中國第一幅數(shù)字地圖誕生記

◎ 王樹連

1975 年盛夏，高溫持續(xù)。在電子計算機房里，連續(xù)奮斗了兩個星期的西安測繪研究所科研人員常本義兩頰深陷，下頦尖尖，雙眼布滿血絲。他全神貫注地在500 條程序的行間搜尋著邏輯鏈條的斷點。這一描繪等高線的程序已經(jīng)修改過近百次，仍然未能通過。他逐條分析、判斷，再次進行了修改，然后將“打孔磁帶”上的程序輸入計算機。他的右手伸向運行按鍵，突然停住，穩(wěn)定一下怦怦跳動的心臟，毅然將按鍵摁到底。指示燈頻頻閃爍，繪圖筆顫巍巍地運動起來。

“好啊，計算程序終于通過了！”一塊10 厘米見方的高程曲線圖被描繪出來。雖然高程曲線是如此粗糙，簡直像一條打了結(jié)的麻繩，但這是中國人利用電子計算機制作的第一幀數(shù)字等高線圖。

初戰(zhàn)告捷，增加了常本義的信心，他隨即向新的目標(biāo)挺進。1976年初，常本義和同事們帶著在坐標(biāo)量測儀上采集的5000 個地形高程數(shù)據(jù)，再次進京“借雞下蛋”。

北京大學(xué)計算機中心擁有當(dāng)時先進的計算機，可供國內(nèi)客戶使用。機房里，除了機器有節(jié)奏的轟響，沒有其他聲音。在無線電傳真機旁，常本義和同事們忙碌著。他們將一張航空像片放在傳真機的滾筒上，然后將5000 個地形高程數(shù)據(jù)一一輸入，再依次進行相對定向、絕對定向、數(shù)據(jù)內(nèi)插、格網(wǎng)變換、跟蹤糾正等程序操作。

常本義（左）在研究數(shù)字地圖內(nèi)插問題

試驗人員瞪大眼睛注視著按照指令徐徐運行的傳真機，一根根曲線陸續(xù)顯示出來。輸出結(jié)果令人振奮 ：原來麻繩一樣的等高線已經(jīng)比較光滑 ，等高線與正射影像像片的套合比較吻合，一塊數(shù)字地圖看上去有模有樣了。

常本義與同事們互相祝賀，他堅定而自信地說：“對于中國測繪科研工作者來說，在開創(chuàng)數(shù)字地圖測制的道路上，已經(jīng)沒有不可逾越的鴻溝！”

回到招待所，常本義回顧多年來付出大量心血的航空攝影測量自動化課題研究過程，心中默念著一個結(jié)論：航測自動化的出路在于測圖數(shù)字化。

當(dāng)試驗成功的消息傳到西安測繪研究所，領(lǐng)導(dǎo)果斷決定：數(shù)字化測圖項目正式上馬！從此，數(shù)字化測圖研究被列為西安測繪研究所的計劃課題。

研制數(shù)字化設(shè)備

工欲善其事，必先利其器。沒有數(shù)字化設(shè)備，要進行數(shù)字地圖研制與生產(chǎn)是不可能的。常本義與課題組的同仁清醒地認(rèn)識到：眼前的數(shù)字地圖試驗成功僅僅說明，制作高程數(shù)字圖在原理上是可行的，但是制作能投入使用的數(shù)字地圖還有很長的路要走，前面仍有一道道關(guān)卡。因此，繼續(xù)研制數(shù)字地圖技術(shù)，必須從研制數(shù)字化設(shè)備開始。

當(dāng)時，國外流行的數(shù)字化測圖設(shè)備是解析測圖儀，于60 年代初在美國首創(chuàng)。那時計算機水平較低，一直未能推廣使用。直到1976 年，微型計算機得到了較大發(fā)展，在芬蘭赫爾辛基國際攝影測量年會上，西方先進國家首次推出6 臺不同型號的解析測圖儀。彼時，國外雖有現(xiàn)成的測圖數(shù)字化設(shè)備與成功經(jīng)驗，但國內(nèi)還沒有解析測圖儀的詳細(xì)資料，無法借鑒。所以，只能靠中國測繪專家的智慧去斬關(guān)奪隘。

沒有充足條件，創(chuàng)造條件也要上。20 世紀(jì)50 年代末，中國科學(xué)工作者嘔心瀝血，研制出第一代電子計算機——103 型計算機，僅設(shè)備安裝就需要幾間房子。

1962 年，西安測繪研究所購進了一臺103 型計算機，在國內(nèi)率先開展了電子計算機在測量上的應(yīng)用研究。同時，西安測繪研究所與華東自動化計算站的技術(shù)人員共同研制測繪專用計算機。103 型計算機于1964 年5 月投入運行，先后開展了解算地球橢球面上兩點間距離和方位角、平差三角鎖網(wǎng)、解析空中三角測量、立體小區(qū)域網(wǎng)平差等研究，均取得了突破性進展。其中，小三角網(wǎng)平差計算在全國大地平差中逐步推廣。

當(dāng)年，為了掌握計算機技術(shù)，西安測繪研究所選派常本義、吳守琳到北京計算所學(xué)習(xí)電子計算機技術(shù)，參加原國家測繪總局舉辦的無線電訓(xùn)練班。

時間到了70 年代，常本義、吳守琳已經(jīng)成為精通計算機軟硬件的測繪專家。如何把計算機與現(xiàn)有的測量儀器聯(lián)通，實現(xiàn)航空攝影測量自動化成為他們當(dāng)時傾力研究的課題。兩人決定利用電子計算機控制坐標(biāo)量測儀，研制出能夠采集地形數(shù)據(jù)的數(shù)字化器。立體坐標(biāo)量測儀是常規(guī)測量儀器，利用立體像對，建立立體模型，用來測量目標(biāo)點的坐標(biāo)。

數(shù)字等高線（高程模型）

常本義、吳守琳是原解放軍測繪學(xué)院航空攝影測量專業(yè)的同學(xué)，又是課題研究中親密無間的戰(zhàn)友，前者擅長軟件開發(fā)，后者擅長硬件研究，兩人珠聯(lián)璧合，肩負(fù)著航測自動化的使命。那些日子，兩人帶領(lǐng)課題組科研人員忘我工作，下班鈴聲響過多時，他們還在安裝設(shè)備、調(diào)試程序，常常已至深夜，試驗室依然燈火通明。

1977 年10 月，中國測繪專家將一臺按時間控制原理設(shè)計的數(shù)字化器正式與常規(guī)坐標(biāo)量測儀融接，向計算機注入程序，輸入指令，坐標(biāo)量測儀便啟動運行起來。

試驗結(jié)果表明，用這種設(shè)備采集1 萬個數(shù)據(jù)，平坦地區(qū)只需1 小時，山區(qū)也只需3 小時。在當(dāng)時來說，數(shù)字化器成為制作數(shù)字地圖獲取原始數(shù)據(jù)的理想設(shè)備，這套設(shè)備經(jīng)過不斷改進正式命名為：聯(lián)機立體坐標(biāo)量測儀。

數(shù)字化器是數(shù)字測圖的關(guān)鍵設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，到1979 年底，僅用1 年多時間，課題組便成功研制出中國第一臺數(shù)字測圖儀并具備第一代解析測圖儀的功能。這臺數(shù)字測圖儀具有良好性能，不僅得到國內(nèi)測繪專家的認(rèn)可，還多次在來訪的外國測繪專家面前進行測圖表演。外國專家稱贊：“你們是第三世界國家中第一個研制出數(shù)字測圖儀的國家。”

1985 年，國產(chǎn)微型計算機有了長足發(fā)展，長城系列微機已經(jīng)能夠滿足解析測圖儀的運算要求。于是，常本義、吳守琳等專家們團結(jié)協(xié)作、聯(lián)合攻關(guān)，解析測圖儀的研制進入了實質(zhì)性階段。

功夫不負(fù)有心人，成功屬于奮斗者。1987 年夏天，性能優(yōu)越的中國第一代解析測圖儀—— APS-1型解析測圖儀研制成功。經(jīng)過嚴(yán)格檢測與應(yīng)用比較，APS-1 解析測圖儀功能優(yōu)良，尤其是軟件獨具特色，開發(fā)潛力很大，而且價格只有同類進口產(chǎn)品的四分之一，很快在國內(nèi)一些測繪單位推廣使用。

第一幅數(shù)字地圖問世

1978 年春天，伴隨著全國科學(xué)大會的春風(fēng)，開發(fā)實用的數(shù)字地圖條件逐漸成熟，數(shù)字測圖課題組科研人員以極大熱情投入研發(fā)工作。同時，西安測繪研究所的科研設(shè)備也在改善，購進性能較好、輕便型C4500 計算機，使科研數(shù)據(jù)能夠快速處理。

當(dāng)年，數(shù)據(jù)采集工藝仍然比較原始。數(shù)字化器在航空像片上采集數(shù)據(jù)時，像電視機的顯示屏一樣逐行掃描，因而采集的數(shù)據(jù)是規(guī)則陣列。實際上航空像片上的像點常常會發(fā)生位移和形變等情況，若要將像點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面點坐標(biāo)上，就要對成千上萬個數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，是一個十分棘手的問題。

常本義義無反顧承擔(dān)起坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究任務(wù)，這是一條布滿荊棘的科研道路。他反復(fù)琢磨，多次實驗，成功研制出格網(wǎng)變換的邏輯算法。采用這種算法，計算機轉(zhuǎn)換一組5000 個數(shù)據(jù)點的像對只需15 分鐘。這樣的計算量與速度，放在今天只是幾秒鐘的事兒，而在20 世紀(jì)70 年代，卻是令人振奮的創(chuàng)新成果！

測繪人都知道，等高線是用來表示地形狀態(tài)的常用方法。在測制數(shù)字地圖過程中，需要把采集到的等高數(shù)據(jù)點聯(lián)通起來，才能繪制出等高線。等高數(shù)據(jù)點越密集，聯(lián)通的等高線就越平滑、越準(zhǔn)確，這就需要對采集的數(shù)據(jù)點加密。

為此，常本義帶領(lǐng)課題組研究出內(nèi)插法，用計算機對數(shù)據(jù)進行加密。該方法的原理與利用多倍立體測圖儀測等高線相似 ：先繪出計曲線，再內(nèi)插首曲線。

數(shù)據(jù)點加密以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工藝，需要處理海量的數(shù)據(jù)，當(dāng)時計算機運算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，怎么辦？常本義設(shè)計出動態(tài)緩存區(qū)的軟件，把數(shù)據(jù)進行“切片”，放在緩沖區(qū)，一片一片去處理，用小容量計算機“小馬拉大車”，解決了低水平計算機處理海量數(shù)據(jù)的難題。

常規(guī)測圖中，相鄰像對、相鄰航線、相鄰圖幅之間，都存在接邊問題。同樣，數(shù)字地圖內(nèi)部各個數(shù)據(jù)塊間也有拼接問題。常本義的同事陳映鷹設(shè)計出相應(yīng)的軟件，很好地解決了這一問題。

1978 年底，一幅儲存5 萬個地面高程數(shù)據(jù)的數(shù)字地圖問世，這是中國第一幅真正意義上的高程數(shù)字地圖。儲存起來，數(shù)字地圖就是一盒磁帶，號稱“看不見”的地形圖。輸出出來，就是一幅與曲線套合的正射影像圖，與常規(guī)圖無異。

中國第一幅數(shù)字地圖的問世，是中國測繪史上一個重要事件，是中國測繪科學(xué)工作者心血和智慧的結(jié)晶，是中國測繪踏進數(shù)字化測圖門檻的第一步。

中國第一幅數(shù)字地圖一經(jīng)問世，便派上了用場。1980 年初夏的一天，一架銀白色的航空攝影飛機在蔚藍(lán)的天空飛翔。從飛機上鳥瞰，崇山峻嶺，丘壑縱橫。飛機上的測高儀不斷記錄著大地起伏的回波，航空攝影機連續(xù)進行拍照。這是中國第一次飛機模擬數(shù)字地圖的匹配地形試驗。地形匹配是景象匹配，是高于慣性導(dǎo)航的精確制導(dǎo)的尖端技術(shù)。

此次實驗結(jié)果表明，中國數(shù)字地圖性能初步達(dá)到了實用水平。當(dāng)時，一家用戶單位十分高興，特意制作一面錦旗送到西安測繪研究所，上面寫著：“專業(yè)兩兄弟，攻關(guān)并翼飛。”注視著鮮艷的錦旗，常本義、吳守琳和同事們都笑了，笑得酣暢，笑得盡情。

中國科學(xué)院院士王之卓是中國航空攝影測量界的學(xué)術(shù)泰斗。有一次西安測繪研究所邀請王院士講學(xué)，常本義向他介紹數(shù)字地圖、數(shù)字測圖設(shè)備研制情況，他認(rèn)真聆聽，仔細(xì)觀看，并連連稱贊測繪同行取得的科研成就。

“路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。”常本義和同事們深知，第一幅數(shù)字地圖只是一個起點，航空攝影測量數(shù)字化任重而道遠(yuǎn)。他們沒有停下腳步，而是不斷攻堅克難、守正創(chuàng)新，利用西安測繪研究所購進的C4500 計算機及數(shù)字掃描儀，先后制作出水平更高的數(shù)字地圖，包括數(shù)字地形模型、與等高線密切配合的正射影像圖等。

與此同時，常本義與陳映鷹通過理論與實踐相結(jié)合，把創(chuàng)新成果寫成論文《數(shù)字測圖儀及其在空中三角測量和數(shù)字地形模型中的應(yīng)用》《數(shù)字微分糾正的基本原理與方法》，分別發(fā)表在1982 年、1983 年的《測繪學(xué)報》上。

常本義主持的測圖數(shù)字化項目先后有30 多人參加，大家同心協(xié)力，不計名利，共同的使命感成為科研團隊克難攻堅的動力。特別是常本義和吳守琳協(xié)同作戰(zhàn)，成為數(shù)字測圖儀研制過程中配合默契的兩位學(xué)術(shù)帶頭人。

如果說數(shù)字測圖儀是一架性能優(yōu)良的鋼琴，那么常本義帶領(lǐng)的科研小組就是譜寫優(yōu)美旋律曲目的人。常本義團隊為數(shù)字測圖儀配置了成套的應(yīng)用軟件，賦予了數(shù)字測圖儀更多的功能，測圖精度也有明顯提高。這套應(yīng)用軟件以其優(yōu)越的性能在較長時間內(nèi)保持著先進生命力。