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何贤强:解译“星星的话”

2020-12-02 11:26:21    来源: 中国自然资源报    作者:赵宁

海洋卫星遥感技术是人类认识海洋的关键技术之一。然而,从卫星接收的原始信号,到获取所需的海洋参数,需要突破重重技术阻碍。如何让“天上的星星会说话”?无数科研工作者笃学至技,以期排除干扰、减少误差,从而更为准确地“翻译”。

海洋卫星遥感技术对海洋资源管理和环境监测领域的影响日益增强,为研究、开发、利用和保护海洋提供了丰富的资料,成为人类认识海洋的关键技术之一。

何贤强,自然资源部第二海洋研究所研究员,从事海洋水色卫星遥感技术研究近20年,主持了30余项国家及省部级科研项目,曾获得中国青年科技奖,现担任国际海洋水色协调组织执行委员。

近十年来,何贤强与海洋二所水色遥感团队围绕海洋水色卫星遥感的基础理论及核心模型开展了系统性研究,取得的多项成果填补了我国相关领域的技术空白,为我国海洋水色系列卫星资料处理与应用技术发展提供了支撑。

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图为何贤强在学术论坛上作报告。受访者供图

瞄准海洋遥感技术前沿

1995年,何贤强考入华中理工大学船舶与海洋工程专业。毕业后,他进入国家海洋局第二海洋研究所(现为自然资源部第二海洋研究所)攻读硕士学位,师从我国著名海洋遥感学家、中国工程院院士潘德炉。自此,何贤强便与海洋卫星遥感结下不解之缘。

海洋水色卫星是通过光学遥感器从太空观测水体的“颜色”,进而分辨水体所含物质的含量等信息。与常规观测手段相比,海洋水色卫星遥感技术具有获取面积大、获取速度快、无区域限制等优点。

“实际上,从卫星接收到的原始信号到获取所需的海洋水体参数,要突破重重技术阻碍。”何贤强说,海洋水色卫星接收的信号,90%左右来自大气干扰,而真正来自水下的信号(离水辐射),只占不到10%,信号非常微弱。换言之,1%的大气信号扣除误差,就会导致10%的离水辐射反演误差。

“只有前端准确的大气校正并获得离水辐射光谱,后端应用才可以精确反演出水体中的叶绿素、悬浮物、溶解有机物等含量,进而制作赤潮、营养盐、碳参数、酸化等专题应用产品。”在读硕士期间,何贤强便开始思考如何解决大气干扰难题。

何贤强告诉记者,上世纪90年代,美国航空航天局利用辐射传输模型生成了大气校正核心的精确查找表,用户可根据该查找表处理水色卫星资料。虽然查找表是免费公开使用,但生成查找表的辐射传输模型并不公开。“自主建立完备的辐射传输模型、掌握水色卫星资料业务化处理核心技术、研究新型水色卫星遥感机理,将是发挥我国自主水色卫星效能的关键。”

“早期我国主要是基于大气分子、气溶胶单次散射近似方法进行大气校正。随着我国海洋水色卫星技术水平提升,这种近似算法成为制约技术发展的瓶颈。”面对技术难题,何贤强下定决心,一定要攻克。

自主建立辐射传输模型

2002年5月,我国自主研发的第一颗海洋水色卫星——“海洋一号A”卫星成功发射。同年,何贤强硕士研究生毕业,进入海洋二所工作。当时,他一边攻读博士学位,一边从事我国自主海洋水色卫星的业务化处理系统的研究,在实践中逐步找到技术攻关方向。

辐射传输是海洋水色卫星资料处理的核心模型。针对不同卫星,国际上开发了多种大气、海洋辐射传输模型,但这些模型仍然存在一系列问题,如未全面考虑大气—海洋耦合、粗糙海面、辐射偏振和地球曲率。经过10余年刻苦攻关,何贤强成功建立了国际上少有的、可完备考虑上述因素的海洋—大气耦合矢量辐射传输模型。该模型被国际海洋水色协调组织近海浑浊水体大气校正工作组采用,作为标准模型用于检验模拟数据集的准确性。

在此基础上,何贤强再接再厉,接连攻克了大气校正核心查找表自主生成、高浑浊水体大气校正、遥感器偏振响应在轨估算等技术难题,为我国后续水色系列卫星资料处理奠定了核心模型基础。

“我们基于自主辐射传输模型构建的大气校正算法,离水辐射反演误差小于千分之一,优于国际上对精确大气校正模型所提出的精度要求。”何贤强自豪地说。

科研之路不停歇

2009年,刚刚进入而立之年的何贤强被单位破格升为研究员。彼时,他主持的科研项目,已经多次荣获省部级科技成果奖。面对荣誉,何贤强没有停下前进的脚步。“与国际同行相比,我国海洋水色遥感技术实现了从‘跟跑’向‘并跑’的跨越式发展,但如何实现‘领跑’,还需要我们更加刻苦地研究和攻关。”

针对美国、欧洲的标准大气校正算法在我国近海高浑浊水体失效的难题,何贤强在国际上首次提出了基于紫外波段的高浑浊水体大气校正算法,有效解决了极端浑浊水体业务化大气校正难题。基于该成果,我国后续水色卫星增设了紫外波段,其目的之一就是解决高浑浊水体的大气校正难题。

近年来,何贤强基于自主研发的辐射传输模型,领先发展了晨昏观测、偏振观测等新型海洋水色遥感理论和方法,为新一代水色遥感器型号发展奠定了基础。他牵头完成了国家“863”计划“静止轨道海洋水色卫星遥感关键技术”项目和多项“全球变化与海气相互作用”专项任务,率先研制出考虑地球曲率的辐射传输模型和晨昏弱光照水色遥感机理,为晨昏观测资料业务化处理打下了技术基础,并为我国计划发射的自主静止水色卫星研制和资料处理、应用提供了技术支撑。

“在冬季高纬度海洋,特别是极地海域,太阳高度角极低,现有水色遥感技术无法有效处理,导致国际现有水色遥感产品在冬季高纬度海洋基本上是空白,极大阻碍了对冬季极地海洋生态的科学认识”。目前,何贤强正在带领团队聚焦极地海洋冬季水色遥感产品缺失的难题,并实现了初步突破,有望制作可恢复近40年来的极地海洋冬季水色遥感数据的产品。

2016年,何贤强入选国家“万人计划”科技创新领军人才,2018年获得了国家杰出青年科学基金资助。近年来,他的研究成果获得了国家科技进步奖二等奖、浙江省科学技术奖一等奖、海洋科学技术奖特等奖、海洋工程科技奖特等奖等奖项。

“卫星是环绕地球的‘天眼’,是蓝天碧水、青山净土的守护者。”何贤强表示,“我们要加强在遥感前端核心机理和模型的技术引领作用,充分发挥我国海洋、陆地、气象系列卫星在海洋资源、环境监测等领域的作用,为加快建设海洋强国贡献遥感力量。”

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