能量平衡和气候变化研究里一个非常重要的参数。毛克彪和团队首次提出利用地表温度和发射率作为先验知识,建立迭代优化的人工智能方法,从而使得直接从遥感数据大面积反演近地表空气温度的反演方法变得通用。

在晴空条件下,毛克彪通过利用近红外波段估算大气水汽含量,提出了地表温度和发射率分步反演的新劈窗算法,提高了反演精度;针对多热红外波段数据,提出了同时反演地表温度和发射率的多波段反演算法,并利用神经网络进行优化计算,大大提高了反演精度和算法适用性。

毛克彪的努力也得到外界的认可。他曾经主持或作为核心成员参与各类国家重大、重点等科研项目近20项,在国内外期刊和国际会议发表论文100余篇,获得国家发明专利6项,国际专利3项,专著1部。他还参与获得两项国家科技进步奖二等奖,两项北京市科技进步奖三等奖。

要尊重科研发展的规律

从2007年以来,毛克彪研究当前气候变化预测模型存在的问题,首次提出了建立基于大数据和万有引力空间气候变化模型思想。

毛克彪认为,地球每天的天气和长时间的气候变化都是一种天文现象,极端天气是由对地球作用的天体轨道变化引起引力方向或者大小突然改变而导致的,人类在地球系统内部的作用是非常小的,特别是二氧化碳,只是微调或者扰动。

据此,毛克彪提出,要以大数据思维建立终极气候变化模型,即以开普勒三定律和万有引力定律为基础,建立一个以太阳或者银河系为中心的引力和磁场变化模型,模拟在行星运动过程中,磁场和引力方向变化以及太阳辐射变化怎样驱动地球大气水汽(云)、洋流运动和岩浆运动等,从而引起每天不同的天气变化,特别是模拟引力场和磁场方向突变引起地震和火山喷发,从而更加准确地预报重大自然灾害。

“我认为,可以利用地球极端气候周期变化反推天体运动规律和发现新的天体,用大数据思维建立复杂气候变化模型是未来气候变化研究的趋势。”毛克彪说。

当前,国家对于科技创新的作用日益看重。习近平总书记在“科技三会”上表示,科研人员要勇于挑战最前沿的科学问题,提出更多原创理论,作出更多原创发现。

对此,毛克彪认为,原创科学不是喊出来的,是脚踏实地做出来的。要尊重科研发展的规律,不能一刀切,机制要公开透明,要把科研人员从烦琐的日常琐事中解放出来。“在这方面,基金委做出了很多突破,在项目申请、管理等方面给予了科研人员更多的话语权。只有给科研人员松绑,才能极大地促进科技创新的发展。”

《中国科学报》 (2016-06-27 第6版 基金)
 
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