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测天绘地 敢为人先--记我国著名的大地测量学教授金双根



  

 

  测量,人们研究地球形状、大小、确定地面点位的古老学科。在遥远的古代,人们用脚步丈量大地,用眼睛观察日月星辰。如今,卫星导航、激光测距、卫星遥感和地面测站等空天地一体化观测,人们获得地理和空间信息的手段和技术变得越高端和便利了许多。

  得益于全球定位系统(GPS)等卫星技术的飞速发展,传统的大地测量学突破了空间局限,一跃升级为以空间大地测量和遥感为主的现代大地测量学。这一过程中,一大批年轻有为的科学家涌现出来,逐渐成长为这一领域的中流砥柱。中科院上海天文台研究员、南京信息工程大学教授金双根,就是其中的佼佼者。

  与大地结缘 梦想从这里起飞

  金双根是中科院上海天文台研究员、南京信息工程大学遥感与测绘工程学院教授和院长、博士生导师,除此之外,他还是欧洲科学院院士、欧洲人文与自然科学院院士、俄罗斯自然科学院外籍院士、国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG)会士、国际大地测量协会(IAG)会士,担任着国际IUGG委员会主席、国际行星科学协会(IAPS)主席和亚洲大洋洲地球科学学会(AOGS)行星科学分会主席,兼任包括IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing等7本国际SCI期刊的副主编、编委等身份。

  

 

  如今在卫星导航与大地测量领域取得突出成果的他,却是偶然进入这个行业的。1995年,金双根考入武汉测绘科技大学,被调剂到大地测量专业。尽管不是出于自愿,他也抱着“既来之,则安之”的心态开启了大学生涯。在大学氛围的感染下,金双根逐渐燃起了对大地测量专业的兴趣,自此踏上了他的梦想之旅,奠定了今后从事科学研究的基础。

  1999年,金双根顺利考入中国科学院上海天文台攻读研究生。这时,一项新的测量技术闯入了他的视野——GPS。GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称,具有全天候、高精度和连续观测的特点,GPS技术作为先进的测量手段,是当之无愧的测量技术的一次大革命。

  敏锐地抓住这个研究热点,金双根调动了自己潜能全身心地投入研究。2001年,研究生二年级的金双根就开创性地提出了用GPS监测大气和电离层延迟改正合成孔雷达干涉测量(lnSAR),而雷达干涉测量技术这时候也才刚刚起步。GPS导航定位刚刚在国内兴起,金双根2002年在国际上提出了GPS遥感方向,开展GPS反射测量(GPS-R)研究和推广其应用。2003年,金双根以优秀的成绩和丰富的科研成果成为中科院上海天文台第一个仅用四年时间就完成硕士和博士学业的学生。并且在这期间,他发表了多篇包括国际《Journal of Geodynamics》和《中国科学》在内的高水平论文,提出的很多见解引起了学术界的高度关注。之后的十余年,他一直专注于GNSS遥感理论与方法研究及应用,解决了一些技术难题,并于2014年在国际上首次出版了GNSS遥感英文专著。

  2019年7月13日,在加拿大蒙特利尔举行的第27届国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)的科学大会授奖仪式上,金双根被授予全球地球科学领域最重要的学术荣誉:国际大地测量及地球物理学联合会会士,IUGG主席为金双根教授颁发了荣誉证书和奖牌。IUGG会士于2013年由IUGG执行局设立,表彰在全球地球和空间科学领域取得卓越成就和国际合作中做出杰出贡献的科学家。该荣誉每四年选举一次,2019年正逢IUGG成立一百年周年之际,意义非凡,金双根也是今年全球通过选举获此殊荣的7名科学家之一。

  然而,这已经不是金双根第一次获得国际权威学术相关机构的重要席位了。2011年,为了表彰在大地测量领域做出杰出贡献的科学家,金双根获得拥有百年历史的IAG会士(Fellow)。IAG的宗旨是,通过国际合作,促进大地测量学的发展,协调需要国际合作的工作和讨论解决国际上重大意义的大地测量学科问题,这也是金双根一直以来践行的原则。另外,他还于2017年获得俄罗斯自然科学院外籍院士、2018年获得欧洲科学院院士、2019年获得欧洲人文与自然科学院院士等。

  这些荣誉都是依靠他一点点的科研付出和积累获得的,金双根10余年的海外之行,足迹踏遍澳大利亚、韩国、比利时、美国和土耳其等世界各地,访问、交流和讲学,他像一个不知疲倦的旅人,把足迹留在世界各个角落,在国际舞台上逐渐崭露头角。

  钟情空间测绘 带动相关技术的深刻变革

  得益于GPS等卫星导航技术的飞速发展,大地测量学经历了一场划时代的变革,克服了传统的经典大地测量学的时空局限,进入了以空间大地测量和遥感为主的现代大地测量的新阶段。

  毫无疑问,金双根也是这场变革的参与者。通过研究,他发现GPS通过电离层等介质会产生延迟,就利用这个延迟开展空间环境、气象学等方面的应用研究,即GPS大气遥感;同时,他开展了GPS海洋遥感研究,利用机载或星载GPS接收反射信号提取海洋表面信息,如海浪、风向、风速等,为探测和预警海啸铺路;他还利用地表面放射GPS信号遥感探测土壤湿度、冰雪厚度等,从而为水文、气候和农业等研究提供数据支撑。

  

 

  金双根利用我国全球导航卫星系统(GNSS)观测网研究并提取2008年汶川地震同震和震后的大气异常现象,在国际上首次推出了GNSS大气地震学概念。在2012年5月于广州召开的“第三届中国卫星导航学术年会”上,金双根介绍了该项研究成果,为监测和预报地震提供了新的可能。他倡议国际同行利用大气探测手段,进一步研究和认识地震破裂前后细节和产生机理,发展GNSS大气地震学,共同解决地震预测难题,让空间大地观测技术成为监测地质灾害的主要手段之一,为人类的生产、生活、科研和各种经济活动服务。并统计分析一系列不同地震,发现了GNSS电离层电子含量扰动与地震活动的相关性,揭示了大气扰动与固体地球活动的耦合机理,为监测和预报地震提供了理论基础。在国际上首次出版了“GNSS大气地震学”英文专著,得到国际同行高度评价,如国际大地测量协会(IAG)主席、德国科学与工程院院士Harald Schuh认为“金双根在国际上首次提出了GNSS大气地震学概念,并提供了一个创新的监测和理解地震技术”。

  为了提高GPS导航定位精度,金双根开发了新的GPS定位随机模型,更好地描述不同高度角、不同卫星等时空相关性,将剩余残差纳入随机模型,再来求解提高GPS定位精度。结果表明,GPS定位精度提高达30%,特别在垂直方向上,已被国际GPS用户使用。而在地球物理模型方面,则通过结合不同的观测资料进行研究,如联合卫星测高和卫星重力等资料建立地球物理负荷模型,来纠正GPS定位误差,提高其定位精度。

  在探测空间和行星领域,金双根利用行星探测器资料精确获取月球、火星和金星表面地形及其空间环境特征,如行星大气和电离层逃逸到宇宙空间,这对探究行星水散失过程和探索可能的生命具有重要的作用。并用火星探测器高光谱数据发现了火星杰泽罗陨石坑含水碳酸盐,建议为下一步火星探测器登陆点。最近被美国NASA “Mars 2020”采用为登陆点。同时,他也为我国“十二五”期间进行的空间探测和深空探测发展规划论证,开展火星探测以及后续金星和小行星空间环境探测等提供理论支持和新的科学目标,这些工作都对国家需求具有重要意义。

  发挥余热 架起大地测量人才发展的桥梁

  2010年7月,已经是美国Texas大学空间研究中心(CSR)研究员的金双根,放弃国外优厚的条件和待遇,作为“引进国外杰出人才”回到中科院上海天文台工作,并入选中科院“百人计划”和上海市“浦江人才计划”。谈及为什么回国,他说到:“虽说科学无国界,但毕竟自己是中国人,我希望借助自己取得的成果提升中国在国际上的影响力。”

  回国后,他充分利用自身的资源和优势,不仅承担了一系列国家重大研究课题,还积极主持开展了多个国际合作项目,比如欧空局Category-1项目——InSAR,GPS和重力监测中国西南部气候系统变化和动力学模拟;中俄合作项目——利用最近空间探测器遥测月球地形和尘埃大气层;中德合作项目——利用多卫星空基GNSS监测电离层-等离子层变化与机理的研究等。

  为了让中国的空间大地测量技术融入世界,2012年中科院上海天文台成功举办了首届“国际空间大地测量与地球系统会议”,金双根担任大会主席并一手操办。参会人员近200人来自中国、美国、德国、法国等十几个国家或地区,包括中国科学院院士叶叔华、中国科学院院士石耀霖、国际大地测量协会(IAG)主席、国际地球参考架负责人、国际SLR服务组织负责人、国际大地测量期刊主编和其他国内外活跃的顶尖大地测量学者等。整个会议过程中,金双根的组织能力和科研成果给专家学者们留下了深刻印象,通过这次会议,金双根为我国空间大地测量学家和青年科学者提供了一个交流平台,同时向国际同行展示了我国在空间大地测量领域取得的进展,加强了相互之间的沟通、联系与合作。

  育人是金双根回国的另一大心愿,他希望培养出一批胸怀大志而又脚踏实地的优秀青年测绘人才。在他的团队里,硕士一、二年级的研究生就开始以第一作者在国际著名期刊发表高质量论文,而这对于测绘学科的高年级博士生或教授来说都不是一件容易的事,这与金双根的指导和付出是分不开的。尽管他每天杂事、管理、会议和项目等业务繁忙,但他坚持每周组织学生用英语汇报、交流和讨论.对每一篇学术论文和毕业论文都要修改十几遍以上,修改到深夜对他来说是家常便饭。这一切,他从没有过一句怨言。面对爱人有时埋怨他对学生比对自己孩子还好时,他总是报以会心的一笑。在金双根心中,最有意义的事情是为国家科学事业走向世界贡献更多力量、为国家培育出更多优秀的青年人才,让科学这棵大树更加枝繁叶茂。

  

 

  从地下到地上,从陆地到海洋,从地面到天空,从地球到行星,金双根带领团队研发空天地一体化大地测量观测技术,监测和理解地球各圈层微小变化和耦合过程,探索地球奥秘和为人类防灾减灾服务,这是一个交叉学科,考验一个科学家的智慧和毅力的赛场。多年来,他们以不懈的努力迎接困难,以积极的心态应对挑战,以不屈的信念坚守未来。空间大地测量学——这个广阔而神秘的“领地”,等待着更多像金双根一样的学者尽情书写、快意翱翔。




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