2024 年 6 月 24 日，2023 年度國家最高科學技術獎揭曉，武漢大學的李德仁院士憑借在地理資訊科學領域的卓越貢獻獲此殊榮。
作為國際著名的測繪遙感學家，李德仁院士在近 40 年的科研生涯中，緻力于提升大陸遙感對地觀測水準，為大陸從測繪遙感大國到測繪遙感強國的轉變做出了傑出貢獻。讓我們一起來了解一下這位地理資訊科學泰鬥的主要科研成就吧。
李德仁，中國科學院院士，中國工程院院士，武漢大學教授、博士生導師，國際著名測繪遙感學家。現任武漢大學測繪遙感資訊工程國家重點實驗室學術委員會名譽主任，地球空間資訊技術協同創新中心主任。（圖檔來源：科技日報）
初出茅廬：解決測量學的百年難題
1982 年，李德仁院士在德國波昂大學進修期間，首創了從驗後方差估計導出粗差定位的選權疊代法，這一方法被測量學界稱為“李德仁方法”。
随後，他在斯圖加特大學攻讀博士學位時，創立了誤差可區分性理論和系統誤差與粗差探測方法，解決了一個測量學的百年難題。這項成果使他獲得了斯圖加特大學博士論文曆史最高分，并榮獲1988年“漢莎航空測量獎”。
那麼，如何通俗地了解“李德仁方法”呢？
想象你正在努力組裝一幅大型拼圖，這個拼圖有成千上萬片，代表着從衛星或飛機拍攝的大量測量資料。你的任務是把這些拼圖準确地拼在一起，形成一幅完整的地球表面圖像。聽起來很簡單，對吧？但是問題來了：有些拼圖檔可能被家裡調皮的小朋友偷偷換了位置（這就是“粗差”），有些可能因為生産過程中的小問題而稍微變形（這就是“系統誤差”），還有一些可能因為各種原因稍微偏離了正确位置（這就是“偶然誤差”）。
現在，你要在不知道哪些拼圖檔有問題的情況下，找出并糾正這些錯誤，同時還要盡可能準确地完成拼圖。這就是測量學家們長期面臨的難題。李德仁方法就像是一個智能助手，幫你一步步解決這個複雜的問題：
首先，它會概略地看一遍所有的拼圖檔，找出那些明顯不對勁的部分（粗差檢測）。然後，它會仔細檢查每一片拼圖，看看是否有輕微的變形或系統性的偏差（系統誤差識别）。接着，它會考慮到所有拼圖檔之間的關系，用數學方法計算出每一片應該放在哪裡（最優估計）。最後，它會反複進行這個過程，每次都變得更精确，直到找到最佳的拼圖方案。
李德仁方法的獨特之處在于，它能夠同時處理這些不同類型的誤差，而且可以在處理過程中不斷提高精度。這就像是一個超級玩家，不僅能糾正拼圖中的錯誤，還能在拼圖過程中逐漸看清整幅圖像的樣子。在現實世界中，它幫助科學家們從海量的測量資料中提取出精确的地理資訊，為繪制精确的地圖、監測地球變化等工作提供了強有力的工具。
學成歸國：引領遙感技術趕超世界水準
回國後，李德仁院士加快研究步伐，帶領團隊持續開展基礎理論和重大技術創新。1991 年，他提出“3S 內建”（GNSS 全球衛星定位系統、RS 遙感、GIS 地理資訊系統）理論，獲得國際認可。3S 內建所構成的現代遙感地理體系，也協助人類實作了天空地一體資訊化移動測量的曆史跨越。接下來，我們就對這幾項技術做一個簡單的介紹。
想象一下，你有一雙能夠随意放大縮小、穿透雲層，甚至看穿地表的“超級眼睛”。這雙眼睛不僅能看到地球表面的每一處細節，還能準确知道它們的位置，并且能實時分析它們的變化，這就是現代遙感地理體系的魔力。
該體系主要由三個部分組成，就像是一個超人的三種超能力：
遙感（RS）就像是超人的“千裡眼”。通過衛星、飛機甚至無人機上的傳感器，我們可以從高空擷取地球表面的圖像和資料。這些“眼睛”可以看到可見光、紅外線，甚至是雷達波。它們可以穿透雲層，在夜間工作，甚至能“看到”地表下的情況。
DMSP 衛星，其搭載的 OLS 傳感器可以探測夜間燈光分布（圖檔來源：維基百科）
全球導航衛星系統（GNSS）就像是超人的“定位器”。通過 GPS、北鬥等衛星定位系統，我們可以精确地知道地球上任何一個點的位置。它的性能如此精确，甚至可以測量出地殼的微小移動。
北鬥-M5 衛星（2012-050A）的地面軌迹圖，白點為其在某時之位置，而白線包圍的區域為其在該處的服務範圍。（圖檔來源：維基百科）
地理資訊系統（GIS）就像是超人的“高能大腦”。它可以将從“千裡眼”和“定位器”獲得的海量資料進行存儲、分析和可視化，将複雜的地理資訊轉化為我們容易了解的地圖或 3D 模型。
地理資訊系統的經典執行個體：約翰·斯諾 1855 年的地圖，展示了 1854 年倫敦霍亂疫情中的病例聚集區。（圖檔來源：維基百科）
這三種“超能力”結合起來，就形成了現代遙感地理體系。它讓我們能夠全方位、多角度、高精度地觀測和了解我們的星球。例如，當發生自然災害時，這個系統可以快速提供災區的詳細資訊，幫助救援隊伍更有效地開展工作。
在城市規劃中，它可以提供詳細的地形、建築和人口分布資料，幫助規劃者做出更明智的決策。對于農業，它可以監測作物生長狀況，預測産量，甚至指導精準施肥。
随着技術的發展，現代遙感地理體系正在變得越來越智能。人工智能加入後，它不僅能“看到”，還能“了解”它所“看到”的東西。未來，它可能會成為一個真正的“地球大腦”，幫助我們更好地了解和保護我們的家園。
2003 年，李德仁院士作為牽頭人向國家提出“建設大陸高分辨率對地觀測系統”的建議，這成為國家 16 個重大科技專項之一。在随後的 15 年裡，他帶領團隊完成了體系論證、技術攻關、系統研制和重大應用，推動大陸高分辨率對地觀測系統從無到有、從有到優。
上方是被動式遙感，以可見光遙感為代表，被動接受地物發射或反射的電磁波；下方是主動式遙感，以微波遙感為代表，主動發射電磁波并接收反射的信号（圖檔來源：維基百科）
志在千裡：擦亮中國的“東方慧眼”
為了進一步提升大陸的遙感技術水準，李德仁院士帶領團隊開展了“通導遙”一體化天基資訊實時服務系統（PNTRC）關鍵技術攻關，啟動了珞珈系列科學試驗衛星工程，并成功研制發射了 4 顆珞珈系列衛星。
更具前瞻性的是，李德仁院士推動了“東方慧眼”智能遙感星座計劃的建設。2022 年 4 月，“東方慧眼”智能遙感星座一期工程正式啟動，2024 年 2 月 3 日，由李德仁擔任首席科學家研制的東方慧眼高分 01 星成功發射，實作了業務化運作。這标志着大陸在“通導遙”一體化智能遙感衛星系統方面取得了重大進展。
“東方慧眼高分 01 星”（即“煙台二号”）通過捷龍三号遙三運載火箭成功在大陸廣東省陽江海域成功發射入軌（圖檔來源：武漢大學新聞網）
結語
從解決測量學的百年難題，到引領大陸遙感技術趕超世界水準；從推動“東方慧眼”智能遙感星座計劃，到培養新一代測繪遙感人才，李德仁院士用他的智慧和汗水，推動了中國測繪遙感事業的跨越式發展。他的科研曆程不僅展現了一位傑出科學家的執着追求，更彰顯了中國科技工作者勇攀高峰、服務國家的崇高精神。
正如他所說：“科學是要為祖國服務的。”這種精神将繼續激勵着更多的中國科學家，為建設科技強國貢獻力量。
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來源丨科普中國
作者丨郭菲 煙台大學
監制丨中國科普博覽
責編丨一諾
審校丨徐來 林林