情系激光遥感 力推三维地学——记北京大学地球与空间科学学院研究员林沂

□ 徐芳芳

大地连绵起伏，森林错落有致，在科技发展如此迅速的今天，林沂及其研究团队利用激光遥感这一利器，针对地球表面的复杂组成为何呈现如此美妙和谐的立体形态这一基础问题，观察、分析……探索不息。

林沂参加国际研讨会

随着航空航天、空间技术、电子技术、信息技术、光学技术等的飞速发展，遥感的数据获取能力不断增强。尤其是激光遥感技术，更呈现出突飞猛进的节奏，近30年来，这项新型前沿遥感技术已在资源环境、农业、林业、水利、气象、城市建设、海洋、测绘、防灾减灾等领域得到日益广泛的应用。

事实上，激光遥感的发展历史并不久远。20世纪初，爱因斯坦提出的粒子数反转理论构建了激光的产生原理，直至60年代科学家梅曼才研制成功了第一台激光发生器，之后虽然获得大量的技术推动，但真正发展为遥感领域的一个分支并趋于成熟，已到了90年代。自此，激光遥感技术蓬勃发展，逐步成为可取代传统全站仪、摄影测量的第三代三维空间信息获取技术的代表性分支。

在北京大学地球与空间科学学院研究员林沂看来，如果被动光学遥感技术是天地对话的“传达室”，主动激光遥感技术便可称为天地交流的“对讲机”。天空、陆地、海洋，人类原本生活在三维空间中，却发现三维信息的获取如此之烦琐，而这项技术却提供了一个特殊突破口，让我们能主动便捷观测到更多的三维信息，来开展更多与地学相关的认知研究工作。多年来，他扎根于激光遥感这一领域中，在新型激光遥感、森林生态遥感、环北极遥感、地球交互等方向不辍耕耘，作为激光遥感技术的科研推动者，他坚信该技术在未来的科学探索中必将发挥更大的作用，为国民经济建设和社会可持续发展提供更多的全方位基础信息和科学化决策依据。

注定遥感——学科交叉，探索前行

求学路上的多种体验，丰富了林沂的认知，并最终将他的科学研究方向引向了激光遥感领域。

1999年9月，林沂以优异成绩考入复旦大学光源与照明工程系光源与照明工程专业，本科期间掌握了激光相关的知识，并打下了深厚的光学应用专业基础。然而与光源照明打交道，实验研究必不可少，这也导致了林沂学习过程中对未来从事光学相关的研究产生过动摇，起因是班导师在做光源发光实验过程中触电身亡，给了当时年仅20出头的林沂非常大的冲击。于是硕士期间，林沂进入北京大学软件与微电子学院，转向相对安全的软件开发新行当。但是，在林沂的头脑深处，做工程师无法与做科学家相匹敌，因为本科接触到的神奇“光”始终在闪烁着，那份对自然的好奇总也挥之不去。如果能在之后的科学研究中将本科的科学知识与硕士的实践技能进行交叉结合，将会碰撞出怎样的火花？

2006年，林沂考入北京大学地球与空间科学学院，结合光学背景与编程优势，仿佛注定般开始了恰是以二者为基础的遥感专业的学习，师从童庆禧院士，开展了博士阶段的研究工作。读博期间，林沂初涉当时国内较为前沿的激光遥感研究，并作为负责人申请到中国测绘与地理信息局矿区空间信息技术重点实验室的该方向开放基金课题，开始了激光遥感的科研工作。

筑梦科研——辗转海外五国的研究之路

学海无涯，科研无境。只有在科研领域中永远保持对未知的好奇，才可以在不辍耕耘与实践中提升科研的水平，使自己拥有更广阔的科研视野，更前沿的学术思维。博士毕业后，如何能在之前的科学研究基础上，使自己更进一步，一直是林沂在思考以及前进的方向。

博士毕业前夕，在一次契机之下，林沂获得了芬兰大地测量研究所的科研工作职位。“借这次机会我可以了解国外的最新技术。”林沂说。在此之前，童院士曾提及国内高光谱遥感与芬兰开展了很好的合作，在中国艰苦的岁月里，芬兰是中国了解西方前沿技术的一个窗口，对华很友好，所以在接到邀请函之后，林沂便欣然踏上了国外求索之路，并于2009年8月顺利来到了芬兰大地测量研究所担任高级研究员，加入国际著名的激光遥感与森林生态遥感专家Juha Hyyppä教授的团队开展相关研究。

“芬兰全国1/3的国土在北极圈内，整个国家森林覆盖率非常好，环境优美，安逸祥和，夏季温和舒适，冬季严寒漫长，甚至上午9点钟天才亮，下午3点钟夜幕即开始缓缓落下，少有那种大都市生活的紧迫感与忙碌感，仿佛一切都慢了下来。”林沂说道。在那里他可以静下心来，全身心地投入科学研究之中，在这一期间，他参与了许多相关领域的前沿探索研究，如参与了世界上首台轻小型无人机激光雷达遥感系统的研发等，以优异的科研表现受到了所在单位的赏识，很快拿到了其永久职位。

访问德国海德堡大学

虽在国外从事研究工作多年，但林沂的心中一直牵挂着自己的母校，他说：“当初，我外出求学时，学校的遥感与地理信息系统研究所还没有从事激光雷达遥感教学科研的专职老师，中间回来看望恩师们时依然没有，我认为自己有责任来为母校的科研事业做出应有的贡献。”2012年12月，林沂放弃了国外的安逸生活，正式结束了在芬兰的研究工作，回到了北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所担任“百人计划”研究员。

回国后，林沂基于之前的研究基础，开始了激光遥感与森林生态交叉研究的深层科研探索。借着2014年拿到的澳大利亚研究奋进奖学金（Endeavour Research Fellowships）等的资助，他陆续出访了德国、奥地利、澳大利亚等的知名科研院所。在与多国的科研交流与合作中，林沂拓宽了学术眼界和思维模式，不安于一隅，走出去做科研，让林沂有了极大的科研收获。德国科技人的创新尝试、澳大利亚科技人对学术前沿的敏感度等，均打破了林沂之前对其固有的传统认知，并对自己今后的科研工作有了深层的思考。而从激光遥感研究的角度，这些国家的独特研究模式，也启发了林沂的研究思维改变与提升，将他在回国初期所从事的激光遥感与森林生态交叉研究提升至更为宏观的地球立体交互科学探索层面。

扎根北大——建立团队开展科研探索

科研探索并不意味着想法到了结果就到了。“科研无坦途，面对困难和压力，不会一味蛮干，而是想办法苦干加巧干。”在科研道路上，林沂一直在这样鼓励自己。即使如今的研究发展道路并不平坦，他也不会气馁，而是将研究视角放眼国际、直视差距，通过自己的努力让研究与国际前沿接轨。

在林沂的介绍下，记者了解到：目前，激光遥感与森林生态遥感领域研究的国际前沿发展势态是向多特征属性激光雷达遥感、三维森林生态学构建等下一代研究过渡。现如今，国内仍处于跟踪研究阶段，虽然从事该领域研究的科研人员逐渐增多，但是从事基础研究的人员仍然很少，很难做出原创性科研成果。

基于无人机激光雷达遥感系统进行研究

“如何能集中更多的研究优势开展更加系统性的研究工作”，林沂一直在思考。在这一现状之下，他在回国后开创性地组建了“面向自然认知的激光雷达遥感地球交互”团队，多年来团队规模日益壮大，并在团队成员们的通力合作下做出了许多有代表性的科研成果。在遥感技术创新层面，他们开发了多种新型激光雷达遥感模式及其相应的创新应用；在三维森林生态学推进层面，开展了森林生态系统三维碳水过程模式的探索及其个体竞争效应与整体空间格局的外在呈现统一分析，推动三维森林生态学的逐步确立；进一步开拓了激光雷达遥感与地球交互探索这一全新的交叉研究方向，推动超三维激光雷达遥感理论方法体系的发展，这对于从小尺度森林生态到大尺度地球交互的研究向系统化层级发展具有基础意义。

作为团队的领导人，从事科研多年来，林沂也主持及参与了多项国家自然科学基金研究项目，他将研究基于我国的发展现状，脚踏实地开展了一系列创新性科研探索。

现如今，随着摄影测量步入全数字时代和遥感进入高分辨率、立体观测时代，激光遥感技术应用的广度和深度日益拓展，而林沂团队代表性的一个重要的研究方向是聚焦在森林生态系统上。森林生态系统是“地球陆地上最大、最复杂”的生态系统，作为陆面过程的重要调控因子，森林在维持生物圈的稳定、维持大气中二氧化碳和氧气平衡、改善生态环境等方面起着重要的作用。而其调控作用的发挥，依赖的是功能运转良好的整个森林生态系统。针对如此复杂的系统，如何掌握其过程模式以及评价其机理功能至关重要。

森林生态系统的过程模式是当前的研究热点，因为其对于陆地生态系统的认知与管理具有典型的代表意义。了解森林的光合固碳与蒸散的水输运及其过程模式，是评价全球和区域初级生产力、模拟全球和区域植被生长、研究陆面过程与气候相互作用和预测生态系统变化等科学问题的关键环节，是研究地球表层物质迁移和能量流动、地球生物化学循环等的重大基础问题。然而目前存在碳水生化过程分析与三维形态结构表征不统一的问题，这已严重影响了对于森林生态系统整体认知的推进。

针对上述问题，结合国内至今尚无成熟的森林生化过程模型这一基础性缺失现状。2018年3月，林沂成功申请了国家自然科学基金面上项目“激光扫描与涡度测量：三维森林生态系统碳水过程模式”。

在这一项目中，他和团队创新性地引入可直接三维测量的激光扫描技术，从其与涡度测量组合的宏观生态系统建模角度切入，跳出常规深究碳、水生理机理的模式而以其表观呈现为抓手，探讨森林外在形态与内在生化驱动的关联，通过改进传统大叶模型至多叶模型等方法，表征森林碳水过程三维耦合模式，开发与森林生长动态内、外统一的三维过程模型与原型软件系统，实现与国际上新兴的森林三维过程前沿研究保持同步，推动对森林生态系统的认知由二维到三维的转变，这无论反向对森林生理生态机理研究或正向对生物地球化学循环研究等均具有基础推动意义。

在与团队自主开展科研工作之外，林沂也一直在寻求与不同单位的科研交流与合作，并取得了诸多亮眼的科研成果，他所领导的科研团队与大连海事大学合作的项目“基于无人平台的遥感定标传感识别与应急保障技术”还获得了2017年度中国航海学会科学技术奖一等奖。在这一项目中，他们将大量关于遥感信息处理、遥感辐射定标等研究成果拓展应用于海洋海事，所开发的技术在合作团队的工作中得到了较好实践。而面对荣誉，林沂却始终保持着一名科研工作者的谦卑与踏实，他说：“奖项的获得只是对自己前期工作的肯定，实际上跟读书越多发现懂得越少是一个道理，获得了奖项的同时，我也发现了后续仍有数不清的待解问题，对于自身来说，这反而是一种再前进的动力。”

教学相长——脚踏实地前行

辛苦探索终有所成，林沂的研究队伍也初具规模。在多年的发展下，目前，林沂团队人数一直保持在10人左右，对于团队建设，他历来秉持“带着跑”而非“赶着走”的原则，他说：“言传身教才是最好的人才培养模式。”在林沂的引导下，已有硕士毕业生就职广东水利水电研究院等科研单位，为我国的科研事业贡献着力量。

如今，林沂还担任着5门课程的教学，科研与教学密切地交织在一起，让他每天的生活变得十分充实。虽然教学比重相比之前加大了很多，但林沂发现讲课其实是一件很快乐的事，与北大优秀学生的高脑力互动，是他调节枯燥科研生活的重要方式。

对于教学，林沂一直有着属于自己的观念。比起强迫学生去做什么，他更希望自己的学生能够发挥主观能动性进行学习。“很多人读了4年大学，但却不知道大学的本质是什么。其实，近现代大学直接起源于中世纪的欧洲中世纪大学，古代埃及、印度、中国等都是高等教育的发源地。1088年，意大利建立了第一所正规大学——博罗尼亚大学，它是欧洲最著名的罗马法研究中心，当时，其实是几个年轻人，为了探讨教会的知识，请了几位老师来给他们讲授。事实上，大学的本质应是以学生为出发点。”林沂说。

在课堂之余，他总是会穿插一些诸如此类的小故事，向学生传授相关的理念，他希望学生能够真正理解大学的本质是什么，了解自己进行大学学习的目的所在，明确自己努力的方向。只有内心有了目标的指引、方向的支撑，才能更好地投身于学习、研究之中。

结合自己目前的研究领域，林沂也在探索一些全新的课堂改革方式。2019年，林沂成功申请了北京大学本科教学改革项目“三维思维——激光雷达遥感教学创新与实践”。

访问澳大利亚科廷大学

进行这次教学改革的初衷则是因为，林沂在过去两年开设“激光雷达遥感导论”选修课程的过程中，发现传统教学方法无法有效触发学生对该方向的认知与重视，常规的课堂PPT原理讲解、简单实验实践等并不能增强学生地学探索与应用的三维意识。然而，其他高校却已准确把握激光雷达遥感将成为下一代空间信息领域重要技术这一趋势，几乎全部在大力推进激光雷达遥感的教学与科研，在开设遥感科学与技术、地理信息科学等本科专业的高校中，均将“激光雷达遥感”作为重点建设或重点发展的课程，为了能改变这一现状，林沂开展了这项相关教学改革工作，希望能通过这一项目，使学生对三维空间信息获取的最新遥感手段及其潜在应用等深入掌握，真正建立面对地球与空间科学探索、技术开发与应用拓展的“三维意识”，为将来从事相关的工作与研究打下坚实的基础。

时光飞逝，转眼间林沂回国已6年有余，自2012年年底回到祖国开展工作之后，他就马上调整好了自己的工作状态，多年来，他兢兢业业教学，踏踏实实做科研，在工作上的投入远远大于生活，好在林沂的家人非常理解他的工作性质，并给予了极大的支持，使他在工作上没有了后顾之忧。现如今，所有的工作都在按部就班地进行，林沂也正在逐步摸索工作与生活的平衡，过去几年，林沂在学生、同事眼中是“勤劳”的代表，今后，他希望自己的状态是“勤劳又懂生活”，也给学生做出表率，以免把学生带成“习惯了当苦力的科研工作者”。

在林沂看来，科研的魅力就是探索发现。科研人身处其中就像在黑夜中探寻道路，在不断探索下突然为万千大众找到了一条可走的路，这种自豪感是不可比拟的。接下来，林沂还将领导团队推动在研的几个具体方向过渡到下一个阶段，并着手超三维激光雷达遥感技术的基础理论、三维森林生态学、立体地球交互等支撑的三维地学新学科的建立，与团队成员们携手同行，迈向科研新阶段！