文 章

科学·人文·艺术的结合——学习《高光谱遥感信息处理》一书有感

2022年06月08日   作者:朱海燕,苗李莉

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【百道编按】《高光谱遥感信息处理》围绕高光谱遥感原始数据如何转化为高光谱遥感信息的难题,紧密结合应用需求,着重介绍了研究团队近年来在高光谱遥感数据处理与信息提取算法模型及创新应用研究方面取得的成果,能够在高光谱遥感信息处理的数学基础、算法模型、创新应用等方面为读者提供比较系统化的介绍。本文系朱海燕,苗李莉看完本书后的所感,从科学、人文、艺术等三方面对该书进行详细解析。

《高光谱遥感信息处理》
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出版社:湖北科学技术出版社
作者:张立福
出版时间:2021年01月

初识高光谱这套书是看到2018年国家出版基金公布的名单,待到2021年中等到丛书出版了,主编是童庆禧、薛永祺两位前辈。童先生这个名字我参与编辑组织出版1999年的《北京大学地理科学丛书》《北京大学地理教学丛书》时只闻其名,因为丛书顾问中都有这个名字,《地理科学丛书》第一本书是《地理环境概述》(胡兆量著),书的文前选了这幅插页作为开篇,是吴良镛中国美术馆展览中题写的一幅字——科学求真 人文求善,艺术求美(图1)。 

图1

这幅字也可以表达我初读这套丛书中这本《高光谱遥感信息处理》的印象。怎么讲?且看我的读后感吧。

其实第一件事对出版人来说的都是看封面装帧,已经体现了科学性、人文关怀和艺术表格大三者的结合。

先看封面,哑光银特种纸做底烫银设计,我理解哑光银是《中国传统色——故宫里的色彩美学》中的白云母(图2),预示了书中会有遥感在故宫文物研究的内容;书名烫银是明亮的,是航空飞机太空银,表现了遥感的载体;装帧用了耐用、朴素的锁线精装,很低调奢华又雅致的装帧设计,材质还比较便宜,暗含了环保理念,也告诉读者书中有环保水质监测的内容。理工医艺的简洁审美是直接,不求唯美和繁复。

图2

再读内容,更是体现了科学性,人文关怀,以及艺术运用。颠覆了我对遥感的理解,以为遥感的作用就仅是土地分类、农业估产、林业应用等等。

科学性

1.科学是分类 

前几日有位植物学家告诉我,科学是分类。想了很久有道理,也找到案例,遥感就是对地物进行分类,这是遥感科学的目标。

高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称,一般将光谱分辨率在10-2λ 数据量级范围内的遥感称为高光谱遥感,又通常被称为成像光谱遥感。与全色、多光谱等传统遥感相比,具有波段多、各光谱通道间往往连续等特点,使得传统遥感无法感知的具有诊断性光谱特征的物质得以探测,极大提高了遥感观测能力。

早在20世纪80年代初,原中科院遥感所的童庆禧先生在与美国科学家交流时,了解到成像光谱技术发展的有关信息,坚信这是遥感技术发展的新的技术突破方向,便与上海技术物理研究所的薛永祺先生开展了我国成像光谱技术发展的可行性探讨和技术研究。80年代中期由于改革开放,国家对外汇的需求迫切提高,组织黄金找矿和科技攻关迫在眉睫,国家黄金遥感找矿的应用推动了成像光谱技术的发展。中国科学院作为重要力量加入其中,并起到引领作用。

2.交叉学科发展前景广

高光谱属于多学科交叉的新方向,这样才最有发展前景。所以高光谱遥感走在遥感科学的前沿,本书的作者团队步两次登顶珠峰的童庆禧先生、薛永祺先生的后尘,紧追国际科研前沿,在国内高光谱遥感信息处理上,从基础理论到实践应用以及实用产品成型的系统化研究上一直被追赶,有效服务于国家科研需求。

高光谱遥感实现了从“定性到定量”的遥感对地观测,被认为是遥感技术发展以来最重大的科技突破之一。高光谱数据包含的波段数量众多,提供了极其丰富的地物光谱信息,这有助于更加细致地进行遥感地物分类和定量反演。当然得到更多的信息是好事但也带来了难题——高光谱遥感原始数据如何转化为高光谱遥感信息成为难题。为了解决这个难题,本书的作者们紧密结合应用需求,介绍了高光谱遥感数据处理与信息提取算法模型及创新应用研究方面的取得的成果。

人文关怀的应用

高光谱遥感能分辨出观测物质的分子结构,能够探测人眼无法看到的大量信息,提高人们对物质成分的认知,使高光谱遥感由“高大上”走入生活。

随着科学技术的发展,要对人们的生产生活提供服务和便利。十八大报告中提到的:要满足人民日益提高的对美好生活的要求。水是生命之源,生活必需品。由于水资源的缺乏,水污染的加剧,国家设立了“水专项”对湖泊和河流的研究,前期已经投入了几十个亿元,并持续再投入经费。

而本书中提及在水环境科学的应用,特别是在一些环境污染研究难度较大的领域,如水质监测方面,发挥了极大的作用。本书成果——水质快速检测仪,从水面、水中到水下,实现了全方位立体地对水的各种物质进行快速准确的检测,比如水面的柳絮,水中的泥沙、有机污染物,水下污泥中的沉淀物、岩石附着物,同时,获取的检测数据能够在系统平台进行实时综合分析。这项应用应和了国家需求,增进人类福祉,体现了本书成果在人文关怀方面的价值。

艺术中的应用

本书成果从宏观到微观,从定性到定量,没想到在古画识别和文物恢复方面也有了成熟的应用。

最近热门的大展“何以中国”在故宫结束了,并进入了海淀区初中考卷中,如何提取文物中的可见光不见的信息?本书成果给出了惊人的答案(图3、图4)。书画文物的隐藏信息提取是书画文物信息提取的研究重点。书画文物在绘制和长时间流传过程中,会出现颜料叠加遮挡、氧化退化、破损缺失等状况,其原始信息难以再现。利用高光谱成像技术“图谱合一”的特点,可以揭示单纯光谱分析或数字影像分析不易察觉的信息,从而再现这些隐藏信息。作者团队研制的国内第一台文物高光谱扫描成像系统,可以实现大幅面平面类文物高光谱数据的采集、拼接及相关数据处理,在书画类文物的隐藏病害提取、颜料工艺研究方面起到了重要作用。

图3 黄肠题凑的原始图像与经过分析处理后图像的对比

图4 故宫藏画中头冠颜料隐藏信息提取

国务院办公厅关于印发“十四五”文物保护和科技创新规划的通知中提及,为贯彻习近平总书记关于文物工作的重要指示批示精神,加强“十四五”时期文物保护和科技创新工作, 要加强卫星遥感、无人机、大数据等科技手段的应用。为此,本书成果——书画文物高光谱无损检测系统平台,以更好地推动文物科技工作的发展,促进高光谱遥感技术在文物数字化存档、文物诊断、文物修复等领域的应用。

再读此书体会到,作为一名知名的科学家,通常也会是成熟的图书作者,通过出版专著来传播科学技术。比如我自己认识童院士首先是在北京大学地理科学丛书顾问名单上,陆续在一些地学稿件中看到他的名字在序言、绪论、参考文献中出现,后来做科学出版社图书资源回溯,看到他的早期译著《地球资源技术卫星》1980年就在科学出版社出版的,1990年出版过《中国典型地物波谱及其特征分析》,这些刚好说明他是“中国遥感技术应用领域最早开拓者”。后来他也在高教社出版过高光谱的书,很有影响力,红外的书,我做市场调查时会引用这些书做案例。都是我做图书选题的榜样,后来策划过国家出版基金项目《地球观测与导航技术丛书》也是从以上图书获益匪浅。

最后希望这套丛书,特别是这本《高光谱遥感信息处理》会在成为地理、遥感、环境、考古、水资源等领域的学者、学生和应用人员的一本经典常备书、工具书,常用常新,且不断再版。

作者:朱海燕,苗李莉

编辑:柏云

来源:百道网

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