遥感第一课：高瞻远瞩

洪洋+尹颖尧+曹晓晨

授课老师：国家“千人计划”特聘专家、北京大学博雅讲席教授洪阳

课 程：《高瞻远瞩遥感者 博大精深地信人》（遥感第一堂课）

时 间：9月13日上午8点00分～9点50分

地 点：北京大学理科教学楼404教室

学 生：北京大学地球与空间科学学院2017级地空5班新生

我有三个梦。

一是学术梦——建立世界一流科研团队。这个梦已经实现了，不论是美国的科研团队、清华的科研团队，还是在北大要建立的科研团队，至少在遥感领域，我的科研团队是世界一流的。

二是中国梦——发展中国自己的卫星遥感，实现遥感大数据+智能物联网。

三是地球梦——世界和平、共享繁荣（world peace and shared prosperity）。

遥感（remote sensing），remote意为遥远，sensing是感知，遥感即遥远感知。

人眼，就是广义上的遥感器（remote sensor）。

遥感是一门年轻学科，它提供了一个前所未有的对宇宙奥秘、对人类生存环境的观测手段和能力。小到把不同的传感器，即把红外线、雷达等传感器安装在汽车上，汽車在行驶过程中能360度立体重构周边的景象；大到把传感器安装在飞机上，可大面积航拍；再大到把卫星传感器送入太空，可全方位观测地球；还有很多传感器，可再集成太阳系、银河的图形、颜色……我的美国宇航局同事约翰·马瑟，借助传感器观测宇宙微波信息，发现“宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”，推演宇宙大爆炸0～30秒间的过程，获得了物理学诺贝尔奖。

遥感是一门综合性学科，基于物理学，研发可以感知的传感器（sensor）时，需要运用电子学知识；把传感器获取的大量信息繁衍成产品时，需要计算机知识。

物质世界数字化

未来三十年，新一轮科技革命将深刻影响世界。未来，是“万物相连+数据为王+人工智能”的超级智能时代，这个时代由“数码世界物质化”和“物质世界智能化”引领。

未来三十年的科技发展，是以物质世界数字化为起点的。这个阶段已经完成，未来的十年是数字世界物质化。实现了物质世界数字化，就可以重新再创造一个物质世界。比如VR采集了大量数据信息后，可重建一个现实，重建一个物质世界。只要有一个人足够的信息，就可以将TA“重生”，在家里走来走去。大家身处北京、纽约等不同的地方，通过通讯、投影等数字世界物质化，可以让大家“真实”地坐在一块儿，面对面、甚至用眼神交流。

在已完成的物质世界数字化中，遥感在信息采集上起了很大作用。万物相连、人工智能、重建时空，信息数据是最基础的，而遥感是获取这些信息数据的基础性手段。要把数字世界物质化，需要重建时间和空间，就需要遥感与地理信息系统的知识。地理信息系统是以地球为核心建立时间、空间坐标的，在此基础上，以最佳路径或最短路径重建时空。

遥感天然就是大数据。遥感拥有自己的观测体系。高空、高太空使用卫星，目前，全球民用卫星有一千多颗，它们全方位观测地球和人类社会；中太空，使用飞机；近地，使用无人机；城市中的各种摄像头，也属于遥感范畴……这些积累了海量的视频等数据。我在国外工作时，研发了遥感卫星航空航天大数据，回国后，继续研究遥感大数据。

我们发现，绝大部分数据都是时空数据。这些数据要么反映空间，要么反映时间，要么时间空间都反映。时空大数据，也是遥感研究的一个前沿方向。目前，时空大数据仍以地球为中心，它奠定了物联网、云计算、VR技术的社会应用基础。未来，会不会以太阳系为中心建立时空大数据？以银河系为中心建立时空大数据？以宇宙为中心建立时间大数据？

想象有多大，交叉就有多多

遥感，还是一个交叉型学科。

在北大，我们的目标是建立世界一流遥感大数据平台，这个平台能与北大各个院系交叉。比如在地空学院内部的前沿交叉，研究数字地球、遥感地质、遥感矿产资源；与城市与环境学院的前沿交叉，研究遥感水文、遥感气象、环境遥感、智慧城市；与医学院的前沿交叉，研究三维影像、精准医学；与海洋研究院的前沿交叉，打造海洋遥感大数据平台；与计算机学院的前沿交叉，建立运行高性能遥感大数据平台；与经济学院的前沿交叉，研究遥感金融大数据、太空经济学、空间信息基础设施……

有一张卫星图片，它基于卫星图像发布中国制造业指数。每天，高分辨率卫星拍摄、跟踪中国工厂进进出出的物流车，分析每天的产品生产量，得到每天的制造业指数。这些指数和数据可服务于证券商、投资商、股票商。这就是遥感与金融的一个结合。

北大遥感所与我

下面介绍一下北大遥感所的历史。

1974年，北大筹划国家计委地质总局航空地质学习班。这之前，我们拿着锤子到处勘探。自此，我们可以通过航空、飞机、卫星跟踪。

1975年，开办航空地质学习班，这是历史上著名的北京大学“第一期遥感培训班”“黄浦一期班”。

1981年，国家科委成立国家遥感中心，下设技术培训部、研究发展部、资料服务部，其中国家遥感中心技术培训部就设在北京大学。

1983年，开建北大遥感楼，曾一度是北大标志性建筑。

……

中国的遥感科学技术是从北京大学萌芽的，它的从无到有是在北大实现的。在北大，唯一小于40岁的学科是遥感学科，在世界上，遥感学科也很年轻。

同学们一定要看准未来，不要选择顶峰学科，或走下坡路的夕阳学科，一定要把个人的发展和国家的发展、经济的发展相结合。比如在“一带一路”国家战略中，沿线区域土地覆盖、植被生长状态、农情、水文、资源与环境等，都需要遥感技术的支撑。《2015～2020年中国地理信息产业发展前景与投资战略规划分析报告》指出，2018年中国地理信息产业市场规模将达到7600亿元，2020年11000亿元，作为这个产业的主力军，遥感学科前途无限。endprint

目前，北大遥感学科建设分为三个阶段。

近期目标（2020年），建设相对完整、富有特色的测绘科学与技术一级学科，建立地图制图学与地理信息工程、海洋遥感与全球变化两个专业方向，重点培育遥感大数据等前沿研究方向，建立以理工文结合为特色的学科体系；在定量遥感、全球变化水能量循环遥感、行星微波遥感、时空大数据学科方向取得突破。

中期目标（2030年），建立具有国际水平的学术团队，形成国际化创新型人才的培养机制，初步建成具有国际一流水平的北京大学测绘遥感和地理信息学科；在定量遥感、全球变化水循环遥感、行星微波遥感、时空大数据等领域引领学科发展，进入国际一流。

远期目标（2050年），在全面把握国际测绘科学与技术的前沿领域的基础上，形成具有重要国际影响的核心研究方向；培养优秀的国际化创新人才，拥有多位具有国际影响力的大师级学者；实现北京大学测绘遥感地信学科整体位于国际一流前列（前千分之一）的目标。

我1999年从北大硕士研究生毕业，到美国亚利桑那大学读博，博士毕业后进入加州大学尔湾分校从事博士后研究，出站后在美国宇航局（NASA）工作，之后执教于俄克拉荷马大学，不到四年晋升终身教授，再以中组部国家特聘专家身份回国，受聘于清华大学。离开北京大学的18年后，2017年夏天，我再次回到本科就读的北京大学地球与空间科学学院，被聘为北大博雅讲席教授。

在遥感领域，我主要研究全球水与能量循环（water and energy cycle）。

2000年前，我们还没有办法研究全球的水与能量循环，推动这项研究实现的关鍵因素是遥感，它可以大面积、三维、四维、全方位观测地球。通过遥感卫星三十多年的数据，我分析了全球水循环的变量蒸散发情况。蒸散发，指土壤、树、庄稼、湖泊、海洋等中的水，由于热力等气候要素作用，水分蒸发和散发的总和。

这张图（见下）说服力强，没有卫星遥感，是无法做出这样的全球侦探图的。图中的沙漠和干旱地带的蒸散发几乎为零，而亚马孙雨林、非洲中部和西非的蒸散发最多，它们就是地球的两个“肺”。地球要是没有“肺”，就如人不能呼吸。火星和月球没有呼吸，它们的蒸散发全是靠泥。宇宙学界有个说法，水星是地球的过去，火星是地球的未来，如果我们不爱护地球，没了肺，地球就成火星了。

我的研究领域还有一个是重力卫星遥感。物理学中的重力系数平均值是9.8N/kg，但地球的不同地方，重力系数不一样。即便是同一个地方，由于表面水、地下水的变化，昨天、今天、明天的重力系数也可能不一样。利用这种重力变化，我们开发了重力传感器。它运用两束互相追踪的激光，在300多公里的高空绕地球飞行。遇到重力大的地方，激光会下沉；重力小的地方，激光上浮。就这样，我们分析出了2003年～2013年中国的总储水量变化图，在《自然》《科学》等发表了多篇论文。endprint