跨越學科邊界 服務國家測繪
——記武漢大學遙感信息工程學院教授高智

倪海波

智能無人系統(tǒng)的視覺模塊設計與研發(fā)，是國際前沿課題之一。利用仿生模擬技術(shù)，武漢大學遙感信息工程學院教授高智提出了一套與立體視覺差別非常大、更具備動物仿生的視覺技術(shù)框架，從而幫助智能無人系統(tǒng)實現(xiàn)快速有效處理視覺信息，并原創(chuàng)性地提出了塊狀稀疏魯棒主成分分析、自適應稀疏表達、同步超分與檢測的深度卷積網(wǎng)絡等算法。

這套基于準視差獲取三維信息的理論和方法，打破了原來視覺技術(shù)框架的模式，解決了復雜場景中三維信息的快速獲取及相機定姿、定位的難題，得到了國際相關(guān)領域?qū)＜业馁澴u。

2008年，從武漢大學遙感信息工程學院獲得攝影測量與遙感專業(yè)博士學位的高智，卻一頭扎進了計算機視覺的前沿課題研究，通過交叉學科方向的突破，為智能無人攝影測量找到另辟蹊徑的解決方案，實現(xiàn)視覺運動伺服和感知、測繪的一體化。

2019年，高智赴武漢大學任教，結(jié)合自己于新加坡國立大學工作期間在人工智能、無人系統(tǒng)領域的研究成果，重點開展了在無人智能測繪系統(tǒng)方向的研究。他致力于服務國家測繪領域，立足未來發(fā)展，提出了這一領域的許多創(chuàng)新課題，希望能夠在不遠的未來實現(xiàn)“空天地海無縫銜接的無人智能測繪”。

高智

跨越學科邊界另辟蹊徑尋找解決方案

高智出身于溫和、踏實的江蘇農(nóng)村家庭，從小父母就教他要“踏實做人、靜心做事”。短短的八個字，對于高智而言，卻受益終身。他對“靜心做事”有著切身體會，認為如果心不夠靜，無論是做科研還是其他事情，往往都沒辦法做好。

求學歷程漫長而艱辛，與幾乎所有人一樣，高智也曾有過迷茫，也曾彷徨未來該走什么樣的人生道路。幸運的是，在科研的道路上，他遇到了許多給他指明方向、明確人生道路的老師。他們把一個個科研問題講解得鮮明透徹，艱辛的研究仿佛成了一件愉快的事情，指引著高智一步步走上了自己感興趣的科研道路?！敖佑|到核心專業(yè)課的時候，我遇到了很多非常棒的老師，比如聽了李德仁院士的3S集成的報告，對遙感測繪學科有了醍醐灌頂般的理解，還有像庖丁解牛一樣清晰講解了攝影測量的張祖勛院士，他們嚴謹而扎實的教學，讓我徹底愛上了科研?！?/p>

很多測繪數(shù)據(jù)的采集，都需要在酷暑或嚴寒下進行，這讓高智深刻地體驗到測繪科研人員的艱辛；同時，數(shù)據(jù)的測量絲毫不能出錯，對精度的要求必須孜孜不倦、精益求精，一個不小心就要推倒重來。那段經(jīng)歷對他影響深刻，也讓他萌生了未來希望突破智能無人測繪系統(tǒng)研發(fā)的科研方向?！叭绻梢杂弥悄軣o人系統(tǒng)代替一個個有血有肉的工作者，進入到危險的場景中完成測繪，既可以減少科研人員可能面臨的危險系數(shù)，也可以降低他們的勞動強度。”

博士階段，高智有幸參與到國家自然科學基金和原國家“973”項目中。在導師的指導下，他帶領碩士師弟師妹對一些復雜對象進行三維重建。高智廣泛地閱讀一些世界頂級的科研文獻，試圖從中找到合適的解決方案?！拔蚁?，從那個時候開始，我才真正具備了能夠負責帶領團隊和學生做具體科研項目的能力?！?/p>

人生總有一些很不經(jīng)意卻影響重大的轉(zhuǎn)折點，在高智的人生哲學里，當機遇到來的時候，自己必須是那個已經(jīng)拾好行囊，隨時可以出發(fā)的人。

在武漢大學完成博士答辯后的最后兩周留校時間里，高智經(jīng)朋友介紹參加了一次計算機視覺領域的小型研討會。不經(jīng)意的一次研討會，卻讓高智敏感地意識到，計算機視覺的技術(shù)發(fā)展，要領先于攝影測量研究進展。一些在攝影測量遙感中目前非常棘手的研究課題，在視覺領域的研究中，卻可以另辟蹊徑，找到解決方案。

靈光一閃的體會，奠定了他未來多年的研究方向。從研討會回來后，高智就決定要把自己的重心放在計算機視覺的前沿研究課題上。在提升計算機視覺研究中取得突破之后，再回頭解決攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)問題。

討論會后，高智毅然決然地聯(lián)系了新加坡國立大學一位從事計算機視覺研究的博士生導師，到該校電子信息工程系進行博士后研究，并在那里開展了最前沿的計算機視覺方向的研究。從攝影測量的研究背景，轉(zhuǎn)到計算機視覺前沿問題的研究，剛開始的兩年讓高智感到困難甚至是吃力，那是不斷遭遇挫折且艱苦的一段時光。“當時我總是自我安慰，有世界學術(shù)最前沿的大師能夠把你的缺點指出來，這是一件很幸運、很正能量的事情。”

也正是有了那一段跨學科研究的艱辛歷程，多年以后，高智才能回過頭來，用計算機視覺前沿問題研究的成果，促進攝影測量學科的發(fā)展。他說，在成長的歷程中，必須允許甚至是鼓勵自己在一段很長的時間里，拼命地吸收新知識，接受新的前沿科學，拓寬自己的視野和能力范圍，才能讓自己更快地成長。

新加坡國立大學的導師給了他巨大幫助，高智每周都要向他做一次學術(shù)匯報和交流，高智將這稱為“頭腦升級”的時間，充滿研究數(shù)據(jù)的大腦像被掏空了一般，每次交流完都讓他有一種強烈的“饑餓感”?！皩焼柕膯栴}很細、很具體，還帶有很大的拓展性。我不僅要把當前的問題解決好，還要針對自己的方案拿出讓人信服的驗證過程。如果方法不行，就要把中間每一步的結(jié)果拿出來證明這個方案為什么不行，問題出在了哪一步。”

導師對高智的寫作同樣抱以很高的要求，他必須進行大量的科技文獻閱讀，這讓他在科技論文撰寫上同樣有了長足進步。從2008年至2019年的11年時間里，高智一直在新加坡國立大學從事研究工作，前半段全身心投入到計算機視覺前沿技術(shù)研究上，后半段則將計算機視覺和無人智能系統(tǒng)緊密聯(lián)系，實現(xiàn)兩個交叉學科的有機結(jié)合。

創(chuàng)新仿生模擬準視差獲取三維信息

智能無人系統(tǒng)可廣泛應用于軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、災害、安全等諸多方面，可以進入人跡難至、危險艱困的區(qū)域進行測繪活動，也可以給傳統(tǒng)測繪技術(shù)和理論帶來新的發(fā)展，例如貼近（面）攝影測量等，而視覺是智能無人系統(tǒng)及其測繪的核心研究內(nèi)容之一。

傳統(tǒng)的智能無人測繪，大多購買一些無人平臺，如無人機、無人車等，在平臺上搭載自己的傳感器，平臺本身和傳感器由不同機構(gòu)研發(fā)，有的研究者側(cè)重于傳感器獲取的信息和處理，一些機器人領域的研究學者則側(cè)重于如何利用傳感器收集的數(shù)據(jù)更好地控制機器人。

高智從事攝影測量、計算機視覺領域與智能無人系統(tǒng)密切相關(guān)的問題研究，他在新加坡國立大學時的研究團隊，則深層次地把這兩個方面結(jié)合起來，著力解決智能無人測繪系統(tǒng)的“眼睛”問題，不僅能為無人平臺做精密而精準的視覺服務，還能利用無人平臺做視覺信息的處理，實現(xiàn)視覺運動伺服和感知、測繪的一體化。

高智在新加坡的合作教授是計算機視覺領域的著名科學家，對生物界鳥類眼睛的研究也有非常獨到的心得。利用仿生模擬的技術(shù)，高智提出了一套與立體視覺差別非常大卻更具備動物仿生的視覺信息處理的技術(shù)框架，從而達到快速有效處理視覺信息的效果。

“很多動物其實根本沒有立體世界，比如說馬、牛、羊等，它們的眼睛都長在頭顱的兩側(cè)，它們的視場完全沒有交集，但卻能在三維空間里面做快速、靈活運動，因此我們就提出了一套和原來的認知三維世界不同的理論方法，來進行三維信息的獲取和快速處理。”

這套基于準視差獲取三維信息的理論和方法，避免了復雜的同名點匹配操作，解決了復雜場景中三維信息的快速獲取及相機定姿、定位的難題，具有效率高、魯棒性強的優(yōu)點，被生物學家Graham R.Martin稱贊為是一種獲取快速運動所需三維信息的方法，支持大多數(shù)生物學理論。

該方法避免了復雜且耗時的同名點匹配操作，高效地融合了兩只眼睛獲取的視覺信息，可有效處理細節(jié)繁多的紛雜場景及缺乏紋理的單調(diào)場景。大量實驗表明，相較于光束法平差，該方法獲取的稠密三維信息精度提高了約6%，效率提升了約12%。

高智將快速獲取的三維信息和慣性導航數(shù)據(jù)緊密耦合，研發(fā)了以視覺為主導、多源數(shù)據(jù)融合的智能無人機定位及運動估計技術(shù)，并提出了一套充分利用結(jié)構(gòu)特點優(yōu)化信息處理的多目視覺設計方案。該系列成果被應用于無人系統(tǒng)在無GPS條件下的視覺定位及運動估計三維信息獲取，是攝影測量與遙感的核心問題之一。

而在基于無人系統(tǒng)的環(huán)境感知、場景理解、事件檢測等方面，高智同樣取得了在國際上有著重大影響力的成果。他創(chuàng)新性地提出了塊狀稀疏魯棒主成分分析、自適應稀疏表達、同步超分辨率與檢測的深度卷積網(wǎng)絡等高維數(shù)據(jù)處理算法，被國際專家高度評價認為“這項成果原創(chuàng)且新穎，是未來工作的基礎”。

“通過這個成果，我們可以檢測出一個場景里面非常細微的變化及非常微小的目標，適合應用于一些敏感場合、敏感領域的目標檢測，這是非常有價值的，在新加坡也得到了一系列推廣和應用，取得了知識產(chǎn)權(quán)?！备咧钦f。

具體來說，在圖像序列中的運動、外觀信息融合在統(tǒng)一的低維模型中，用塊狀稀疏魯棒主成分分析算法解決了復雜環(huán)境下（即存在動態(tài)背景、光照變化、多尺度目標共存、偽裝干擾等）目標檢測及變化監(jiān)測的難題，具有普適性強、精準度高的優(yōu)點。

他把這一算法發(fā)表在計算機及人工智能領域的頂級期刊PAMI（影像因子17.73）上，在當時同類算法中綜合排名第一。4位世界著名的審稿專家在6項指標中全部給出優(yōu)異的評價，成為同類課題高水平論文的必引文獻。

在塊狀稀疏模型的基礎上，高智還提出多層分析的策略，解決了衛(wèi)星影像序列配準、除云的難題，并進一步提出了細節(jié)高保真的顏色校正算法。這一系列成果也發(fā)表于GRSL、TGRS、ISPRS JPRS等遙感領域的頂級期刊上。

在基于遙感影像的車輛檢測領域，他提出的基于單應性變換的數(shù)據(jù)增強方法，以及多尺度融合、跳躍連接的深度卷積網(wǎng)絡模型，在公共數(shù)據(jù)集上取得了最優(yōu)結(jié)果。在此基礎上，高智針對遙感影像中目標通常比較小的難題，發(fā)明了同步超分與檢測的深度卷積網(wǎng)絡模型，進一步提高了檢測的精度。

在以智能無人機為基礎的交通監(jiān)測領域，高智和團隊則提出了低秩表達算法，并對道路上的車輛進行實時計數(shù)及分類，取得了99.8%的計數(shù)準確率和99.1%的分類準確率。

在LiDAR數(shù)據(jù)處理方向，高智提出的自適應稀疏表達算法在去噪和修復方面取得一系列成果，并進一步提出了快速稀疏表達算法，可滿足將LiDAR用于無人系統(tǒng)定位、導航的實時性要求。

這一系列的研究被應用于復雜環(huán)境中目標檢測、場景分析、交通監(jiān)測、遙感影像中車輛檢測、除云，LiDAR數(shù)據(jù)修復等領域，取得一系列有影響力的成果。以壓縮感知，稀疏、低秩表達為代表的低維模型和以深度學習為代表的深度模型，給視頻、圖像處理帶來了革命性的發(fā)展。

如今，高智正進一步研究，將這些成果應用于惡劣天氣（雨、雪、霾）下的目標檢測及事件監(jiān)測。

腎結(jié)石疾病是泌尿外科發(fā)病率較高的一種疾病，患者可能出現(xiàn)腰痛及感染癥相，如果不及時采取有效方法治療，還有可能導致腎功能損傷，對患者生命安全造成威脅[1-3]。本研究意在明確分別采用輸尿管軟鏡碎石術(shù)以及經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)對腎結(jié)石患者施治后獲得的臨床效果，以此提高腎結(jié)石患者手術(shù)療效。

服務國家測繪空天地海期待無縫銜接

2019年10月1日，高智離開了生活十多年的新加坡，赴武漢大學任教、研究，結(jié)合自己在計算機視覺、人工智能，以及無人系統(tǒng)的研究成果，重點開展了在無人智能測繪系統(tǒng)方向的研究，希望能夠在不遠的未來實現(xiàn)“空天地海無縫銜接的智能無人測繪”。

2020年1月，新冠肺炎疫情在武漢爆發(fā)，研究工作受到阻滯，高智卻并不后悔回國。在新加坡長達11年的時間里，他一直都深懷一個必須實現(xiàn)的牽掛與夢想——回饋國家的培養(yǎng)，服務祖國的智能測繪科研事業(yè)。

武漢大學遙感信息工程學院是20世紀50年代建立，集遙感、測繪、空間信息工程技術(shù)于一體的信息和工程類學院。經(jīng)過當代中國測繪事業(yè)的開拓者、攝影測量與遙感學科奠基人王之卓院士和學術(shù)帶頭人李德仁院士、張祖勛院士、龔健雅院士等專家、學者半個多世紀來的辛勤耕耘，學院已初步形成了從學士、碩士、博士到博士后的完整人才培養(yǎng)體系，在國內(nèi)同類院校中始終名列前茅，向社會輸送高級專門人才逾萬人，被業(yè)界譽為中國乃至世界測繪遙感領域人才培養(yǎng)的搖籃。

秉承對母校武漢大學和新加坡國立大學的感恩，高智回國任教后，也希望用自己的科研資源，搭建起兩個國家和院校之間科研交流、合作的橋梁。

新加坡是一個城市國家，但其在科研的實用性和前瞻性上，卻讓高智感受強烈、獲益良多。在新加坡研究期間，高智曾參與了7項政府科研項目，其中一個項目是模擬城市的重要建筑被恐怖分子劫持，研究者需要對該場景進行初步信息獲取，尤其是使用無人系統(tǒng)進行探索和信息收集。“這樣的研究選題非常有實用價值，往往能考慮到一些影響未來發(fā)展的核心因素?！痹谶@一項目中，高智負責利用多架無人機協(xié)同，對目標場景信息進行收集，快速完成三維重建，實時傳遞信息。

基于在新加坡完成的一系列科研成果，高智致力于服務國家測繪領域，立足未來發(fā)展，提出了這一領域的許多創(chuàng)新課題。他其中的一個方向是，讓智能無人系統(tǒng)進入到一個具有高挑戰(zhàn)度的村子里，完成高效、高精度的場景數(shù)據(jù)獲取和分析，解決惡劣環(huán)境下無法測量的難題。“這是我個人比較感興趣的，也想在比較短的時間內(nèi)完成的一個研究項目?！?/p>

隨著5G通信技術(shù)和人工智能的發(fā)展，智能無人系統(tǒng)可以應用到生活的方方面面，對于國家的國防科工安全建設也有著重要的意義。而5G通信技術(shù)和人工智能的發(fā)展，也會讓智能無人系統(tǒng)的發(fā)展提升到嶄新的層次。如今，基于提出的諸多研究課題，高智在武漢大學已經(jīng)組建了一支包括十多名碩士、博士在內(nèi)的科研團隊。

高智回國后就承擔起了本科生的教學工作，依托自己在新加坡的教學經(jīng)驗，他給本科學生制訂了一整套的培養(yǎng)方案。比如在視覺與模式識別的專業(yè)課上，他會有意識地給學生分配一些課后作業(yè)，讓他們從事一些需要動手去做的項目。電子基礎課上，他和團隊也開放了實習的機會，會找一些學生跟著團隊做一些感興趣的問題的研究。此外，根據(jù)學生的個人興趣和任教老師想做的課題，他和團隊也專門為學生量身定做了畢業(yè)設計的課題。

由于工作忙碌，無論是在新加坡還是回到國內(nèi)，高智陪家人的時間都比較少，但只要是工作之余，他都會想盡辦法把時間留給家庭，陪孩子打羽毛球、騎自行車，或者下國際象棋，跟孩子一起寫作，觀察他們認知世界的方式?！皟和竽X的認知方式，跟人工智能的搭建是相輔相成的，我從他們認知世界的方式和過程中，也會思考有沒有辦法能夠改善我的算法?！?/p>

對高智來說，“空天地海的無縫銜接”是一個很大的夢想，這將在未來構(gòu)建起一個空天地海協(xié)同的無人智能社會。而在現(xiàn)階段，他希望能夠盡快實現(xiàn)空天協(xié)同的智能無人測繪，并把這一成果用于服務國家重點工程、關(guān)鍵領域的重大建設。