以图传讯 问诊地球

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學信息，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S C I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。