遙感專業研究生創新能力提升

秦凱 張華 閆世勇

摘? 要：創新能力培養是研究生教育的關鍵，對國家創新體系的構建發揮著重要的作用。由于中國礦業大學測繪學科的工科背景，攝影測量與遙感專業的研究生選題多偏重使用已有廣泛使用的衛星遙感數據解決某一工程技術性的問題，原始創新不足。缺少地面觀測第一手資料的支持、學術交流不足，已經成為制約中國礦業大學遙感專業研究生創新能力提升的主要因素。為此，依托我國唯一的礦區環境遙感協同觀測試驗場，更新了課堂教學內容，提出了“走出去+引進來”的學術交流模式。

關鍵詞：遙感;研究生;創新能力

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）18-0030-03

Abstract： The cultivation of innovation ability is the key to graduate education and plays an important role in the construction of national innovation system. Due to the engineering background of the surveying and mapping discipline of China University of Mining and Technology， the postgraduate selection of photogrammetry and remote sensing majors focuses on the use of widely used satellite remote sensing data to solve a certain engineering technical problem， and the original innovation is insufficient. The lack of support for first-hand information on ground observation and insufficient academic exchanges have become the main factors restricting the improvement of the innovation ability of postgraduate students in China's mining universities. To this end， relying on China's only mining area remote sensing collaborative observation test site， updated the classroom teaching content， and the "going out + introducing" academic exchange modelhas been proposed.

Keywords： remote sensing; graduate student; innovation ability

研究生教育是我國高層次專業人才培養的重要途徑。提高研究生的創新能力，對國家創新體系的構建發揮著重要的作用[1-2]。遙感是一門通過非接觸傳感器獲取目標的時空數據以提取全球覆蓋的多尺度時空信息的科學與技術。攝影測量與遙感（以下簡稱“遙感”）作為測繪科學與技術的二級學科，是通過傳感器系統進行記錄和測量，對數據進行分析和表示，獲得關于地球及其環境和其他自然物體和過程的可靠信息的一門科學與技術[3]。中國礦業大學（以下簡稱“中國礦大”）的測繪科學與技術學科是國家重點（培育）學科、教育部學科評估A-學科。但是，由于測繪學科的工科背景，遙感專業的研究生選題多偏重使用已有廣泛使用的衛星遙感數據解決某一工程技術性的問題，原始創新不足。尤其是碩士研究生，發表高水平學術論文的偏少。

地基觀測是對地觀測與遙感技術的重要組成，是衛星遙感反演驗證的重要依據。對比美國馬里蘭大學、美國普渡大學、德國宇航中心以及國內的武漢大學、中科院等遙感專業研究生的優秀培養單位可知，掌握地面遙感觀測的第一手觀測資料是研究生開展原始創新研究、發表高水平學術論文的關鍵。此外，遙感專業作為國際前沿領域發展迅速，尤其是隨著我國的高分系列衛星的發射和數據發布，遙感領域的研究和應用將迎來空前的發展。由于中國礦大所處徐州市的地理位置的限制，與武漢大學、中科院等國內一流的遙感專業研究生培養單位相比，在本校接觸領域學術大師的機會相對較少，單純依靠校內報告的學術交流模式，一定程度上制約了研究生創新能力的培養。因此，缺少地面觀測第一手資料的支持、學術交流不足，已經成為制約中國礦大遙感專業研究生創新能力提升的主要因素，亟待研究相應的對策。

中國礦大在江蘇省高校優勢學科建設工程項目的支持下，從2012年開始在南湖校區內建設了專門面向礦區環境遙感監測的協同觀測綜合試驗場（The Mining Area Environment Synergic observatTion pRoving grOund，MAESTRO）。本文作者所在團隊依托該實驗場的設備和觀測數據優勢，探索了遙感專業研究生創新能力提升的途徑。

一、中國礦大MAESTRO概況

煤炭在我國一次能源的生產和消費中一直占有極其重要的地位，是我國可持續發展戰略實施的重要能源保證。煤炭的開發利用引起了量大面廣的土壤污損、水體退縮、植被退化、大氣污染、生態破壞等一系列地表與大氣環境問題[4-7]，對礦區及相鄰區域的生態環境造成了嚴重影響。大規模的煤炭開采與利用引起了礦區及礦業城市嚴重的環境損傷。綜合利用天空地多源對地觀測開展遙感監測評估，將為環境保護提供數據和方法支撐。

國際上，煤炭能源開發利用的環境效應已成為重點關注領域，歐盟第七框架計劃、地球觀測組織（Group on Earth Observations， GEO）、美國能源部等機構均在開展該方面的研究。煤礦區環境破壞遙感監測因其特殊性和復雜性，常規遙感物理、模型和方法不足以支撐。為了開展礦區環境遙感方法、模型與技術體系研究與教學，需要建設一個用于對地觀測科學基礎研究、技術試驗和驗證的，地物要素豐富、測試設備齊全的科研試驗場所。中國礦大MAESTRO試驗場的主要功能有三個：一是遙感物理真實性檢驗，二是星/空形變監測幾何標定，三是地上下傳感網同步協同。

（一）MAESTRO特點

MAESTRO強調多尺度、多手段、多模式、多學科協同的“四多”原則，旨在面向國內外開放，形成礦區遙感特色的國際聯合試驗基地。

1. 多尺度

通過跟蹤最新的高分衛星系統，對于目前衛星數據的中分辨率和高分辨等不同空間分辨率的影像，建立一套地面的幾何校正系統，建立適合礦區遙感的輻射校正系統，解決無連續的地面幾何檢校場。通過使用我校無人機，建立地面檢校場。對于混合像元問題，研究地面光譜來進行衛星影像的混合像元分解。建立地面實測的光譜知識庫，為礦區環境研究提供精細的光譜曲線。

2. 多手段

通過跟蹤最新的高分衛星系統，對于目前衛星數據的中分辨率和高分辨等不同空間分辨率的影像，建立一套地面的幾何校正系統，建立適合礦區針對遙感數據非實時性，建立一套傳感器網絡的實驗場，搭建最新的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN），實時監測場地的各種溫度、濕度、污染物的添加量、氣象參數等信息，周期性的監測各種實驗區地物的光譜曲線，進行各種反演模型的研究。

3. 多尺度

研究多光譜、寬視場、航向立體成像、地面三維建模和傳感器檢測等多種模式，有效采集礦區各種地物的光譜數據，布置可以進行航空航天數據幾何校正的地面模型，搭建地面激光三維掃描數據的各種礦區地物模型，設立實時監控礦區地面各種指標的傳感器模式等。

4. 多學科協同

以測繪科學與技術一級學科（含大地測量學、地圖制圖學與地理信息系統、攝影測量與遙感）為主體、結合土地資源管理學、環境科學與工程（環境科學、環境工程）、信息與通信工程、控制科學與控制、計算機科學與技術、化學工程與技術等學科，發揮各學科優勢，建立礦區環境的多學科協同研究試驗場。

（二）MAESTRO建設現狀

MAESTRO 將采取“固定性地面場地+常態性基礎設施+項目性實驗觀測”的模式，分三期有序建設。目前，已經在中國礦大南湖校區完成了MAESTRO一期建設。建成了30米的通量觀測塔，搭載大孔徑閃爍儀、渦度相關系統、凈輻射儀、空氣溫濕度傳感器、紅外輻射計、土壤溫濕度傳感器、土壤熱通量板等觀測儀器，長期開展輻射通量、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量、碳通量等的連續觀測。建成了大氣遙感觀測站，裝備有太陽光度計、顆粒物粒徑譜儀、黑炭分析儀、MAX-DOAS差分吸收光譜儀、氣象站等儀器，可24小時連續監測當地的大氣污染和氣象參數，其氣溶膠光學特性觀測數據直接加入國際氣溶膠監測網（AERONET：Aerosol RObtic NETwork，http：//aeronet.gsfc.na

sa.gov/）。建成了土壤作物光譜實驗田，包括四塊大小分別為12.0*11.8m2、11.8*11.8m2、11.8*11.6m2和11.6*11.6m2的實驗場地，2013年10月至2014年6月期間，先后完成了冬小麥播種、重金屬添加、光譜采集、樣品檢測等實驗工作。

二、基于MAESTRO的研究生創新能力提升實踐

（一）研究生課堂教學內容更新

遙感是一門快速發展的技術，衛星傳感器、反演算法以及學科交叉研究的發展日新月異，及時更新課堂教學內容，對于提升遙感專業研究生的創新能力至關重要。MAESTRO作為我國唯一的礦區環境遙感協同觀測科研試驗場，一期工程主要涵蓋了大氣環境遙感、熱紅外遙感與地表能量平衡、土壤污染遙感三個方面的研究內容，均屬于國內外的研究熱點和前沿領域。基于依托MAESTRO試驗場開展的創新研究成果，針對碩士課程《對地觀測與遙感技術》、《定量遙感》，博士課程《遙感科學與技術新進展》的教學需求，具體更新內容如表1所示。更新后的課程內容應用于2014級后的研究生教學，取得了較好的教學效果。

（二）研究生課堂教學內容更新

遙感專業研究生的研究課題多集中在遙感影像分類、定量遙感反演、遙感應用分析研究等方向，無論是使用的衛星遙感數據還是要解決的環境災害領域的應用課題，均需要與國內外的學術同行進行緊密的交流和密切的合作。由于中國礦大所在的徐州市非直轄或省會城市且同城高校較少，相比北京、上海、武漢、南京等地區的高校的遙感專業研究生，外地專家來徐開設的學術報告相對較少，限制了研究生的學術視野、制約了研究生創新能力的發展。

為此，本文作者所在團隊提出了“走出去+引進來”相結合的學術交流模式，以導師課題為紐帶，依托中國礦大南湖校區的MAESTRO協同觀測實驗場的設備與數據優勢，吸引校外專家、研究生來校客座研究，同時，鼓勵研究生帶著校內觀測數據到國內外一流的遙感機構開展開放性合作研究。具體而言，以作者承擔的歐洲空間局的哨兵五號先導衛星地面驗證項目“Validation of Trace Gas and Aerosol Products of TROPOMI/S5P over Eastern China”為紐帶，依托南湖校區的大型觀測實驗場中的大氣遙感觀測站的設備與數據資源，與德國宇航中心、意大利大氣與氣候研究所、香港理工大學、中科院遙感與數字地球研究所進行廣泛的交流合作。以舉辦學術論壇、參加國內外學術會議、邀請校外專家研究生來校客座研究、建立網上討論群等多種形式，實踐“走出去+引進來”的多元化學術交流模式。例如，研究生王璐瑤與意大利大氣與氣候研究所Francesca Costabile博士建立了Skype網絡交流小組，研究生韓旭與中科院遙感與數字地球研究所“百人計劃”研究員胡斯勒圖的課題組建立了定期交流機制。

三、結束語

加強創新能力的培養是確保研究生教育質量的核心任務。中國礦大的遙感專業研究生具有典型的工科背景，選題以工程應用為主，原始創新不足。作者依托大型校內科研試驗場的設備與數據優勢，將最新的研究成果引入到研究生課堂教學中來，并探索了多元化學術交流模式，為遙感專業研究生創新能力的提升提供了實踐案例。未來，將進一步在培養大綱修訂、論文選題等各個環節注重創新能力的培養。

參考文獻：

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