“布鞋院士”李小文：他擁有知識分子的“特權”

宮鵬

李小文院士未及七十，突然離世，令其親者悲，慕者痛。他崇尚簡樸、酷愛自由、提攜后進、平易近人的作風，產生了很大的社會影響，贏得了大眾的好評。一名離世的科技工作者，被眾多的仰慕者心悅誠服地追捧悼念，他的“粉絲們”喊出世間再無“掃地僧”。此情此景令人感動？

李小文院士的生平事跡已經廣為流傳，作者和他相識共事20余年，本文謹對他的為人和主要科學成就之一的遙感幾何光學模型及影響，以及對后人的啟示做點補充，以志紀念。

李小文院士為人

小文院士生活簡單低調。他衣著樸素，已經是成名的“布鞋院士”。他的飲食更是簡陋。在家，一杯二鍋頭，一碟花生米就可以打發一頓。在外參加宴請，他也常常自帶二鍋頭，吃點小菜，既不吃米飯也不吃大魚大肉。他喜歡便宜的“小二”，不喜歡名貴酒品的理由是相信“小二”不會摻假。他以酒為食的生活習慣，從我們認識時就有，算來已有超過20年的歷史。他有時會半開玩笑半當真地講述喝酒的兩個好處：一是帶著幾分醉意容易做出好學問；二是愛喝酒的人，人品不壞，可交。我常想，如果他的網友看到他這一杯小酒一碟小菜飲食風格，或許會成就他“道骨仙風”的另一個美名。更讓人想不到的是，他對自己“摳門”，對朋友卻大方。他的吸煙朋友會記得，他自己吸由夫人買的幾元錢一包的薄荷煙，懷里卻總揣著名煙給朋友敬上。他這個習慣，當了院士后也從未改變。

小文院士熱心服務社會，樂于助人。20世紀90年代，小文博士既是中國科學院遙感應用研究所的研究員，又是波士頓大學遙感中心的研究教授。那時，他在國內和國外各工作半年。這有利于他既能在世界遙感學術前沿機構及時了解科學動向，又能直接參與國內的科學研究，幫助國內的年輕學者迅速成長。當時各種海外華人學者協會紛紛由在美國即將畢業的研究生或剛開始工作的年輕人發起、創立。1994年他已經功成名就，卻積極參與中國海外華人地理信息系統專家協會和海外遙感學者協會。在國外，他愛看《華夏文摘》，關心中國發展。同時，通過協會的網絡為年輕學者排憂解難，加油打氣。他于2007年在科學網（http：//www.sciencenet.cn/）開設博客，近8年來發表了1800余篇深受網友喜愛的短文，這也就不難想象他常年堅持在網絡上結交朋友，以樂觀詼諧的文筆感化他人。成為院士以后，有些在社會上被專業人士認為是持有“異端邪說”的人，如果找到他，他也會將人請到辦公室，傾聽講述，自掏腰包為他們提供支持。連一個素昧平生的人，他都愿意資助，對單位同事生活的關心也就可想而知了。

小文院士聰穎過人，學識淵博。曾見采訪小文院士的文章，介紹他自己成績平平，所以得出結論認為他是中等生逆襲。其實不然，小文院士只是不愿意把時間花到課本上，學習那些“死知識”，他更愿意自由探索。他不愿意做命題作文，喜歡天馬行空，自由自在。在我看來，他若決定考好課堂成績，那是一定能做到的。不然，他不會在1979年從一個工人，準備了短短幾個月就考上了我國改革開放后第一批留美研究生了。這在當時實在是鳳毛麟角。小文院士對中國歷史名篇熟稔于心，他能隨時考問左右同事《紅樓夢》中的某段詩句。他用韓愈“草色遙看近卻無”和蘇東坡的“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”詩句解讀多角度和多尺度遙感，生動貼切，恰到好處。

“Li-Strahler”幾何光學模型及科學影響

遙感科學的基本問題之一是對地表景物和電磁波相互作用機制的理解。太陽光作為一種電磁波，與地物的相互作用是光學界最早研究的對象之一。不同地物對入射其上的光有不同程度的透射、散射（又叫方向性反射）和吸收作用。諾貝爾物理學獎獲得者s，Chandrasekhar在1943年～1950年研究了光在連續介質中的輻射傳輸過程，于1960年以Radiative Transfer為名發表了他的系統研究成果。該書的理論對大氣和水體等連續介質的輻射傳輸過程的理解和模擬起了奠基性作用。但是，輻射傳輸的理論如何解釋地表不同尺度的景物，如壟行農作物和森林等不連續離散物體在不同視場下的方向性反射問題，并沒有因Chandra-sekhar專著的出版而宣告解決。

20世紀70年代隨著農業遙感的深入開展，人們提出了針對壟行作物的作物一土壤一陰影三組分的幾何光學模型。隨著20世紀80年代遙感應用的重點從農業和地質找礦向森林應用的轉變，人們需要森林三維結構的反射模型。李小文和他的導師Alan Strahler，根據這一需求在世界上首次開發了針對在景物中離散分布的針葉樹的三維結構，建立在用簡單圓錐體代表樹冠的方向性反射模型，他們將其稱之為幾何光學模型。

1985年，李小文和Alan Strahler在美國TGRS發表了第一篇論文，提出不連續森林分布（可以代表離散物體分布）幾何光學模型。該模型考慮樹木個體被簡化為圓錐體之后，一個陸地衛星影像80m×80m像元視場下，在太陽高度角固定、傳感器視角垂直向下、地形平坦條件下、樹木冠層用等尺度不透明、樹木高度按對數正態分布、樹木平面按泊松分布，但不考慮大氣影響時的反射模擬。對于森林景物的設計由樹冠圓錐體應光面、圓錐體背光面、太陽直接照射的土壤和受樹冠遮擋的土壤表面4部分景物組成。而模擬目標，即像元視場內總反射能量，是按照景物組分的平均光譜按觀察到的面積加權求得。該文不但推導了對景物構成進行反射模擬的理論公式，還給出對模型進行反演提取景物信息的方法。這就是著名的Li-Strahler森林景物四分量模式。1986年，他們在TGRS上發表了第二篇論文，在原有基礎上將不透明錐體改成半透明體，將傳感器視角從垂直向下擴展到任一角度。這兩篇論文系統地總結了地表景物幾何特征對景物反射特性的決定性作用。首次提出景物反射特性很大程度上由景物幾何特征決定，把握了景物幾何特征，就能比較準確地模擬景物的方向性發射特性。兩篇文童發表后被ISI Web of Knowledge核心合集刊物論文引用404次（2015年1月18日檢索）。

由于森林、稀樹草原、灌叢中的冠層有不同的幾何形狀，李小文和Alan strahler又進一步合作完成了對不同類型天然植被不連續結構下間隙概率分布的推導。他們在圓錐體基礎上增加了球形和橢球形幾何形態。1992年，他們聯合發表了比較不同樹冠形態和樹冠陰影交互作用對不連續植被冠層方向反射影響的論文。該文系統推導了在給定太陽高度時，離散的植被冠層隨觀測角變化所呈現的反射率變化，并成功模擬出當觀測方向和太陽入射方向吻合時的反射熱點效應。這是用儀器無法完全觀測到的現象。該文發表后被ISl web of Knowledge核心合集刊物論文引用346次（2015年1月18日檢索）。此后，李小文和AlanStrahler又通過與他人合作進一步將幾何光學模型與經典的輻射傳輸模型結合，發展出不連續植物冠層的反照率和方向反射混合模型。

對于幾何光學模型的影響與科學貢獻，最近將該模型運用到植被初級生產力估算的清華大學地球系統科學研究中心的辛秦川博士做了如下總結：“經典的輻射傳輸模型，假設植被冠層的葉子是隨機分布的，太陽光透過冠層的規律可用‘比爾-朗伯定律這一普適定律來描述，然而實際植被尤其是針葉林等自然植被，植被冠層的葉子并不滿足隨機分布。而是聚集分布于樹冠里，而每棵樹的樹冠都有各自的形狀。李小文院士利用橢球和圓錐等形狀對樹冠形狀進行刻畫，太陽的散射和直射光透過樹冠間的空隙滿足幾何定律，而透過樹冠內的空隙滿足‘比爾-朗伯定律，通過對冠層形狀和太陽光透過概率之間的卷積解決了不連續冠層反射的推導，從而完善了經典輻射傳輸理論。”

加拿大皇家科學院院士、南京大學國際地球系統科學研究所陳鏡明教授，基于李小文的幾何光學模型發展了4尺度北方針葉林輻射傳輸模型。他認為李小文院士在遙感界最有影響的成果之一是“Li-Strahler”幾何光學模型。他在1985年發表了這一模型的框架和初步結果，立即受到遙感界同行廣泛重視。隨后他和他的學生進一步發展了這一模型，增加了模型的精度和實用性并擴大了影響。這一模型提供了定量描述地表反射率隨觀測角和太陽入射角變化的一個重要途徑，為用衛星和飛機遙感觀測提取植被結構和生物化學參數提供了一個重要的理論基礎。利用模型所開發的遙感影像的四分量（樹冠陽面和陰面及光照和遮蔭背景）的分析方法不僅是幾何光學模型的奠基石，也被其他植被光傳輸模型廣泛采用。因此“Li-Strahler”幾何光學模型被譽為20世紀定量遙感的一個重要里程碑。

李小文在波士頓大學時的師弟、北京師范大學地理與遙感學院梁順林教授指出：“小文院士創造性地將稀疏植被的幾伺形狀和分布與太陽入射角和傳感器觀測角度建立聯系，發展了廣為引用的‘Li-Strahler幾何光學模型。這是幾種主要的遙感物理模型之一，具有重要的理論與實際意義。在隨后的研究中，又進一步考慮了植物冠叢陰影的相互影響和輻射傳輸，使模型適用于通常的地表植被，具有更高的適用價值。他的工作為后來的遙感反演奠定了堅實的基礎，具有劃時代的歷史意義。”

李小文的學生及合作者之一，紐約市立大學獵人學院倪文革教授，認為“Li-Strahler”幾何光學模型和Li等人后來完成的幾何光學與輻射傳輸混合模型在冠層輻射傳輸領域取得了突破。GO/GORT不但能描述被動光學遙感中森林結構在森林立地尺度的方向性反射特征及反射熱點，同時被用來刻化主動遙感中雷達后向散射和激光雷達全波形回射，以更好地理解雷達和激光雷達信號與三維植被結構的相互作用。GO/GORT的影響已經大大超越遙感領域。這類模型已經被用于模擬冠層光合作用和陸地碳循環模擬。同時，被用于動態全球植被模式一全球陸地生物圈模式與美國宇航局的全球氣候循環模式耦合起來理解生態系統對氣候和自然及人類干擾的響應。此外，GO/GORT也被用于評估植被結構對水文過程的影響及水資源管理。因此，幾何光學模型對整個環境科學領域產生了影響。

對后輩的啟示

李小文院士圍繞地表不連續植被覆蓋的反射特性一個方向，持續鉆研20載。他獨辟蹊徑，由簡入繁，雖然常常數年才發表一篇論文，但是不斷取得新的進展，終于建立起幾何光學模型的理論體系，這是國際遙感界令人羨慕的成就。他的每篇論文都是精品，堪稱經典。這種從事科學的精神值得今天的研究者們學習。

“淡泊明志，寧靜致遠”恰恰是李小文院士作為一個學者的精神寫照。他不追求物質生活，能夠在今天物欲橫流的大潮中，堅持自己的生活，是許多知識分子共同追求的理想。家庭的鼎力支持，使他更能全身心地投身科學，做個讀書人。他將一生許多時光用于無拘無束地學習和研究，擁有了一個知識分子所向往的“特權”。他是一個幸運的知識分子。他創造了一個中國自由知識分子的傳奇。

摘自《科學通報》