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求索智能遥感 擦亮生态底色

来源:  发布时间:2024-03-11

  ——记郑州大学地球科学与技术学院副院长、教授赫晓慧

   唐慧乔  吴应清  

  

  在20237月举办的全国生态环境保护大会上,习近平总书记特别强调:“把建设美丽中国摆在强国建设、民族复兴的突出位置,推动城乡人居环境明显改善、美丽中国建设取得显著成效,以高品质生态环境支撑高质量发展。”牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念,加快推进人与自然和谐共生的现代化,已成为我国现阶段的重要课题之一。而在此过程中,如何实现对相关生态环境资源的充分“了解”,并及时对其状态和发展趋势进行监测,也成了摆在相关科技工作者面前的一道应用题。

  由于我国土地资源覆盖面广、包含因素众多等实际情况,相关工作很难全部以传统的实地测绘方式进行。随着近年来高时间、高空间、高光谱分辨率的遥感传感器及相关技术的出现,遥感技术已可以胜任不同尺度上的土地利用/土地覆盖调查,在降低调查成本和时间的同时,其自动化、智能化的发展方向也为实现更精准、智能和多样化的测量,以及后续的土地利用信息分类及应用提供更多可能。以遥感大数据挖掘与智能提取、区域生态遥感建模为主要发力方向,致力于遥感与深度学习的深度融合,以及遥感产品在生态领域的应用与产业化研究的郑州大学地球科学与技术学院副院长、教授赫晓慧,正是这条路上不懈前行的求索者之一。


问道山川高原,绘就绿色新画卷


  九曲黄河,蜿蜒连绵。身为河南人,赫晓慧曾一次次目睹过黄河的壮美;而投身生态遥感领域后,她与黄河的“缘分”更是不一而足。在博士后期间,她就在导师王芳的带领下到访西宁,就当地湟水河流域的规划展开相关研究。湟水河是黄河的一条重要支流,由于水量丰沛,加之当地脆弱的地貌结构和长期不合理的人为利用,当时的西宁水土流失情况严重,极易产生山洪、滑坡、泥石流等次生灾害。基于这一情况,他们从湟水河及其流域的具体情况入手,最终形成了包括河道整治、防治滑坡等具体内容在内的湟水河整体规划方案。“直到现在,我每年参与科考时都会路过西宁,亲眼见证了西宁的生态环境一步步变好。能用自己的工作给当地居民的生活环境带来如此大的改观,我感到十分自豪,也觉得自己的工作特别有意义。”

  而在对黄河另一重要支流——渭河开展水资源规划研究工作时,赫晓慧进一步了解到生态管理的重要意义和遥感技术在此过程中发挥的重要作用。此后,如何通过生态遥感手段,更好地获取相关信息并进行分析,为包括水资源在内的珍贵生态资源发挥其最大作用提供助力,也成了她心中常思常新的重要课题。

  人工智能技术的快速发展,使遥感与深度学习的深度融合逐步成为自动提取遥感影像地物特征、更好表征遥感地物潜在数据分布、提高遥感影像解译效率、促进遥感产业化发展的新路径。“特别是在生态相关领域,由于研究主体体量大、缺乏明确的边界且有较大的波动变化,这对样本建立、采集、分析都提出了更高的要求。而将深度学习应用于生态遥感领域,可以更好地展现大尺度上生态环境现状及未来生态环境演变趋势等内容,并为相关研究和成果产业化提供有力支持。”就此,赫晓慧将深度学习、人工智能等新兴技术打包进科研的行囊,着力为“遥感+深度学习”这一交叉领域架起一座沟通的桥梁。

  赫晓慧的努力很快得到了发光发热的机会。2021年,依托郑州大学建设和管理的国家超级计算郑州中心,赫晓慧团队积极践行服务黄河流域生态保护和高质量发展、中原城市群和郑州国家中心城市建设等国家战略,全力开展了河南省重大科技专项“面向超算的黄河模拟器构建与服务关键技术研究”。基于多源、多尺度、多类型的大规模综合观测数据,以及地学知识挖掘、应用模型关联融合、决策服务支持等技术,他们构建了超大规模计算集群支持下的决策服务与多维实时可视并行化模拟系统——黄河模拟器原型系统,重点突破黄河流域可靠数据汇聚、可信知识发现、可用服务构建等关键难题,实现黄河流域干支流、左右岸、上下游及城市群的生态保护高性能计算模拟、仿真与预测,对黄河流域存在的生态环境脆弱、水资源保障形势严峻、发展质量有待提高等问题实现快速发现并提供解决方案。

  仁者乐山,智者乐水。在第二次青藏高原综合科学考察研究“西风-季风协同作用及其环境效应”项目子专题“美丽青藏建设气象条件贡献率评价系统研发”中,赫晓慧团队将目光投向青藏高原,并从自身擅长的算法分析入手,结合实地验证及其他子课题项目成果,打通了气象条件贡献率和评价系统的“沟通”路径。而在此过程中,无论是实地考察时的艰辛,或是埋头攻关时面对的困难,都被赫晓慧总结为幸运——“在工作中,既能领略祖国的大好河山,又能徜徉于遥感技术这个世界范围内高精尖的科研领域,这是多么好的事情”。保持着这样的想法,她一步一个脚印,坚定地践行着“把论文写在祖国大地上”的庄严承诺。


瞄准具体场景,笃行不怠向未来


  “如何将研究成果转化为可实用的技术,并将之应用在实际场景中”是赫晓慧一直在思考的问题。近些年来,以智能遥感为核心,她持续开展关键技术攻关研究,据此形成的一系列智能遥感新方法、新理论,目前也已成功应用于智慧农业、生态监测等具体场景中。

  生态要素监测是赫晓慧团队重点攻关的课题之一。其中,赫晓慧尤为关注土地利用自动化、智能化分类的焦点问题,针对不同的土地利用场景和空间模式,提出了基于多层次上下文的土地利用自动分类框架,并基于这一框架完成了河南省10m土地利用制图,实现平均精度达到87%的土地利用准确分类。这一发布于地学国际期刊《国际应用地球观测和地理信息杂志》(International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation)的成果,可同时扩展到世界范围内各区域的土地利用分类任务中,进一步形成高精度、长时间及全类别的高质量土地利用解译产品,为国土资源规划、精准农业发展、洪涝灾害监测等提供科学的分析依据。此外,赫晓慧团队还将研究方向进一步扩展到了城市规划上,围绕遥感影像噪声标签难题,他们研发了序列深度学习方法和多标签整合道路提取模型,并成功应用于郑州市市区大规模道路制图任务上。目前,这一成果发表在遥感国际期刊《IEEE地球科学与遥感学报》(IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing)上,为城市规划、市民出行、交通管理等应用场景提供了有力的科学支持。

  身处农业大省,智能农业同样是赫晓慧关注的重点。通过结合遥感卫星与人工智能新技术,赫晓慧团队在长时间序列作物长势动态监测、农作物种类细分、田间精细农业信息获取等关键技术方面得到了突破,构建了面向时序多光谱影像的时空智能挖掘技术体系,为农作物估产、农田监测等应用提供了新思路。在她主持的国家自然科学基金面上项目“地表时空异质性干扰下的非平衡复杂场景冬小麦叶面积指数反演”中,赫晓慧针对地表时空异质性强烈干扰下的非平衡复杂场景叶面积指数精准反演面临的挑战,创造性地提出了针对大尺度农作物叶面积指数精准反演的迁移学习时空范式,为农作物数字化精准监管与智能决策提供了理论和技术层面行之有效的科学助力。而在国家重点研发计划“全球对地观测成果管理及共享服务系统关键技术研究”子课题“全球综合观测大数据多维多尺度可视化引擎构建”的研究过程中,针对国家重大战略中全球综合观测成果智能管理与共享的需求,赫晓慧以国家各卫星中心和基础地理信息中心对地观测成果为基础,研制了全球综合观测成果可视化平台,并通过地理时空数据多维多尺度动态表达模型、地理时空对象数据的渲染加速方法、多类型时空数据自适应化简渲染策略等多种高性能可视化方法,突破全球综合观测大数据多尺度动态表达、快速渲染技术瓶颈,为我国自有的全球综合观测大数据知识化管理与服务平台构建提供了强有力的支撑。正如赫晓慧所说:“作为整个项目的‘出口’,我们所做的工作就是通过二、三维快速一体化的方式,让曾经看不见、摸不着的遥感知识可以‘被看到’。”而她口中的这项基础性工作,不仅验证了系统的可用性,更为我国推行“一带一路”“海洋强国”等国家倡议时,运用相关全球综合观测成果智能服务提供新的可能性。

  谈及一路走来曾面对的困难,赫晓慧坦言:“基础科研最难的一点,就是很难在短时间内看到成果。”从我国产业自主化发展的迫切需求出发,赫晓慧团队在每一个“牵一发而动全身”的细小节点都要反复计算,以打磨国产硬件与常用算法、传统模型之间“不契合”之处。“这样的工作既基础又庞杂,但是很难产出亮眼的成果或文章,是很多人不愿意去啃的‘硬骨头’。”她说,“幸运的是,在团队上下长久的坚持和努力下,这些问题都被一一化解,后期相关工作的效率也得到了显著的提高。从这个角度来看,这段困难时光还是非常‘划算’的。”在赫晓慧乐观坚定的示范和带领下,一支合作无间、团结高效的团队也随之成形,成为领域内蓬勃成长的新生力量。


严要求厚关爱,育得源头活水来


  目前,赫晓慧所在的郑州大学地球科学与技术学院遥感与地理计算团队已拥有成员50余名,其中包含博士与硕士研究生40余人。在秉承严谨治学、亦师亦友育人理念的基础上,她始终坚持严要求与厚关爱相结合,强调价值塑造、能力培养、知识传授三位一体推进,在治学中要更加注重对学生品德的培养。在她看来,学生要具备两项重要品质:其一是科学严谨的科研态度,其二是善始善终的工作态度。面对遥感智能提取、遥感定量产品研发、植被参数反演等不同方向的团队成员和学生时,赫晓慧习惯于“跳出文献”,她会以合作单位提出的最新的现实需求或问题为课题,为学生布置相应的“大作业”。在充分激发他们的思考实践能力之余,她选择用“拼模块”的方式弥合学科交叉所带来的种种挑战。“团队中的每个人各自负责自己最擅长的部分,我通过顶层设计将相关成果归纳总结起来,是我们目前推行的工作模式。”在此基础上,她还着重强调了科研“落地”的重要性:“科研成果应该对社会有用,而不是单单为了‘做文章’。所以我现在就要求学生在取得初步成果、发表文章后,要将相关算法融入系统中去,并根据不同的场景需求进行具体的调整,最终交出的成果要是一个完整的平台软件,而不是止步于一篇文章。”这个办法,也正是她帮助学生了解本专业更前沿的技术与方向,为后续就业或深造提供有效参考的不二法门。

  谈及未来发展,赫晓慧诚恳地说:“我希望可以通过我和团队的共同努力,让遥感技术特别是遥感大数据相关技术真正地‘落地’,并且能用得好、用得精。”她期待以遥感实际应用问题为导向,将学科前沿的浸润和一线科研工作实践相融合。“在高校、科研院所、企业在对产业化应用做好调研情况后,针对市场需求展开科研攻关;同时在转化应用过程中,让科技创新成果成为一种自由流通要素,提升产业与技术的融合程度。在此基础上,我们期待建立一个共享平台,从而为海量的遥感数据提供自动查找、智能解疑及解疑结果精准推送的出口,也能为有切实需求却对相关技术了解不深的企业或用户提供可以简单快速获取所需解答的途径,或者根据他们的具体需求提供个性化的解决方案,将理论成果与遥感实践更好地结合起来。”

  一路走来,赫晓慧也时常要面对挫折的苦涩、探索的寂寞,然而她却很少诉说其中的艰辛。“因为我喜欢这个专业,所以不觉得累。”她用恬静的语调,诠释了“发愤忘食、乐以忘忧”的深刻意义。沿着人工智能和遥感基础理论的研究方向,她将继续坚定地行走在向前推进技术、培养更多人才的道路上,风雨兼程,躬耕不辍。
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2024年5月

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