谱科研旋律 抒遥感情怀：记中国科学院遥感应用研究所高光谱研究室主任张立福

本刊记者 周珈慧

内蒙响沙湾

人类“鸟瞰”地球的梦想催生了遥感这门科学的兴起，高光谱遥感是遥感科学最前沿的领域之一。新中国建立后特别是最近的30多年，中国的高光谱遥感研究取得了长足的发展。未来，有着自身优势的高光谱遥感技术将会在越来越多的领域里得到广泛应用，并越来越彰显着其巨大的科技和经济价值。

为了使高光谱遥感技术能够在人们的生产和生活中创造更大的价值，我国遥感科学家们辛勤耕耘，创新不息，用他们的智慧和努力、坚毅和执着不断地谱写着高光谱遥感技术的新篇章。在这些致力于高光谱遥感科技创新和发展的专家学者里，中国科学院遥感应用研究所高光谱研究室主任张立福，多年来潜心在高光谱遥感技术的科研创新中，形成了自己的特色。

转行投入遥感怀抱

1988年，张立福以优异成绩考入武汉大学遥感信息工程学院，学习摄影测量与遥感专业，大学本科学习期间，他的专业学习成绩并不算突出，他爱好文学更多于所学专业。他热衷于文学创作，更多精力投入了文学创作当中，并陆续发表了若干篇微型小说作品。大学毕业时因其在文学创作方面“小有名气”，且政治表现优秀，被学校看中留校在出版社工作，成为了一名新闻出版工作者。后又因其工作刻苦努力，很快成长为出版社的中坚力量，期间他历任编辑部主任、发行部主任，多次被评为优秀共产党员，湖北省优秀编辑，所编辑图书曾获得国家科技进步三等奖、湖北省优秀图书编辑奖一等奖等各种国家、省部级奖励若干次，是当时出版社获得各种图书成果奖励档次和数量最多的编辑。那时的张立福在图书编辑岗位如鱼得水，本以为将来会在新闻出版战线一展宏图，并在文学创作上有所建树，他从没想到自己日后能成为“国家队”的专职科研人员。

至于为何后来放弃爱好的文学，从新闻出版战线转投遥感科研的怀抱，张立福笑言那都是“缘分”的结果，“1996年，在‘缘分’的促使下，我在职攻读了武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室的硕士学位，在学习过程中，我对遥感这一领域的科研工作产生了浓厚的兴趣。”正是这次“缘分”，让张立福真正爱上了这个让他日后倾注全部热情与精力的领域。

2011年澳大利亚CSIRO高访

2011年指导学生野外试验

接触的时间越久，掌握的理论越多，张立福越发现，遥感是一门应用面很广的科学，它不仅涉及到全球变化和地球系统科学方面的研究，在资源环境和其他领域也有着广泛的应用。遥感研究的广阔前景让张立福更加坚定了扎实深入地将自己的研究开展下去的念头。攻读完硕士学位后，“机遇”使他有机会全身心备战武汉大学博士研究生入学考试，他拿到了武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室公费博士生录取指标，得到了攻读博士学位继续深造的机会。

“我们国家在高光谱遥感研究领域起步比较早，在国际上处于领先位置，但在仪器研制，尤其是核心遥感探测器件的制造工艺方面，我们相对落后于发达国家。”当时国内有限的仪器研究条件和求知的欲望使张立福认识到，科学是无国界的，想要在遥感研究领域有所建树，就必须要走出国门，到国际上去学习更多先进的遥感科学技术理论和方法。

2003年，张立福远赴日本深造，期间他受到国外教授严谨细致、一丝不苟的钻研精神以及国外科研体制的影响，使他很快由非科研行业，转入正宗国家科研团队，并能够在短短几年取得突出成绩。

“在日本，很多学者都不局限于自身专业的限制，完全按照自己的兴趣做研究，把科研当成是兴趣和享受，这种自由研究的科研氛围对我影响很大。”一年后，张立福不仅拿到了博士学位，研究成果还获得了日本京都市长奖。

2005年，张立福回国进入北京大学从事博士后研究，期间曾获得博士后科学基金一等奖资助，当时一等资助全国仅有10名，而他所从事的专业只有他一人得到一等资助，同时他也获得了863面上研究项目一项。博士后研究期间，张立福还历任北京大学博士后联谊会副秘书长、副理事长、北京博士后联谊会副秘书长等职务。

尽心打造一流团队

早在日本留学时，张立福就心系祖国遥感事业的发展，积极参与中国驻外使馆的各种活动。近年来，作为一门应用广泛的科学，遥感技术的重要性日益突显。张立福看到，近年来在国家的大力扶持下，国内遥感领域的很多科研项目正在起步，作为一个长期置身于国际研究领域的“有经验的人”，如果能够回国参与到这些科研项目的筹备和发展过程中，更好地借鉴国际的先进经验和成熟做法，就能够帮助国家将投入最大化地转化为效益，使资源得到优化配置！

求学北大，其自由民主的科研氛围不仅使张立福的学术水平得以提升，还使他得以结识我国航空遥感开拓者、高光谱遥感创始人、中国科学院院士童庆禧先生。2007年，张立福博士后出站，被人才引进到中科院遥感所童庆禧院士研究团队从事高光谱遥感科学研究，成为了一名专职的科学研究人员。

2010年，张立福开始担任中科院遥感所高光谱研究室主任，这个研究室是上世纪90年代，在童庆禧院士积极倡导下创建起来的，它是国内最早从事高光谱遥感研究的机构之一，提出和发展了一系列高光谱遥感信息处理和分析的理论和模型，研发了HIPAS等相应的遥感专业处理软件，承担了973、863、国家自然科学基金等一系列国家重点研究项目，取得了一系列重要研究成果。

对于团队的管理，张立福有着自己的标准，“首先要有事业心，要在工作中对自己从事的工作有一个执著的追求，踏踏实实地做自己所从事的科学研究。此外，还要有独立思考和解决问题的能力。”“搞科研需要团队通力合作，我对我的团队有信心！”“我提出要建立‘自由开放，兼容并蓄’的团队文化。”

目前，高光谱研究室现有科研人员14名，其中1名院士，6名研究员，5名副研，8名助研；博士硕士研究生30名左右。高光谱研究室致力于高光谱遥感领域的技术和应用发展，对团队的前景，张立福踌躇满志。

勤奋成就遥感专家

置身于中科院遥感所，从事的又是遥感技术最前沿的领域，更重要的是有我国高光谱遥感界权威科学家童庆禧院士和薛永祺院士两位院士的悉心指导，张立福如鱼得水，也正是在这里，他的科研活动得以向高、精、尖方向发展，站在了国际高光谱遥感前沿。

近10年来，张立福一直从事高光谱遥感理论与信息提取模型、高光谱遥感典型应用研究。在多源/多时相卫星数据归一化特征提取模型构建、新型高光谱植被指数模型建立、地面成像光谱数据典型应用、高光谱影像空间分辨率增强算法研究、多维光谱数据库理论与数据库设计等高光谱遥感的前沿科学问题方面，取得了初步研究成果。得到了国内外学者的初步认可和正面积极引用，研究成果曾获日本《京都市长奖》，日本奈良女子大学、日本京都同志社大学等有关高校以及国内武汉大学等研究人员，目前仍然利用他提出的UPDM以及VIUPD指数进行后续的应用研究。他还多次被邀请在国内外举办的遥感领域国际会议上做特邀报告等。

多源/多时相卫星数据归一化特征提取模型UPDM研究

多源/多时相卫星遥感数据是实现区域乃至全球尺度遥感变化监测、生态参数反演等研究必备的数据源，必须不断的发射各种或者系列卫星，才能满足长时间序列的遥感监测对卫星遥感数据的需求；然而，由于卫星寿命的限制，在长期的遥感监测过程中，所使用的遥感数据的载荷类型和指标不可能一成不变，因此，必须研究一种针对该需求的多源/多时相卫星遥感数据的归一化特征提取模型，来解决不同卫星数据的归一化问题，保证遥感监测和定量遥感数据的一致性和可靠性。张立福自2001年开始，从事多源/多时相卫星遥感数据的归一化模型、特征提取研究，创造性地提出了一种UPDM特征提取算法，建立了基于该算法的归一化特征提取模型。

UPDM模型提取后的遥感特征，对于长期大尺度的遥感连续监测，植被信息提取，生物量遥感反演等等影响区域乃至全球的大的科学问题时，可以不用考虑多源、多时相的遥感数据的参量同化问题，对于快速分析研究重大科学问题，具有明显的科学意义。

高光谱植被指数VIUPD研究

在进行陆地生态、生物量估算、植被参数反演等研究中，一般是利用植被指数作为中间参数，建立经验模型，例如生物量估算、NPP、LAI等。VIUPD的计算利用了整个波段的有效信息，更能够反应植被的细微变化，因此，基于VIUPD建立的模型，精度更高。利用该植被指数进行Aboveground Biomass（AGB）反演，精度明显高于其它植被指数。

VIUPD植被指数由于利用的是不依赖于传感器的特征参数，本身具备多传感器归一化的特征，因此即使是多源卫星数据计算得到的植被指数，也可以直接进行比较，这一点对于长期的环境监测、生态反演，具有重要的科学意义。

地面成像光谱数据典型应用研究

高架车野外试验

张立福及其团队在国内开创性地开展了地面成像光谱仪的应用，在高光谱定标方法研究、在植被信息生化参数反演、中药药效成分反演等方面，取得了原创成果，相关成果已经陆续发表在“Sensors”，“Int.J.Remote Sensing”，“IEEE Trans.GRS”、“光谱学与光谱分析”等刊物上。

目前，地基成像光谱系统越来越受到全世界各领域研究者及公司的青睐，此外，在我国也有学者呼吁尽快发展新一代智能遥感卫星系统，这些传感器系统的一个重要共同点就是可以根据需求和研究目的不同，手动或者自动调节系统成像参数，以获取高信噪比的数据。这一特点给传感器辐射定标带来了难题和挑战，张立福团队提出的基于可变成像参数的辐射定标模型可以有效解决该类传感器辐射定标难的问题，普通用户也不用担心海量定标系数的管理与使用问题，这将促进该类新型传感器系统的广泛应用，具有明显的科学意义。

高光谱影像空间分辨率增强算法研究

高光谱遥感技术已经发展了近30年，但其应用能力远没有发挥出来，究其原因是高光谱影像的空间分辨率往往不高，目前水平商业卫星最高的也只有30m的空间分辨率，这样就造成了光谱信息的混合，限制了直接从高光谱影像进行地物识别的能力。张立福及其团队在高光谱影像空间分辨率增强研究方面，取得了初步成果，申请发明专利2项，获得发明专利授权1项，国际刊物发SCI论文3篇，成果得到了大家的认可。

自主研制的高光谱仪器FISS近照

高光谱数据的光谱特征对地物目标的识别具有指纹鉴别效果，但由于高光谱数据的空间分辨率不高，所得到的光谱基本上是地物多目标的混合，因此，以提高高光谱地物识别能力为目标的高光谱影像空间分辨率提高算法研究，显得很有意义，可以大大提高高光谱数据的应用能力，同时也为新型高光谱对敌观测模式设计和数据质量评估提供重要的理论参考。

多维光谱数据库理论与数据库设计

张立福在遥感领域首次提出了“多维光谱数据库的概念与设想”，使得原有的以二维表格形式存储的光谱库概念得到了拓展，丰富了传统光谱库的概念，能大大提升以“图谱”合一为特色的成像光谱数据库的有效信息量和检索速度。该思想得到了国家自然科学基金的资助。

该研究的科学意义在于，实现高光谱影像图谱合一的存储和显示，通过多维数据模型来构建多维高光谱数据库，实现高光谱数据的有效组织和查询，在尺度转换算法的支持下，得到不同空间分辨率和光谱分辨率的光谱数据，为高光谱遥感技术在应用领域尤其是地矿领域的应用提供支持。该想法是他在遥感领域首次提出，有望对推动遥感光谱数据的存储、管理以及高效利用，发挥重要作用。

近焦张立福

记者：请通俗地介绍一下什么是高光谱遥感？在这个领域中，您的研究主要是针对哪些问题或方向展开的？

张立福：高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称。它是在电磁波谱的可见光，近红外，中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。其成像光谱仪可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能被探测。

2011年澳大利亚，与女儿在一起

我的研究方向包括：高光谱前沿技术研究、瞄准前沿算法、前沿关键技术等。发展先进的高光谱信息提取模型，通过研发高光谱成像仪器，带动高光谱研究和关键问题的解决，以典型行业应用，检验验证发展的模型与算法。最终将研究成果在行业领域推广应用，为各行各业创造价值。

记者：实际应用来说，研究高光谱技术具有怎样的现实意义？我国对高光谱技术的研究在国际上处于怎样的位置？

张立福：高光谱遥感由于具有较高的光谱分辨率，利用高光谱数据中地物的诊断性光谱信息，能够实现对地物的精细识别和定量参数反演。

说中国高光谱遥感的发展，必须提到两位院士，一位是童庆禧院士，还有一位是薛永祺院士。童院士是我们国家高光谱遥感的开拓者，这个概念是从美国引入过来的，他跟薛院士共同协作推动了咱们国家高光谱遥感的发展。

从80年代初开始，我们陆续有一些航空高光谱遥感仪器在上海技术研究所研制出来了，后来去日本、马来西亚、澳大利亚做实验，我们带的都是我们自己的设备，我们靠中国自己的技术和实力，征服了世界。我们国家在高光谱遥感研究领域起步比较早，站在了国际高光谱遥感前沿。

在高光谱遥感仪器研制方面，国内有上海技术物理研究所、长春光学精密仪器研究所，西安光学机械研究所等科学院系统的研究所，从事航空航天遥感载荷研制，安徽光机所也开始从事高分遥感载荷研制中科院系统的几家遥感载荷研制单位各有特色，我们与上海技物所开展合作起步比较早，基础比较好一些。在应用技术方面，我们给美国、澳大利亚、日本、马来西亚都提供过技术服务，应该说在应用技术方面我们是不落后的。

记者：目前，您的工作进展情况如何？下一步，您有怎样的计划和安排呢？

张立福：我在做关于成像光谱技术前沿应用领域的研究，例如，利用激光作为主动光源，激发地物产生荧光，进行地物光谱特性基础性科学研究；进行植被、矿物荧光探测机理的研究，解决一些高光谱遥感挑战性的基础前沿科学问题，为我国的遥感科学与技术发展提供重要的理论和技术支撑，发挥科学院作为国家遥感科学发展中火车头的作用。