測繪遙感學(xué)家李德仁——
精準(zhǔn)測繪大地山河
本報記者 谷業(yè)凱
人物小傳
李德仁，武漢大學(xué)教授，中國科學(xué)院院士、中國工程院院士，測繪遙感學(xué)家。1939年生，江蘇泰州人。1963年畢業(yè)于武漢測繪學(xué)院，1985年獲德國斯圖加特大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)博士學(xué)位?，F(xiàn)任教育部地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心主任，是我國高精度高分辨率對地觀測系統(tǒng)的開創(chuàng)者之一。
2024年2月3日，“東方慧眼高分01星”通過捷龍三號遙三運載火箭在廣東陽江海域成功發(fā)射。這顆運行在距地520公里的太陽同步軌道衛(wèi)星，搭載高分辨率推掃相機、全自主化在軌智能處理終端，集成北斗短報文和星間實時傳輸終端，具備在軌實時生成與分析功能，能夠有效提升用戶獲取遙感信息的速率。
這是“東方慧眼”智能遙感星座的業(yè)務(wù)首發(fā)星，也是通信、導(dǎo)航、遙感一體化智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的一次重要實踐。“我們希望到2030年，‘東方慧眼’建成由200多顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星組成的智能遙感星座。”擔(dān)任這顆衛(wèi)星首席科學(xué)家的李德仁（見圖一，新華社記者熊琦攝），向著“看得快、看得清、看得準(zhǔn)、看得全、看得懂”的目標(biāo)，不懈努力著。
心系祖國，學(xué)成歸國投身測繪遙感學(xué)科建設(shè)
作為認知地球和環(huán)境的重要技術(shù)手段，測繪遙感為各行各業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的支撐。但在近40年前，李德仁學(xué)成回國時，受測繪遙感科技水平制約，中國人對地理信息知之甚少，更別說利用這座“富礦”為經(jīng)濟社會發(fā)展服務(wù)了。
留學(xué)期間，李德仁已經(jīng)在國際測繪學(xué)界有所成就：他在1982年提出的處理系統(tǒng)誤差的方法，被學(xué)界稱為“李德仁方法”；1985年，他在自己的博士論文中解決了誤差可區(qū)分性這一測量學(xué)領(lǐng)域的難題。
盡管收到多家國外科研機構(gòu)的工作邀請，心系祖國的李德仁卻一一婉拒。1985年2月底，他取得博士學(xué)位，3月初就站在了武漢測繪學(xué)院的講臺上，這里也是他的母校。
武漢測繪學(xué)院（后更名為武漢測繪科技大學(xué)，2000年并入武漢大學(xué)）的前身——武漢測量制圖學(xué)院是1955年由國內(nèi)5所院校的測量專業(yè)集中創(chuàng)建的。但在上世紀80年代，學(xué)院測繪遙感學(xué)科人才面臨斷檔問題。
回國任教后，李德仁干的第一件事就是編寫教材。他先后編寫了《基礎(chǔ)攝影測量學(xué)》和《解析攝影測量學(xué)》，又依據(jù)自己的博士論文編寫了《誤差處理與可靠性理論》——后來作為研究生教材。
測繪遙感是一門重視實踐的學(xué)科，尤其在一些人跡罕至地區(qū)的基礎(chǔ)測繪工作，更是實踐中的難點。為解決實踐中出現(xiàn)的問題，李德仁創(chuàng)新性地提出“把GNSS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）放到飛機上”，運用“GNSS空中三角測量”技術(shù)，很快完成了無需地面控制點的測圖任務(wù)。
李德仁還指導(dǎo)博士生編寫了軟件，有效解決了困難和危險地區(qū)測圖的技術(shù)難題，后來這項成果獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。
緊跟學(xué)科前沿，推動測繪遙感更高水平的智能化
建立高精度高分辨率對地觀測體系，離不開遙感衛(wèi)星。本世紀初，我國遙感衛(wèi)星核心元器件受限、軟件受控，嚴重制約了國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的發(fā)展和應(yīng)用。
“當(dāng)時的條件下，我們想的是用一流的數(shù)學(xué)模型把硬件上的差距補回來。”李德仁主持設(shè)計論證了我國第一顆民用測繪衛(wèi)星“資源三號”的系統(tǒng)參數(shù)，建立了衛(wèi)星遙感影像的高精度幾何處理技術(shù)體系，大幅提高了衛(wèi)星遙感影像的自主定位精度。
李德仁帶領(lǐng)團隊主持設(shè)計并建立了衛(wèi)星地面定標(biāo)場，通過地面高精度定標(biāo)場和大規(guī)模區(qū)域網(wǎng)平差等方法，將“資源三號”衛(wèi)星影像無地面控制點的定位精度從300多米提高到3至5米，完成9000多萬平方千米的全球1∶5萬測圖，開創(chuàng)了國產(chǎn)衛(wèi)星高精度測圖從國內(nèi)走向全球的新階段。
2003年，李德仁作為牽頭人，聯(lián)合多位院士專家向國家提出建議：“要把中國的衛(wèi)星分辨率從原來的5米、10米，提高到亞米級。”2006年，高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項被列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，2010年全面啟動實施。
“我們做測繪遙感的人，始終要堅持自主創(chuàng)新。”李德仁帶領(lǐng)團隊研制了高分辨率衛(wèi)星遙感地面處理系統(tǒng)。經(jīng)過10年的建設(shè)，高分辨率對地觀測系統(tǒng)實現(xiàn)了我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的自主可控，相關(guān)成果有力推動了新一代國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為我國航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展做了技術(shù)及人才上的儲備。
隨著新一代信息技術(shù)的加快發(fā)展，測繪遙感技術(shù)與數(shù)字經(jīng)濟的耦合協(xié)同效應(yīng)不斷增強，與經(jīng)濟社會聯(lián)系日益緊密。“緊跟學(xué)科前沿，不停歇地做中國人自己的產(chǎn)品”，成為李德仁的又一個目標(biāo)。多年來，他牽頭研制的地理信息系統(tǒng)軟件、移動測量系統(tǒng)等高科技產(chǎn)品，不僅實現(xiàn)了技術(shù)國產(chǎn)化，還成功走向市場。
“東方慧眼”智能遙感星座項目建設(shè)也在穩(wěn)步推進中。“我們要努力實現(xiàn)測繪遙感更高水平的智能化，推動天上的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星一體化組網(wǎng)，讓天上有對地觀測的‘慧眼’和‘大腦’，讓空天信息更好服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展。”李德仁說。
扎根三尺講臺，為年輕人的發(fā)展創(chuàng)造更多可能性
一生投身測繪遙感事業(yè)，既出于對事業(yè)的孜孜追求，也源自對腳下這片土地的熱愛。
2014年，李德仁和夫人朱宜萱兩人到塔克拉瑪干沙漠西南邊緣的新疆維吾爾自治區(qū)麥蓋提縣參加學(xué)術(shù)活動，被當(dāng)?shù)馗刹咳罕娭紊吃炝值木窀袆?。此?0年間，他們兩個人發(fā)起義務(wù)植樹活動，19批志愿者積極投身其中，種下了數(shù)萬株苗木。
“我們讓學(xué)生每年做一次麥蓋提縣的遙感圖，能夠真切地觀察、感受到隨著植樹面積增長，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境越來越好。”朱宜萱說。
十年樹木，百年樹人。“龔健雅院士在做中國的數(shù)字地球模型、國產(chǎn)地理信息系統(tǒng)；楊必勝三維建模做得很好，他用無人機做碳排放、碳吸收的研究非常精準(zhǔn)；我還有個研究生正在用人工智能技術(shù)，在大量遙感數(shù)據(jù)中自動解譯目標(biāo)……”講起自己學(xué)生手頭上的工作，李德仁如數(shù)家珍。
在所有身份中，李德仁最看重的是教師，最看重的事情則是上課。《測繪學(xué)概論》這門課是始自1997年9月、面向本科新生的基礎(chǔ)課，7位院士先后加入教學(xué)團隊，一講就是20多年。
在學(xué)生們眼中，李德仁很會“賣關(guān)子”：“把攝像機放到飛機上進行測量，會出現(xiàn)什么問題？如果放到衛(wèi)星上呢？”提問漸次深入，課堂氛圍更加活躍，他便順勢引入講課重點，“學(xué)問就藏在課堂內(nèi)容里，請看攝影測量……”
2022年，在李德仁的推動下，武漢大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)10多所高校共同論證遙感科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科建設(shè)。目前，全國已有300多所大學(xué)開設(shè)了測繪遙感地理信息專業(yè)。
“未來要靠年輕人，他們在研究上超過我們，我們非常高興。”李德仁說，“作為高校教師，我們要把教育辦好，把科技搞上去，還要把人才培養(yǎng)好，為年輕人的發(fā)展創(chuàng)造更多可能性。”
實驗物理學(xué)家薛其坤——
在物理學(xué)前沿長跑
本報記者 喻思南
人物小傳
薛其坤，清華大學(xué)教授，中國科學(xué)院院士、實驗物理學(xué)家。1963年生，山東蒙陰人。1984年在山東大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1994年在中國科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位。先后在中國科學(xué)院物理研究所、清華大學(xué)、南方科技大學(xué)工作，是改革開放后我國成長起來的杰出科學(xué)家之一。
早上7點到實驗室、晚上11點離開，這樣的作息，薛其坤（見圖二，清華大學(xué)供圖）雷打不動堅持了30多年。
薛其坤的研究領(lǐng)域是凝聚態(tài)物理，是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系的學(xué)科，是當(dāng)今物理學(xué)最大也是最重要的分支學(xué)科之一。在這一領(lǐng)域，薛其坤率領(lǐng)團隊不斷突破，創(chuàng)造性地發(fā)展了一系列國際通用的實驗技術(shù)，取得量子反常霍爾效應(yīng)、界面高溫超導(dǎo)等原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
不斷攀登高峰，動力何來？“對科學(xué)研究的熱情與執(zhí)著，對推進國家科技進步的責(zé)任和信念，促使我努力向前。”薛其坤說。
“不跟風(fēng)，專注于做‘從0到1’的研究”
“不跟風(fēng)，專注于做‘從0到1’的研究”，這是薛其坤的合作者和學(xué)生對他科研態(tài)度的評價。
量子反?；魻栃?yīng)是一個新領(lǐng)域，在推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展上應(yīng)用前景很大，成為全球凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點。
從2009年起，薛其坤帶領(lǐng)團隊，對量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)起沖擊。雖然團隊前期完成了很好的基礎(chǔ)性工作，但量子反?；魻栃?yīng)出現(xiàn)的實驗條件非?？量?。能否找到合適的材料，在這種材料中又能不能觀測到量子反?；魻栃?yīng)，一切都是未知數(shù)。
認準(zhǔn)這座科研高峰，薛其坤義無反顧地去攀登。
先后生長測量了1000多個樣品、一步步提高樣品質(zhì)量，2012年底，薛其坤團隊終于成功在實驗中觀測到量子反?；魻栃?yīng)。這是在反?；魻栃?yīng)提出131年后，人類首次觀測到反?；魻栃?yīng)的量子化。2013年，該成果在《科學(xué)》雜志上發(fā)表，被審稿人評價為“凝聚態(tài)物理界一項里程碑式的工作”。
在認知范圍內(nèi)，挑戰(zhàn)最有價值的研究，貫穿薛其坤做科研的始終。
2005年到清華大學(xué)工作，薛其坤瞄準(zhǔn)長期困擾物理學(xué)界的難題——高溫超導(dǎo)。這一探索就是8個年頭。2012年，他帶領(lǐng)團隊發(fā)現(xiàn)了單層鐵硒與鈦酸鍶襯底結(jié)合而產(chǎn)生的界面高溫超導(dǎo)。該發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)主流共識，增進了科學(xué)界對超導(dǎo)材料的認識，國際超導(dǎo)界開展大量追蹤研究。這是高溫超導(dǎo)領(lǐng)域，我國科學(xué)家開辟的全新研究方向。
薛其坤并未止步。2017年，團隊將量子反?；魻栃?yīng)觀測溫度提高了一個數(shù)量級，并首次實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)多層結(jié)構(gòu)；2018年，團隊與合作者首次發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓撲絕緣體，開啟了國際上又一個熱點研究方向……
今天，沿著量子反?；魻栃?yīng)以及相關(guān)量子態(tài)的應(yīng)用研究、高溫超導(dǎo)機理研究兩個方向，薛其坤團隊正開展新一輪攻關(guān)。“這是國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最關(guān)注的研究方向，我們要努力站在世界前沿。”薛其坤說。
“夜深人靜時，與論文、數(shù)據(jù)打交道，那種感覺很純粹、很幸福”
理論物理學(xué)家的預(yù)言對不對，往往需要實驗物理學(xué)家長時間去驗證。
做量子反?；魻栃?yīng)實驗，薛其坤團隊用來實驗的樣品，僅有5納米厚，制備每一個都非常不易。這樣的樣品，4年中，他們做了1000多個。
實驗失敗是家常便飯。每次失敗后，薛其坤就會再次帶領(lǐng)團隊優(yōu)化樣品、改進方法。再失敗、再優(yōu)化、再改進，一路上“循環(huán)往復(fù)”，直至實驗成功。
2012年初，從理論上看，團隊似乎解決了所有能想到的問題，然而，量子反常霍爾效應(yīng)的實驗結(jié)果離最終的成功還非常遙遠。團隊成員、清華大學(xué)物理系教授何珂回憶，那段時間大家壓力很大，“擔(dān)心研究就此停滯不前”。
關(guān)鍵時刻，薛其坤給團隊打氣。他常用自己“做針尖”的故事鼓勵團隊。攻讀碩士期間，薛其坤用到的實驗儀器是場離子顯微鏡，樣品是金屬針尖。他在導(dǎo)師的嚴格監(jiān)督下，每天至少要試做3個針尖，兩年做了1000多個針尖。其間雖沒有發(fā)表任何文章，但熟練掌握的實驗技術(shù)，對后續(xù)工作幫助很大。在薛其坤的鼓舞下，團隊經(jīng)過一輪輪沖刺，最終實現(xiàn)了技術(shù)突破。
薛其坤身上這股子韌勁從何而來？薛其坤說，自己生長于山東蒙陰縣的山村，是沂蒙山里出來的孩子，不怕挫折，“皮實”。自己打小就想當(dāng)科學(xué)家，一路追夢，也遇到不少挫折。經(jīng)歷了3次考研，直到1987年，薛其坤才考上研究生，進入中國科學(xué)院物理研究所凝聚態(tài)物理專業(yè)學(xué)習(xí)。
在實驗室，日復(fù)一日觀察樣品、整理數(shù)據(jù)，薛其坤不以為苦，而以此為快樂和享受。薛其坤說，“每當(dāng)實現(xiàn)重大突破的時候，那種滿足感是其他事情很難替代的。”也正是這種滿足感，鼓舞著他在物理學(xué)前沿持續(xù)長跑。
如今，薛其坤有了更多身份。2013年起擔(dān)任清華大學(xué)副校長，2020年起任南方科技大學(xué)黨委副書記、校長……身兼科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、行政管理等多項職責(zé)，無論角色怎么變，他對科研的極致追求沒有變。“夜深人靜時，與論文、數(shù)據(jù)打交道，那種感覺很純粹、很幸福。”薛其坤說。
“中國人要有學(xué)術(shù)自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學(xué)難題”
實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，材料需要既具備磁性又是絕緣體，由于磁體通常為導(dǎo)體，這是一個自相矛盾的要求。
說來也巧，在清華大學(xué)物理系教授王亞愚眼中，一些看似矛盾的地方，也完美融合在薛其坤身上。
薛其坤對學(xué)生和藹親切，他會給實驗室學(xué)生帶夜宵，與學(xué)生們打成一片；看到學(xué)生在實驗操作上有一點馬虎，他又會嚴厲批評，嚴肅告誡學(xué)生“做實驗必須專心致志”。
薛其坤身上有中國人傳統(tǒng)的一面，但作為科學(xué)家的他卻處處求“新”。王亞愚回憶，對待研究，薛其坤倡導(dǎo)獨立思考，對與主流學(xué)術(shù)認識不一致的觀點很有興致，像一位“攪局者”，總希望給科研帶來一些意外。
而說起功勞，薛其坤總強調(diào)，現(xiàn)代科學(xué)研究是團隊合作的結(jié)晶，沒有多個優(yōu)秀實驗團隊緊密高效合作，不可能有量子反?；魻栃?yīng)等重大原創(chuàng)突破。
薛其坤非?？粗貙W(xué)生的培養(yǎng)。清華大學(xué)物理系教授肖志剛說，碰到寫文章不太認真的學(xué)生，薛老師會要求學(xué)生反復(fù)修改論文，且每一個版本都發(fā)給他，他會一一對照其中的差別；學(xué)生科研遇到困難，他又會及時鼓勵，并給他們送去指導(dǎo)。這些年來，薛其坤率領(lǐng)的團隊成員或培養(yǎng)的學(xué)生中有1人當(dāng)選中國科學(xué)院院士，30余人次入選國家級人才計劃。
憑借在量子反?；魻栃?yīng)方面的創(chuàng)新突破，2023年10月，美國物理學(xué)會宣布，薛其坤獲得奧利弗·巴克利獎。自1953年授獎以來，這項國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎，首次頒發(fā)給中國籍物理學(xué)家。此前，薛其坤已作為第一完成人榮獲2018年度國家自然科學(xué)獎一等獎，并獲得國際低溫物理最高獎——菲列茲·倫敦獎。像這樣有分量的榮譽，薛其坤還有不少。
“中國人要有學(xué)術(shù)自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學(xué)難題。”在薛其坤看來，解決重大科學(xué)難題、關(guān)鍵技術(shù)難題，是中國科學(xué)真正走向世界的標(biāo)志，“我將盡己所能，作出更多的貢獻。”
