測繪遙感學家李德仁——
精準測繪大地山河
本報記者 谷業(yè)凱
人物小傳
李德仁，武漢大學教授，中國科學院院士、中國工程院院士，測繪遙感學家。1939年生，江蘇泰州人。1963年畢業(yè)于武漢測繪學院，1985年獲德國斯圖加特大學攝影測量與遙感專業(yè)博士學位?，F任教育部地球空間信息技術協(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)務首發(fā)星，也是通信、導航、遙感一體化智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的一次重要實踐?！拔覀兿Ｍ?030年，‘東方慧眼’建成由200多顆高分辨率光學衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星組成的智能遙感星座。”擔任這顆衛(wèi)星首席科學家的李德仁(見圖一，新華社記者熊琦攝)，向著“看得快、看得清、看得準、看得全、看得懂”的目標，不懈努力著。
心系祖國，學成歸國投身測繪遙感學科建設
作為認知地球和環(huán)境的重要技術手段，測繪遙感為各行各業(yè)發(fā)展提供基礎性、先導性的支撐。但在近40年前，李德仁學成回國時，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”為經濟社會發(fā)展服務了。
留學期間，李德仁已經在國際測繪學界有所成就：他在1982年提出的處理系統(tǒng)誤差的方法，被學界稱為“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)分性這一測量學領域的難題。
盡管收到多家國外科研機構的工作邀請，心系祖國的李德仁卻一一婉拒。1985年2月底，他取得博士學位，3月初就站在了武漢測繪學院的講臺上，這里也是他的母校。
武漢測繪學院(后更名為武漢測繪科技大學，2000年并入武漢大學)的前身——武漢測量制圖學院是1955年由國內5所院校的測量專業(yè)集中創(chuàng)建的。但在上世紀80年代，學院測繪遙感學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《基礎攝影測量學》和《解析攝影測量學》，又依據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科，尤其在一些人跡罕至地區(qū)的基礎測繪工作，更是實踐中的難點。為解決實踐中出現的問題，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，很快完成了無需地面控制點的測圖任務。
李德仁還指導博士生編寫了軟件，有效解決了困難和危險地區(qū)測圖的技術難題，后來這項成果獲得國家科學技術進步獎二等獎。
緊跟學科前沿，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，嚴重制約了國產遙感衛(wèi)星的發(fā)展和應用。
“當時的條件下，我們想的是用一流的數學模型把硬件上的差距補回來。”李德仁主持設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，建立了衛(wèi)星遙感影像的高精度幾何處理技術體系，大幅提高了衛(wèi)星遙感影像的自主定位精度。
李德仁帶領團隊主持設計并建立了衛(wèi)星地面定標場，通過地面高精度定標場和大規(guī)模區(qū)域網平差等方法，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)了國產衛(wèi)星高精度測圖從國內走向全球的新階段。
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《國家中長期科學和技術發(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?！崩畹氯蕩ьI團隊研制了高分辨率衛(wèi)星遙感地面處理系統(tǒng)。經過10年的建設，高分辨率對地觀測系統(tǒng)實現了我國遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的自主可控，相關成果有力推動了新一代國家空間基礎設施建設，為我國航天產業(yè)發(fā)展做了技術及人才上的儲備。
隨著新一代信息技術的加快發(fā)展，測繪遙感技術與數字經濟的耦合協(xié)同效應不斷增強，與經濟社會聯(lián)系日益緊密?！熬o跟學科前沿，不停歇地做中國人自己的產品”，成為李德仁的又一個目標。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)等高科技產品，不僅實現了技術國產化，還成功走向市場。
“東方慧眼”智能遙感星座項目建設也在穩(wěn)步推進中?！拔覀円崿F測繪遙感更高水平的智能化，推動天上的通信、導航、遙感衛(wèi)星一體化組網，讓天上有對地觀測的‘慧眼’和‘大腦’，讓空天信息更好服務經濟社會發(fā)展?！崩畹氯收f。
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)麥蓋提縣參加學術活動，被當地干部群眾治沙造林的精神感動。此后10年間，他們兩個人發(fā)起義務植樹活動，19批志愿者積極投身其中，種下了數萬株苗木。
“我們讓學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，當地的生態(tài)環(huán)境越來越好?！敝煲溯嬲f。
十年樹木，百年樹人。“龔健雅院士在做中國的數字地球模型、國產地理信息系統(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；我還有個研究生正在用人工智能技術，在大量遙感數據中自動解譯目標……”講起自己學生手頭上的工作，李德仁如數家珍。
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。《測繪學概論》這門課是始自1997年9月、面向本科新生的基礎課，7位院士先后加入教學團隊，一講就是20多年。
在學生們眼中，李德仁很會“賣關子”：“把攝像機放到飛機上進行測量，會出現什么問題？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，“學問就藏在課堂內容里，請看攝影測量……”
2022年，在李德仁的推動下，武漢大學聯(lián)合國內10多所高校共同論證遙感科學與技術一級學科建設。目前，全國已有300多所大學開設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。”
實驗物理學家薛其坤——
在物理學前沿長跑
本報記者 喻思南
人物小傳
薛其坤，清華大學教授，中國科學院院士、實驗物理學家。1963年生，山東蒙陰人。1984年在山東大學獲得學士學位，1994年在中國科學院物理研究所獲得博士學位。先后在中國科學院物理研究所、清華大學、南方科技大學工作，是改革開放后我國成長起來的杰出科學家之一。
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，清華大學供圖)雷打不動堅持了30多年。
薛其坤的研究領域是凝聚態(tài)物理，是研究凝聚態(tài)物質的物理性質與微觀結構以及它們之間的關系的學科，是當今物理學最大也是最重要的分支學科之一。在這一領域，薛其坤率領團隊不斷突破，創(chuàng)造性地發(fā)展了一系列國際通用的實驗技術，取得量子反?；魻栃?、界面高溫超導等原創(chuàng)性科學發(fā)現。
不斷攀登高峰，動力何來？“對科學研究的熱情與執(zhí)著，對推進國家科技進步的責任和信念，促使我努力向前。”薛其坤說。
“不跟風，專注于做‘從0到1’的研究”
“不跟風，專注于做‘從0到1’的研究”，這是薛其坤的合作者和學生對他科研態(tài)度的評價。
量子反?；魻栃且粋€新領域，在推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展上應用前景很大，成為全球凝聚態(tài)物理學家關注的焦點。
從2009年起，薛其坤帶領團隊，對量子反?；魻栃膶嶒灠l(fā)起沖擊。雖然團隊前期完成了很好的基礎性工作，但量子反?；魻栃霈F的實驗條件非常苛刻。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常霍爾效應，一切都是未知數。
認準這座科研高峰，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?。這是在反?；魻栃岢?31年后，人類首次觀測到反?；魻栃牧孔踊?。2013年，該成果在《科學》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，挑戰(zhàn)最有價值的研究，貫穿薛其坤做科研的始終。
2005年到清華大學工作，薛其坤瞄準長期困擾物理學界的難題——高溫超導。這一探索就是8個年頭。2012年，他帶領團隊發(fā)現了單層鐵硒與鈦酸鍶襯底結合而產生的界面高溫超導。該發(fā)現挑戰(zhàn)主流共識，增進了科學界對超導材料的認識，國際超導界開展大量追蹤研究。這是高溫超導領域，我國科學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^測溫度提高了一個數量級，并首次實現量子反?；魻栃鄬咏Y構；2018年，團隊與合作者首次發(fā)現一種內稟磁性拓撲絕緣體，開啟了國際上又一個熱點研究方向……
今天，沿著量子反常霍爾效應以及相關量子態(tài)的應用研究、高溫超導機理研究兩個方向，薛其坤團隊正開展新一輪攻關?！斑@是國際凝聚態(tài)物理領域最關注的研究方向，我們要努力站在世界前沿?！毖ζ淅ふf。
“夜深人靜時，與論文、數據打交道，那種感覺很純粹、很幸?！?/p>
理論物理學家的預言對不對，往往需要實驗物理學家長時間去驗證。
做量子反?；魻栃獙嶒?，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”，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?；魻栃膶嶒灲Y果離最終的成功還非常遙遠。團隊成員、清華大學物理系教授何珂回憶，那段時間大家壓力很大，“擔心研究就此停滯不前”。
關鍵時刻，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，對后續(xù)工作幫助很大。在薛其坤的鼓舞下，團隊經過一輪輪沖刺，最終實現了技術突破。
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”。自己打小就想當科學家，一路追夢，也遇到不少挫折。經歷了3次考研，直到1987年，薛其坤才考上研究生，進入中國科學院物理研究所凝聚態(tài)物理專業(yè)學習。
在實驗室，日復一日觀察樣品、整理數據，薛其坤不以為苦，而以此為快樂和享受。薛其坤說，“每當實現重大突破的時候，那種滿足感是其他事情很難替代的?！币舱沁@種滿足感，鼓舞著他在物理學前沿持續(xù)長跑。
如今，薛其坤有了更多身份。2013年起擔任清華大學副校長，2020年起任南方科技大學黨委副書記、校長……身兼科學研究、人才培養(yǎng)、行政管理等多項職責，無論角色怎么變，他對科研的極致追求沒有變?！耙股钊遂o時，與論文、數據打交道，那種感覺很純粹、很幸福?！毖ζ淅ふf。
“中國人要有學術自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學難題”
實現量子反常霍爾效應，材料需要既具備磁性又是絕緣體，由于磁體通常為導體，這是一個自相矛盾的要求。
說來也巧，在清華大學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。
薛其坤對學生和藹親切，他會給實驗室學生帶夜宵，與學生們打成一片；看到學生在實驗操作上有一點馬虎，他又會嚴厲批評，嚴肅告誡學生“做實驗必須專心致志”。
薛其坤身上有中國人傳統(tǒng)的一面，但作為科學家的他卻處處求“新”。王亞愚回憶，對待研究，薛其坤倡導獨立思考，對與主流學術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，現代科學研究是團隊合作的結晶，沒有多個優(yōu)秀實驗團隊緊密高效合作，不可能有量子反常霍爾效應等重大原創(chuàng)突破。
薛其坤非?？粗貙W生的培養(yǎng)。清華大學物理系教授肖志剛說，碰到寫文章不太認真的學生，薛老師會要求學生反復修改論文，且每一個版本都發(fā)給他，他會一一對照其中的差別；學生科研遇到困難，他又會及時鼓勵，并給他們送去指導。這些年來，薛其坤率領的團隊成員或培養(yǎng)的學生中有1人當選中國科學院院士，30余人次入選國家級人才計劃。
憑借在量子反常霍爾效應方面的創(chuàng)新突破，2023年10月，美國物理學會宣布，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)物理領域的最高獎，首次頒發(fā)給中國籍物理學家。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。
“中國人要有學術自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學難題?！痹谘ζ淅た磥恚鉀Q重大科學難題、關鍵技術難題，是中國科學真正走向世界的標志，“我將盡己所能，作出更多的貢獻?！保ㄈ嗣袢請螅?/p>