三公大吃小:杨伯钢:用高科技“智绘”北京

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数字城市、三维重建、自动驾驶、多源遥感地质灾害、卫星影像判读、北斗卫星导航系统、月球火星都能用上……你基本不会把这些无比高大上的新事物跟马路上那群身穿黄马甲,扛着测量仪器,照来照去不知在干啥的外业工作人员联系起来。

在普罗大众的认知里,传统测绘就是先测后绘,用经纬仪、水准仪、测距仪测量去获取数据,然后用鸭嘴笔、圆规绘图,最后的产品主要就是单一的地形图和在地形图基础上编绘的专用地图,与我们的生活没有直接关系。

然而最近二十多年,信息技术加快了人类社会的运行速度,测绘学的学科内涵发生了巨大变化,如何界定测绘学的含义,已是世界各国测绘工作者所关注的问题。

在全国工程勘察大师、北京市测绘技术研究院原副院长杨伯钢看来,测绘的定位不断在提升,随着现代科技发展,测绘已经扎根各行各业,成了不可或缺的存在,测绘做的是让大家都能用的东西。

39年来,杨伯钢主持完成了北京数百个建设工程的测绘,他主持的北京市第一次地理国情监测工作,为北京市城市体检和城市治理工作提供了技术支撑;在北京市地下管线信息系统、天安门基础设施管理系统、“海淀城市”大脑、北京市不动产登记系统等方面,则助力政府管理更加科学化、智能化和精细化。

杨伯钢,博士,教授级高级工程师,全国工程勘察设计大师,北京市测绘设计研究院原副院长,城市空间信息工程北京市重点实验室主任,北京测绘学会理事长。受访者供图

既做了,就做好

杨伯钢大学学的是城建工程测量专业,1983年毕业后一直从事这项工作,到现在39年。他头发灰白,穿夹克和衬衣,一笑,微露一对虎牙。院里的同事形容他,嗓门大,中气十足,特别有激情,永远风风火火的。

“我上大学前对这个专业一无所知,而且测量本身就是小专业,相对比较偏”,杨伯钢自述自己性格中规中矩,既做了,就做好,于是39年来一直坚守在测绘生产科研一线。

那时候的测量分两个专业,一类是大地测量,经常往荒郊野外走,水准仪、平板仪、测距仪、三脚架……全套几十斤重的测绘装备都要靠人力背上山,一两个月不见人烟,风餐露宿不说,还时常有遇到野兽毒虫的危险,他们很容易被分辨,往往被晒得黢黑。

另一类别是工程测绘。虽然没有那么辛苦,但在城市里也要经常从事外业,一张施工网格图,需要每隔50米打上一个坐标,每处细节都要细心绘制、每个角落都不能落下。那时候使用的是最原始的拉力计和钢尺,每次测量需要至少施加8公斤的力,才能测得有效数值,“用拉力计测上一天,会拉到手酸得没法握笔写字,晚上我们还要坚持绘图。”

杨伯钢做的就是工程测绘。大学毕业时被分配到北京市测绘处(北京市测绘设计研究院前身)测量四队担任作业员。测量道路、绘制规划红线、对建筑施工工程进行校验,是他的日常工作。

1988年,干了五年外业的杨伯钢到海南分院当技术负责人,一年后回到北京,当时北京的上地开发区、亦庄开发区先后成立,从只有荒地到楼宇建设再到修通公路,“每一份规划设计的图纸,都需要我们的地形图,每一幢建筑的施工,都需要我们定桩放样”,所有的数据都是杨伯钢带队一个一个测量出来的,并且突破性地完成了从工程测量、市政测量到综合测量的转变。

虽然说,测绘这个行业属于“幕后英雄”,工程完成后,荣誉都是设计者和建设者的,但“楼盖起来、路修好了之后,我们也有荣誉感。因为测绘人员投入太多的心血和汗水,所以工作虽然辛苦,但成就感也非常强,这可能就是它最有魅力的地方吧”,杨伯钢说。

杨伯钢曾经在赤道几内亚进行一个新城市(300778)选址的测量任务,做航片现场调绘,这是做全要素地形图的基础。如果调绘时判断错了位置、用错了符号、综合取舍不当或者注错了名称和数字,地形图也会经常出现同样的错误,“测绘工作常是差之毫厘,谬以千里,因此一定要十分准确,要真实,要实事求是”。当地环境清新,人烟稀少,但因为不熟悉气候,经常被暴雨浇在工作现场,还会遭到尺寸不小的毒蛇的威胁。

2003年,杨伯钢在赤道几内亚进行一个新城市选址的测量任务。受访者供图

在海口开展市政道路测绘时,他前一天立尺测量的点位,第二天就被施工车辆铲出一条大蛇,“想想真是挺后怕的”。

1994年开始,杨伯钢任北京市测绘设计研究院副院长。

彼时,测绘技术也从以光学仪器为标志的传统测绘技术体系,到以航空航天遥感、卫星导航定位、地理信息系统为核心的数字化测绘技术体系,再到初步建立以数据获取实时化、数据处理自动化、数据管理智能化、信息服务网络化、信息应用社会化为特征的信息化测绘技术体系。

为地下管线建数据库

北京的三环路曾经在2002年进行了系统改造,其中全长48公里的全线测绘工作就是杨伯钢带队完成的,当时主要是对道路出入口、雨水口、桥梁伸缩缝、交通标志牌、交通检测设施等重点施测。杨伯钢说,“其实就是为施工提供一些基础信息,比如哪里有地下水管不能动,哪棵树需要移,什么标志能安在什么位置”。

从那时开始,杨伯钢就注意到了北京城市地下管线的重要性。

城市地下管线,是指城市范围内供水、排水、燃气、电力、通信、广播电视、工业等管线及其附属设施,它们担负着传送信息或输送介质的工作,是城市的“生命线”和“血脉”。伴随着城市快速发展,地下管线设施规模不断扩大、负载量迅速提高,但与此同时,城市地下管线建设规模不足、底数不清、管理水平不高等问题逐渐凸显。

杨伯钢说,北京的地下管线情况非常复杂,于清朝开建,历年来铺了一层又一层,由于没有一套完整、可持续更新并使用便捷的综合地下管线信息系统,城市地下管线存在重复开挖、第三方施工破坏等现象,大雨内涝、油气管线泄漏等突发事件也时有发生,出于城市安全重要保障的需要,必须摸清来龙去脉,收集多方信息。

杨伯钢带领团队对北京城市各类地下管线进行测绘,按1:500大比例绘制综合管线工程图,形成真实详尽的地下管线档案资料,建立形成完整准确的信息库。

2017年,北京市地下管线基础信息普查工作成功建立起8万公里的二维、三维地下管线数据库,已核实的管线长度相当于绕地球赤道两圈多。这项技术成果已达到国际先进水平,后续全国多地采用这项技术,完成了50余万公里管线的安全调查。

2015年,国务院办公厅出台《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》,提出建立地下管线综合管理信息系统,以满足城市规划、建设、运行和应急等工作需要。

2020年,杨伯钢(右)带领团队在天安门地区进行测绘。受访者供图

“从一开始到现在持续不断地去推进这件事儿,我算是积极的推动者”。杨伯钢说,从2003年开始一直到现在,北京市测绘设计研究院建成的地下管线的综合信息系统,每年更新的管线数据大约在1500公里。

为什么要每年更新?杨伯钢说,“管线数据搁那两年就没人敢用,搁上五年就是一张废纸,数据要更新才有活力,未来测绘地理信息行业将形成跨界融合新业态,数据获取从单一传统测绘到引进互联网数据源,形成众源众包数据更新模式。”

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用高科技创新测绘方法

随着国民经济的高速发展,超高层建筑开始增多,测绘工作遇到了新的难题。

2005年中央电视台新台址建设工程开工建设,工程主楼两座斜塔楼呈倾斜状,顶部通过14层高的悬臂结构联为一体,如何保障从双向倾斜6度的两座塔楼在162米的高空延伸出的空间悬臂的顺利合龙,是主楼工程施工中的关键难题,其中最为关键的工作是要保证空间悬臂各构件的精确测量定位。杨伯钢说,这对工程测量技术来说是一个巨大挑战,更是一个新的世界技术难题。

为了提高平面基准点的竖向传递精度,杨伯钢带领课题组对国 内外设备进行比较和选型,经过实际测试,发现一些进口仪器由于调焦、人工判读接收误差等影响,无法达到工程要求的二十万分之一的精度。

为此杨伯钢带领课题组进行改进和创新,使激光仪器在长距离检测中,无须调焦,实现了无调焦运行差,大大提高了整个检测系统的测量精度,从而摆脱了调焦误差对长距离激光测量的精度限制。

同时,由于建筑为异形结构,常规测绘方法无法验证任意点和点之间实测值与设计值尺寸关系。为了掌握建筑物竣工后的实际尺寸状态,杨伯钢带领团队第一次采用三维激光扫描技术,对特大、超高、异形、悬挑结构进行工程竣工验收测量,清晰直观地测出楼梯每个立面的情况,成功解决了难题。

在2022年北京冬奥会和冬残奥会上,无人机和三维激光扫描技术也大显身手。小海陀山是北京冬奥会延庆赛区的选址所在地,复杂的山地环境,让测绘人员和仪器很难到达,植被还会影响有效观测视线。

2018年5月,杨伯钢(左)带队在北京冬奥会延庆赛区选址地小海坨山进行测绘。受访者供图

最终,杨伯钢带领团队和遥感公司技术合作,研发出山区无人机摄影测量技术,反复测试适合无人机测绘的飞行速度、高度,搭载上合适波长的激光设备和航摄模块,高度以每70米为一个单位,通过一层层飞行,扫描出山体的三维地理数据,经过处理后,小海陀山间21平方公里区域的三维图像就成功生成,一整套高山区无人机大比例尺地形图测绘作业模式也就此诞生。

“实景三维模型绝不是简单的一份数据,在需要的时候,它可以真正把一座山‘摆’到你的面前。”杨伯钢说,这套模型是可以配合规划设计随时使用的支撑工具,能高效、精准地做到区域信息的可视化。

三维激光扫描技术不仅能“画”出山脉,也能辨别精细到毫米的误差。国家雪车雪橇中心属于复杂的异形建筑,赛道长度1935米,设置有16个弯道,最高设计时速134.4千米。为了保证运动员在高速竞技中的安全,赛道的竣工测量精度要达到毫米级,任何一点微小的形变,都逃不过三维激光扫描的“火眼金睛”。

三维相关技术还实现了建筑、文物、遗址的“数字孪生”。实景数字天安门的构建、三维立体实景中轴线、首钢园区炼铁炉工业遗址、汶川地震什邡市的震后遗址……这些珍贵的场景,都已被杨伯钢带领的测绘团队使用三维激光扫描技术留存下来,“不论是作为历史的存档,还是对日后的保护、修复、管理,这项工作都十分有意义。”

让北京的地理信息“活”起来

如今,测绘地理信息作为一个技术密集型行业,不断创新是其最鲜明的禀赋,跟其他行业大数据、物联网、区块链这些以前与测绘很少沾边的新技术,已被杨伯钢巧妙地与测绘相融,致力于地理信息科技服务首都规划建设和管理。

在杨伯钢看来,测绘的定位在不断提升,随着现代科技的发展,测绘已经扎根各行各业,成了不可或缺的存在,“测绘就是基础数据+专业属性+分析应用+智能化,最终,测绘要做的是让大家都能用的东西,让信息替代人去跑路”。

2010年,杨伯钢带领团队,将已有的数字测图、航测技术、高分卫星影像等手段与工程资料结合,第一次完成了北京市城区范围400平方公里1∶500基本地形图、平原地区4000平方公里1∶2000基本地形图、全市域范围16500平方公里1∶10000基本地形图的绘制。同时建立起地理信息定期更新机制,保证城区范围内每年更新,六环以内地区两年更新一次,紧跟城市日新月异的发展变化,让北京的地理信息“活”了起来。

这套城市基本比例尺地形图测绘一体化系统是国内首创,不仅服务于北京城市总体规划实施、核心区保护、城市副中心建设等工作,还推广到了全国百余个城市。

相比于其他城市,北京的情况更加特殊。作为超大城市,针对人口、环境、水资源、交通等“大城市病”痛点,杨伯钢提出了一个新的思路:构建一套面向特大城市的地理国情普查监测框架体系,对土地利用、生态变化、城镇扩张等动态地理国情信息进行持续的动态监测。

这项工作没有任何成功经验可供借鉴。杨伯钢带领团队构建了内容指标、技术方法、软件工具和成果应用模式,经过近10年的持续更新,形成了北京市地理国情监测数据库和相关成果。

基于人口繁衍得出用地数据、摸清北京“海绵城市”建设底数,首次查清了全市500余万栋单体建筑及全市高精度、无缝覆盖的地表覆盖等数据……一系列科学数据的产出,为城市管理的科学决策、科学评价、科学管理助力。目前,这项技术已在全国337个地级以上城市得到应用。

助力不动产登记信息系统

不动产测绘关键技术及标准化研究是国家公益性行业科研专项,是北京市参加世界银行营商环境考核的重点项目。

2015年6月起,杨伯钢就带领项目组通过地理信息+大数据、物联网、云计算等多种技术的应用,完成了不动产登记数据采集、建库与平台建设的全流程关键技术研究和软件研发,支撑了年业务量130多万的北京不动产登记发证工作。

2020年2月,“区块链+不动产登记”七个应用场景正式上线。有效缩短了不动产业务办理时间,减少了多项纸质材料,尤其是抵押登记与抵押注销登记业务申请,不需要到不动产登记大厅,在网上就可以办理,实现了不动产不见面登记。

目前,北京市不动产登记信息系统已实现内外27项数据共享,包括北京市自然资源委内部的9类证件信息,如《建设用地规划许可证》《规划条件》等,以及住建委、市公安、市场监管、民政、银保监等11个部门的18类信息,设计户籍人口、婚姻登记、金融许可证、营业执照等。

不动产登记科技成果在全国31个省份的100多个地市得到应用,支持了全国“第一本”和北京市“第一本”不动产登记发证,累计发证超过千万次。

近期,杨伯钢又在探索测绘产品与自动驾驶技术的融合。一张“精确的图”是自动驾驶汽车运行的根本支撑,地图必须精确到“车道级”,并实现地图数据实时更新,才能保证自动驾驶汽车“大脑”在行驶中作出正确决策。

在北京经开区的全国首个网联云控高级别自动驾驶示范区,杨伯钢正在和团队开发满足安全、保密要求的众源更新模式,探索构建“车、路、云、网、图”网联云控模式,让车辆能随时获取最精准的地图数据,最大限度实现车路协同。

2020年开始,已近退休之年的杨伯钢又担当起院城市空间信息工程北京市重点实验室主任的重任。作为北京市政协委员,他近几年曾多次提交了服务城市规划建设的相关提案,其中《关于开展全市范围内居住小区管线普查的建议》《打造2022年冬奥会残奥会高品质地图服务产品和加强管理的建议》等,均获得了市领导的批示,并被列为优秀提案。

杨伯钢认为,未来的测绘将是“空天地一体化、室内室外一体化、地上地下一体化、历史现状规划一体化”的“四位一体”图景。

他说,随着地理信息产业创新能力的不断提升,与新一代信息技术不断融合发展,将催生出更多的新产品、新服务和新业态。可以说,地理信息将成为信息社会建设和政府智能管理的重要支撑,未来发展的前景十分广阔。

新京报记者 刘�F

编辑 胡杰 校对 刘越

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