科学中国人专访:激光慧眼探生态 逐梦遥感续新篇——记中国科学院植物研究所研究员郭庆华

专家简介

       郭庆华,北京大学学士、硕士,美国加州大学伯克利分校博士,中组部青年千人计划入选者。曾任美国加州大学默塞德分校环境工程系助理教授、副教授、终身正教授;回国后组建中国科学院植物研究所数字生态研究组。曾主持多项美国自然科学基金会、联邦地质调查局、联邦森林局、联邦国家公园管理局、加州水利局、摩尔基金会研究课题,在PNAS、Ecology、RSE、Ecography、IJGIS 等生态学、遥感和地理信息科学领域的主流旗舰刊物发表学术论文90余篇。长期从事遥感和地理信息系统方法以及二者在生态环境领域的应用研究。

       接待院领导参观Crop 3D平台

        无人驾驶、3D打印、真实场景重建,这些热点新词反映了当今时代的最前沿技术。激光雷达(LiDAR)作为幕后推手,越来越受到各行各业的重视。作为一种新兴的主动遥感技术,激光雷达系统集激光发射与记录、全球定位系统和惯性导航系统于一体,可直接、快速、准确地获取扫描对象的三维坐标。激光雷达技术能够从不同时空尺度实现对生态系统的高效、精准监测,对于准确掌握生态系统现状以及其变化将如何影响陆地生态系统碳循环、全球气候变化并促进生物多样性保护起了重要作用。

        正是看到了新技术在获取信息方面拥有不可比拟的优势,中国科学院植物研究所研究员郭庆华将激光雷达技术与生态学理论有机结合。围绕快速、准确、高效地获取不同尺度陆地生态系统关键参数的学科核心问题,系统地开展了区域、国家及全球尺度森林资源特征参数的跨尺度遥感推绎和多传感器集成的植被信息获取硬件平台研发,并取得了国际学界广泛认可的系列原创性科研成果。其中,激光雷达相关算法系列文章分别获评美国摄影测量学会“Talbert Abrams”奖(授予在摄影测量学中具有重大科学突破的研究)和“ERDAS最佳学术论文”奖。同时,他积极推动激光雷达技术在国内相关行业的应用实践。于2015年、2016年和2017年在中国科学院植物研究所成功主办了三届激光雷达森林生态应用培训班,共为来自国家林业局、中国林业科学院、环境保护部卫星环境应用中心、中国科学院等60余家科研院所700余名学员提供了系统培训和广泛合作平台,获得行业内外的一致好评。

异国打拼十余载,结缘激光辟蹊径

        在取得北京大学环境学学士学位及遥感和地理信息硕士学位后,郭庆华获得了加州大学伯克利分校的全额奖学金资助,前往攻读环境学博士学位。因博士期间科研成果突出,毕业后直接获得了加州大学默塞德分校任教的机会。工作伊始,正值激光雷达技术兴起之时。通过深入了解,郭庆华发现,相比于传统光学遥感技术,激光雷达技术具备穿透植被冠层的能力,能够直接、快速、精确地获取森林的三维结构信息及林下地形,有望解决很多受限于技术的生态难题。LiDAR的技术优势令郭庆华大开眼界,敏锐的科研洞察力使他迅速意识到这一新技术所具有的巨大科研前景。在随后的科教工作中,郭庆华将激光雷达技术在生态环境中的研究和应用定为一个重要的方向,开展了大量的科研工作并取得一系列重要研究成果,被美国自然科学基金会评为重要研究突破(Breaking News),并被国内外多家知名媒体(如科学美国人、UC Press、Sacramento Bee、Science360、Green Blog、纽约时报、新华网、EurekAlert新闻平台等)争相报道。
        回国前郭庆华的研究一直围绕激光雷达技术的算法开发及应用展开,带领近20人的研究团队先后主持完成逾千万美元的科研项目。出色的表现,让他提前获得加州大学终身正教授职称。“繁复又异常严格的考核指标令人望而生畏,能够提前晋升终身教授的职称,是一件非常不容易的事情。”对此,郭庆华没有喜出望外,而是有他清醒的认识:不能让科研成果变成实验室里的“睡美人”,要回到祖国服务社会经济发展,真正把论文写在祖国大地上,把科技成果应用于实现现代化,干出一番事业。恰逢国家实施科教兴国战略和人才强国战略,心怀赤子之心的他放弃了美国丰厚的薪资待遇和优越的生活条件,毅然全职回国进入中科院植物所工作。郭庆华坦言:“尽管身在国外多年,但是从来没有忘记自己是一名中国人。是国家培养了我,在个人精力充沛的时候,一定要把自身所学带回来为国家贡献绵薄之力,改变国内激光雷达技术发展缓慢的现状,推动和加强这项技术在生态环境及其他相关领域的应用研究。”

一片赤心为报国,软硬结合勇创新

        在美国加州大学积累了宽广国际视野和丰富项目实践经验的郭庆华,刚一回国,就担任了中国科学院战略性科技先导专项(A类)子课题、中国科学院科研装备研制项目、中国生物多样性监测与研究网络(Sino BON)近地面遥感平台建设项目、国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划课题等6项科研任务的主持人。在记者采访到此处时,他动情地说:“回国短短不到3年的时间内,能够迅速打开工作局面,将数字生态研究组发展壮大为20人的团队,这与国家对归国创业科研人员的重视以及科学院、植物所各级领导给予的支持和帮助密不可分。在国家尚处于发展中国家的固有国力情况下,能够把科技创新摆在如此重要位置,吹响建设世界科技强国的号角,充分体现了党和国家政府对广大科技人员的尊重与爱护。我对我们国家实现中华民族伟大复兴的中国梦充满了信心。”
        团队创新,离不开带头人对国际最新研究动态的准确把握与判断。作为科研团队的带头人,郭庆华常对团队说:“我们不要me too的东西,要做就做全新的、世界一流的科学研究。”
        郭庆华在刚回国时,一次偶然的机会与分子设计育种专家交谈,了解到表型信息获取技术滞后是目前现代作物育种的主要瓶颈之一。而且,兴起的表型组学观测技术仅为少数几个国家所掌握,如若全盘引进,不仅代价昂贵,而且难以在我国形成自主知识产权的系统,无法大规模推广应用。他立刻想到利用三维激光扫描技术,能够为植物表型分析带来新的解决方案。激光信号时间差可以确定被探测物体的距离和位置构造作物几何形态模型,借由简单的人机交互能够自动批量提取表型变量。再通过纹理映射方法能够清楚地显示植物生长发育动态变化。最后,由激光雷达构建真三维模型融合光谱数据使得无损提取作物生理生态参数成为可能。这一想法成功获得科学院战略性先导专项A类子课题和院科研装备研制项目的资助。他带领团队研发设计出国内首套引进激光雷达技术的高通、无损获取全生育期作物三维表型信息的硬件观测平台,同时开发了Crop 3D软件,实现了表型观测技术由“二维”到“真三维”的跨越式发展。当前这些成果已完成软硬件测试,并以现场演示的方式接待了国家自然科学基金委、科学院、高校等相关领导和专家的参观,得到了业内人士的高度肯定。Crop 3D项目的相关软硬件成果引起了业内的多方重视,目前有多家公司都在与郭庆华积极洽谈,希望能够取得优先合作权共同推动该项技术成果的商业转化。
        近两年,郭庆华更多地在思考:如何以数据为基础了解并掌握生态系统资源数量、质量及其时空动态规律,以期从时效性、准确性和完整性三个层次满足国家决策需求。这也是大数据时代下,所有生态学者从国家战略需求角度出发所考虑的问题。
        森林孕育了地球上绝大部分的陆地生物,并为之提供庇护。区域、全球尺度森林资源信息是国家制定有效保护措施、实施林业资源宏观调控的重要数据依据。基于清查数据统计方法,往往只能得到省级和国家的资源总量,无法获取资源信息的空间分布。基于样方和光学遥感的升尺度方法常常出现易饱和、可信度低等问题。针对这些问题,郭庆华以机载激光雷达为桥梁,结合多源遥感数据,建立了大尺度森林结构参数和生物量估算方法。同时,他基于上述成果在森林火灾建模、濒危物种保护、水文建模和森林管理等领域开展了大量应用研究。此外,针对星载激光雷达数据空间分布不连续以及与地面数据无法很好匹配的问题,郭庆华还提出了一种参数拓展的方法,实现两者的匹配,并结合地形数据、气候数据和光学遥感数据,估算了全国森林地上生物量,估算能力R2达到0.76。利用此方法,他进一步研究了全球尺度森林地上生物量,这对于探明全球碳储量具有重要的指导意义。更值一提的是,他利用星载激光雷达数据和世界高大树木实测数据,结合气候指数,评估了全球森林冠层高度分布模式的决定因素,研究结果推翻了传统的水资源可利用量与森林冠层高度关系的认知,指出水资源可利用量并不总是对树高有正面的影响,过多的水分会对树高产生负效应。这一新的结论对于森林管理和森林生长模型的改进具有重要意义。这些研究成果已陆续发表于PNAS、Ecology、RSE 、《科学通报》《中国科学》《生物多样性》等国内外相关领域的顶级科学刊物上。

应用无人机LiDAR系统获取的森林三维点云

        郭庆华团队分析研究大尺度森林资源参数的同时,也着眼于中小尺度的生物多样性遥感监测。在局地尺度,生境数量、质量和格局等因素对物种的分布和丰富度影响尤为显著。在该尺度范围开展的生物多样性遥感调查对数据的精细程度要求也更高。无人机(UAV)作为一种小型飞行器,具有机动灵活、高效、价格低廉的特点,是一个很好的数据获取平台。因此,郭庆华带领团队设计开发了具有完全自主知识产权的近地面无人机遥感平台和地面移动背包扫描系统,可集成LiDAR传感器、CCD相机、高光谱传感器,具有稳定性高、精度高、速度快、操作灵活等特点。同时,他还设计了配套的数据处理软件系统,可以提取一系列基于激光雷达点云数据的生境定量参数和统计变量,如:植被冠层高度、冠层高度轮廓线、枝下高等垂直维度结构参数。这能够为物种生境评估提供更综合全面的信息,利用这些参数,借助计算机视觉和可视化技术还可重建真实三维景观。近地面遥感平台多传感器、多台站的扫描方式,可在局地景观尺度上为物种动态监测提供水平和垂直维度的多源遥感数据。特别是三维生境数据,有利于提高物种分布模型模拟精度,增加物种格局演变模拟和预测的可信度。郭庆华团队近期的研究成果在生物多样性评估、生态恢复、物种迁移、生境保护和自然保护区规划等方面有很大的应用价值。

        郭庆华团队在激光雷达技术软硬件研发方面取得的系列成果,引起了国内外的广泛关注。2014年,应澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)邀请,郭庆华赴澳交流介绍基于激光雷达技术的作物高通量三维表型测量平台的突破性进展及其在分子设计育种领域的应用情况。2015年,应第八届亚太全球综合地球观测系统 (GEOSS)国际研讨会邀请,郭庆华代表Sino BON做题为“生物多样性和栖息地生境的三维植被结构制图”报告,讲述了团队利用无人机遥感平台在森林、草原、湿地等生态系统中开展的生物多样性监测工作,关于多源数据融合提取反映生物多样性变化的关键指标部分引起了与会代表的热烈讨论。随后,郭庆华又应国际大地测量学与地球信息技术大会主办方邀请,先后2次赴德国交流无人机近地面遥感集成技术。
        正是因为郭庆华团队的研究成果不仅在学术界走在了国际前沿,而且与国计民生相关应用的行业创新密切相关,他的科技成果很快得到了转化,服务于社会经济发展。例如,研发的无人机近地面遥感平台被国家林业局调查规划设计院采用开展“碳卫星”的地面验证工作,为国家林业局林业碳汇计量监测中心增强碳汇监测能力、森林资源与生态状况调查从“二维”走向“三维”提供了技术基础。此外,与环境保护部卫星环境应用中心开展生物多样性三维生境立体遥感观测的研究成果以《环境遥感监测简报》形式上报国家环保部并得到部委领导批示,为国家推动生物多样性监测和保护提供了新技术新方法的先驱性示范。由于他本人坚持奉行科研成果一定要落地的实干理念,在科技成果转化为现实生产力方面,团队已经实现了数千万元的经济效益,相关产品被欧美、日本和东南亚等国家使用。
        找对正确的科研方向非常重要,不能用战术的勤奋替代战略的懒惰。科研攻关的道路一定不会是坦途,它是一个渐进的螺旋式上升过程。郭庆华觉得:“只要朝着正确的方向去努力,也许暂时获得的不是最优的方案,但不停地去进行迭代开发,就会做得越来越好。”

胸怀万里世界,放眼无限未来

        “做人要中庸,做事走两极”,这是郭庆华最喜欢的一句话。“做事”,落实在科研上就是在极小、极大两个方向上发力。郭庆华常说团队未来发展的路还很长。在极小方面,他们打算继续用激光雷达技术深入生态系统开展全面的定量化研究,避免过去一些说不清楚模棱两可的结论,真正把生态系统的机理过程搞清楚。在极大方面,则是在区域、全球尺度上应用LiDAR、多源遥感数据和生态模型,模拟、预测气候变化和土地利用变化对陆地生态系统结构、功能的影响,去回答一些更大的生态学问题。
        在做导师这方面郭庆华秉承得更多是中庸之道的“尽人之性,则能尽物之性”。他有一套独创的方法来激励学生——每年颁发3个年度奖,分别是最佳科研奖、最佳服务奖和最佳演讲奖。他觉得任何一件事情的成功离不开大家的协作,对学生要因材施教,充分发挥和挖掘其本性,做科研除了有钻研精神把事情做好,为团队服务同样有价值。对于最后一个奖项,郭庆华也非常重视。他觉得不管走上什么岗位,把自己的东西讲清楚很重要。为了提升学生的表达能力,他还把优秀学生送到国外去参加会议、做演讲,以此为契机锻炼他们。郭庆华认为一个人的交流能力,不是随年龄的增长变得越来越好,而是随锻炼次数的增多慢慢变好的。
        教师这份职业使郭庆华乐在其中并享受其带来的满足感。“能跟年轻人在一起工作,接触新鲜事物,是件非常开心的事。”他自信地告诉记者,“我是比较nice的那类老师,几乎没有对学生发过脾气,遇到什么问题我都是以鼓励他们为主。”他常对学生说:“人生不是你现在拥有了什么东西,而是你有没有觉得在进步。如果每时每刻你觉得自己都在进步,就根本不用担心会失去什么东西,或者得不到什么东西。”这句话对于他并不是口号,而是真正落实在了行动上。从上大学开始,直到在美国留学、工作,周末他几乎没有休息过,总是在抓紧时间提升自己。即便在国外已经是终身教授,他还是一直在追求自我提高。

为学生讲解自主研发的无人机激光雷达系统

        在美国任教时, 他的课程很受欢迎,有一门课曾被评为加州大学伯克利分校的最优课程。他的学生也相当出色, 多次获“ 加州大学校长奖学金”、 “ 美国国家科学基金会论文奖”、“美国地理学会最佳论文奖”、“世界野生动物基金会奖学金”以及“国家优秀自费留学生奖学金”等国际国内的重大奖项。回国后,他教授的课程依然非常受欢迎。他的学生也非常优秀,多次获得了所在院校的“三好学生”、“国家奖学金”等荣誉和奖励。

        郭庆华说成为一个好老师,不仅要能为学生讲述最前沿的技术,更重要是让他们学会正确的科研方法,树立正确的人生观。他鼓励学生要养成乐观、积极向上的人生态度,不要有太多的抱怨。在科研方面,他鼓励学生要有勇气去挑战权威争做世界第一,同时也要耐得住寂寞。他说:“美国为了近距离观测冥王星,发射‘新视野’号探测器,经过10年的太空飞行、50亿千米的行程才成功抵达冥王星及其卫星系统。科研上的成功从来就不是一蹴而就得来的,往往是几代人努力的结果。”
        正所谓“潮平两岸阔,风正一帆悬”,面对国内如此形势大好的科研氛围,郭庆华对未来的发展充满信心:“我们中国人又不笨,大家这么勤奋,现在国家有这么好的科研环境,我们一定可以做到的。”扬帆起航正当时!