求索智能遙感 擦亮生態底色
——記鄭州大學地球科學與技術學院副院長、教授赫曉慧

唐慧喬 吳應清

由于我國土地資源覆蓋面廣、包含因素眾多等實際情況，相關工作很難全部以傳統的實地測繪方式進行。隨著近年來高時間、高空間、高光譜分辨率的遙感傳感器及相關技術的出現，遙感技術已可以勝任不同尺度上的土地利用/土地覆蓋調查，在降低調查成本和時間的同時，其自動化、智能化的發展方向也為實現更精準、智能和多樣化的測量，以及后續的土地利用信息分類及應用提供更多可能。以遙感大數據挖掘與智能提取、區域生態遙感建模為主要發力方向，致力于遙感與深度學習的深度融合，以及遙感產品在生態領域的應用與產業化研究的鄭州大學地球科學與技術學院副院長、教授赫曉慧，正是這條路上不懈前行的求索者之一。

赫曉慧，鄭州大學地球科學與技術學院副院長、教授、博士生導師，長期致力于遙感與深度學習的深度融合及遙感產品在生態領域的應用與產業化，主要研究領域包括遙感大數據挖掘與智能提取、區域生態遙感建模等。

2006年入職鄭州大學后，赫曉慧帶領團隊先后斬獲地理信息科技進步獎二等獎、測繪科學技術進步獎二等獎、河南省科學技術進步獎二等獎等重要獎項；作為河南省教育廳學術帶頭人，她獲得了包括河南省高等教育教學成果獎一等獎在內的多項教學獎項。目前，赫曉慧兼任河南省測繪類教學指導委員會副主任委員、河南省氣象大數據分析與服務工程研究中心副主任等重要職務。

在2023年7月舉辦的全國生態環境保護大會上，習近平總書記特別強調：“把建設美麗中國擺在強國建設、民族復興的突出位置，推動城鄉人居環境明顯改善、美麗中國建設取得顯著成效，以高品質生態環境支撐高質量發展?！崩喂虡淞⒑哇`行“綠水青山就是金山銀山”的理念，加快推進人與自然和諧共生的現代化，已成為我國現階段的重要課題之一。而在此過程中，如何實現對相關生態環境資源的充分“了解”，并及時對其狀態和發展趨勢進行監測，也成了擺在相關科技工作者面前的一道應用題。

由于我國土地資源覆蓋面廣、包含因素眾多等實際情況，相關工作很難全部以傳統的實地測繪方式進行。隨著近年來高時間、高空間、高光譜分辨率的遙感傳感器及相關技術的出現，遙感技術已可以勝任不同尺度上的土地利用/土地覆蓋調查，在降低調查成本和時間的同時，其自動化、智能化的發展方向也為實現更精準、智能和多樣化的測量，以及后續的土地利用信息分類及應用提供更多可能。以遙感大數據挖掘與智能提取、區域生態遙感建模為主要發力方向，致力于遙感與深度學習的深度融合，以及遙感產品在生態領域的應用與產業化研究的鄭州大學地球科學與技術學院副院長、教授赫曉慧，正是這條路上不懈前行的求索者之一。

赫曉慧操作無人機進行野外農作物采樣

問道山川高原，繪就綠色新畫卷

九曲黃河，蜿蜒連綿。身為河南人，赫曉慧曾一次次目睹過黃河的壯美；而投身生態遙感領域后，她與黃河的“緣分”更是不一而足。在博士后期間，她就在導師王芳的帶領下到訪西寧，就當地湟水河流域的規劃展開相關研究。湟水河是黃河的一條重要支流，由于水量豐沛，加之當地脆弱的地貌結構和長期不合理的人為利用，當時的西寧水土流失情況嚴重，極易產生山洪、滑坡、泥石流等次生災害?；谶@一情況，他們從湟水河及其流域的具體情況入手，最終形成了包括河道整治、防治滑坡等具體內容在內的湟水河整體規劃方案?！爸钡浆F在，我每年參與科考時都會路過西寧，親眼見證了西寧的生態環境一步步變好。能用自己的工作給當地居民的生活環境帶來如此大的改觀，我感到十分自豪，也覺得自己的工作特別有意義?！?/p>

而在對黃河另一重要支流——渭河開展水資源規劃研究工作時，赫曉慧進一步了解到生態管理的重要意義和遙感技術在此過程中發揮的重要作用。此后，如何通過生態遙感手段，更好地獲取相關信息并進行分析，為包括水資源在內的珍貴生態資源發揮其最大作用提供助力，也成了她心中常思常新的重要課題。

人工智能技術的快速發展，使遙感與深度學習的深度融合逐步成為自動提取遙感影像地物特征、更好表征遙感地物潛在數據分布、提高遙感影像解譯效率、促進遙感產業化發展的新路徑?！疤貏e是在生態相關領域，由于研究主體體量大、缺乏明確的邊界且有較大的波動變化，這對樣本建立、采集、分析都提出了更高的要求。而將深度學習應用于生態遙感領域，可以更好地展現大尺度上生態環境現狀及未來生態環境演變趨勢等內容，并為相關研究和成果產業化提供有力支持?！本痛?，赫曉慧將深度學習、人工智能等新興技術打包進科研的行囊，著力為“遙感+深度學習”這一交叉領域架起一座溝通的橋梁。

赫曉慧的努力很快得到了發光發熱的機會。2021年，依托鄭州大學建設和管理的國家超級計算鄭州中心，赫曉慧團隊積極踐行服務黃河流域生態保護和高質量發展、中原城市群和鄭州國家中心城市建設等國家戰略，全力開展了河南省重大科技專項“面向超算的黃河模擬器構建與服務關鍵技術研究”?；诙嘣?、多尺度、多類型的大規模綜合觀測數據，以及地學知識挖掘、應用模型關聯融合、決策服務支持等技術，他們構建了超大規模計算集群支持下的決策服務與多維實時可視并行化模擬系統——黃河模擬器原型系統，重點突破黃河流域可靠數據匯聚、可信知識發現、可用服務構建等關鍵難題，實現黃河流域干支流、左右岸、上下游及城市群的生態保護高性能計算模擬、仿真與預測，對黃河流域存在的生態環境脆弱、水資源保障形勢嚴峻、發展質量有待提高等問題實現快速發現并提供解決方案。

仁者樂山，智者樂水。在第二次青藏高原綜合科學考察研究“西風-季風協同作用及其環境效應”項目子專題“美麗青藏建設氣象條件貢獻率評價系統研發”中，赫曉慧團隊將目光投向青藏高原，并從自身擅長的算法分析入手，結合實地驗證及其他子課題項目成果，打通了氣象條件貢獻率和評價系統的“溝通”路徑。而在此過程中，無論是實地考察時的艱辛，或是埋頭攻關時面對的困難，都被赫曉慧總結為幸運——“在工作中，既能領略祖國的大好河山，又能徜徉于遙感技術這個世界范圍內高精尖的科研領域，這是多么好的事情”。保持著這樣的想法，她一步一個腳印，堅定地踐行著“把論文寫在祖國大地上”的莊嚴承諾。

團隊赴青藏高原祁連山展開科考工作

瞄準具體場景，篤行不怠向未來

“如何將研究成果轉化為可實用的技術，并將之應用在實際場景中”是赫曉慧一直在思考的問題。近些年來，以智能遙感為核心，她持續開展關鍵技術攻關研究，據此形成的一系列智能遙感新方法、新理論，目前也已成功應用于智慧農業、生態監測等具體場景中。

生態要素監測是赫曉慧團隊重點攻關的課題之一。其中，赫曉慧尤為關注土地利用自動化、智能化分類的焦點問題，針對不同的土地利用場景和空間模式，提出了基于多層次上下文的土地利用自動分類框架，并基于這一框架完成了河南省10m土地利用制圖，實現平均精度達到87%的土地利用準確分類。這一發布于地學國際期刊《國際應用地球觀測和地理信息雜志》（International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation）的成果，可同時擴展到世界范圍內各區域的土地利用分類任務中，進一步形成高精度、長時間及全類別的高質量土地利用解譯產品，為國土資源規劃、精準農業發展、洪澇災害監測等提供科學的分析依據。此外，赫曉慧團隊還將研究方向進一步擴展到了城市規劃上，圍繞遙感影像噪聲標簽難題，他們研發了序列深度學習方法和多標簽整合道路提取模型，并成功應用于鄭州市市區大規模道路制圖任務上。目前，這一成果發表在遙感國際期刊《IEEE地球科學與遙感學報》（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing）上，為城市規劃、市民出行、交通管理等應用場景提供了有力的科學支持。

身處農業大省，智能農業同樣是赫曉慧關注的重點。通過結合遙感衛星與人工智能新技術，赫曉慧團隊在長時間序列作物長勢動態監測、農作物種類細分、田間精細農業信息獲取等關鍵技術方面得到了突破，構建了面向時序多光譜影像的時空智能挖掘技術體系，為農作物估產、農田監測等應用提供了新思路。在她主持的國家自然科學基金面上項目“地表時空異質性干擾下的非平衡復雜場景冬小麥葉面積指數反演”中，赫曉慧針對地表時空異質性強烈干擾下的非平衡復雜場景葉面積指數精準反演面臨的挑戰，創造性地提出了針對大尺度農作物葉面積指數精準反演的遷移學習時空范式，為農作物數字化精準監管與智能決策提供了理論和技術層面行之有效的科學助力。而在國家重點研發計劃“全球對地觀測成果管理及共享服務系統關鍵技術研究”子課題“全球綜合觀測大數據多維多尺度可視化引擎構建”的研究過程中，針對國家重大戰略中全球綜合觀測成果智能管理與共享的需求，赫曉慧以國家各衛星中心和基礎地理信息中心對地觀測成果為基礎，研制了全球綜合觀測成果可視化平臺，并通過地理時空數據多維多尺度動態表達模型、地理時空對象數據的渲染加速方法、多類型時空數據自適應化簡渲染策略等多種高性能可視化方法，突破全球綜合觀測大數據多尺度動態表達、快速渲染技術瓶頸，為我國自有的全球綜合觀測大數據知識化管理與服務平臺構建提供了強有力的支撐。正如赫曉慧所說：“作為整個項目的‘出口’，我們所做的工作就是通過二、三維快速一體化的方式，讓曾經看不見、摸不著的遙感知識可以‘被看到’?！倍谥械倪@項基礎性工作，不僅驗證了系統的可用性，更為我國推行“一帶一路”“海洋強國”等國家倡議時，運用相關全球綜合觀測成果智能服務提供新的可能性。

談及一路走來曾面對的困難，赫曉慧坦言：“基礎科研最難的一點，就是很難在短時間內看到成果?！睆奈覈a業自主化發展的迫切需求出發，赫曉慧團隊在每一個“牽一發而動全身”的細小節點都要反復計算，以打磨國產硬件與常用算法、傳統模型之間“不契合”之處?！斑@樣的工作既基礎又龐雜，但是很難產出亮眼的成果或文章，是很多人不愿意去啃的‘硬骨頭’?！彼f，“幸運的是，在團隊上下長久的堅持和努力下，這些問題都被一一化解，后期相關工作的效率也得到了顯著的提高。從這個角度來看，這段困難時光還是非?！畡澦恪??！痹诤諘曰蹣酚^堅定的示范和帶領下，一支合作無間、團結高效的團隊也隨之成形，成為領域內蓬勃成長的新生力量。

嚴要求厚關愛，育得源頭活水來

目前，赫曉慧所在的鄭州大學地球科學與技術學院遙感與地理計算團隊已擁有成員50余名，其中包含博士與碩士研究生40余人。在秉承嚴謹治學、亦師亦友育人理念的基礎上，她始終堅持嚴要求與厚關愛相結合，強調價值塑造、能力培養、知識傳授三位一體推進，在治學中要更加注重對學生品德的培養。在她看來，學生要具備兩項重要品質：其一是科學嚴謹的科研態度，其二是善始善終的工作態度。面對遙感智能提取、遙感定量產品研發、植被參數反演等不同方向的團隊成員和學生時，赫曉慧習慣于“跳出文獻”，她會以合作單位提出的最新的現實需求或問題為課題，為學生布置相應的“大作業”。在充分激發他們的思考實踐能力之余，她選擇用“拼模塊”的方式彌合學科交叉所帶來的種種挑戰?！皥F隊中的每個人各自負責自己最擅長的部分，我通過頂層設計將相關成果歸納總結起來，是我們目前推行的工作模式?！痹诖嘶A上，她還著重強調了科研“落地”的重要性：“科研成果應該對社會有用，而不是單單為了‘做文章’。所以我現在就要求學生在取得初步成果、發表文章后，要將相關算法融入系統中去，并根據不同的場景需求進行具體的調整，最終交出的成果要是一個完整的平臺軟件，而不是止步于一篇文章?！边@個辦法，也正是她幫助學生了解本專業更前沿的技術與方向，為后續就業或深造提供有效參考的不二法門。

談及未來發展，赫曉慧誠懇地說：“我希望可以通過我和團隊的共同努力，讓遙感技術特別是遙感大數據相關技術真正地‘落地’，并且能用得好、用得精?！彼诖赃b感實際應用問題為導向，將學科前沿的浸潤和一線科研工作實踐相融合?！霸诟咝?、科研院所、企業在對產業化應用做好調研情況后，針對市場需求展開科研攻關；同時在轉化應用過程中，讓科技創新成果成為一種自由流通要素，提升產業與技術的融合程度。在此基礎上，我們期待建立一個共享平臺，從而為海量的遙感數據提供自動查找、智能解疑及解疑結果精準推送的出口，也能為有切實需求卻對相關技術了解不深的企業或用戶提供可以簡單快速獲取所需解答的途徑，或者根據他們的具體需求提供個性化的解決方案，將理論成果與遙感實踐更好地結合起來?！?/p>

一路走來，赫曉慧也時常要面對挫折的苦澀、探索的寂寞，然而她卻很少訴說其中的艱辛?！耙驗槲蚁矚g這個專業，所以不覺得累?！彼锰耢o的語調，詮釋了“發憤忘食、樂以忘憂”的深刻意義。沿著人工智能和遙感基礎理論的研究方向，她將繼續堅定地行走在向前推進技術、培養更多人才的道路上，風雨兼程，躬耕不輟。