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【院士风采】张祖勋:永不停歇的科研人生
来源:        作者:通讯员杨凯军 记者付晓歌        发布时间:2012-04-06 17:19:15        点击次数:

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他推动了摄影测量领域的一次革命,使原来需用价值几十万元精密仪器才能完成的工作,现在只需一台计算机就能完成;中国三峡工程、被毁的阿富汗巴米扬大佛的三维重建等许多国内外著名工程,都有他主持研制的全数字化自动测图系统的影子;他为汶川地震灾区提供第一手遥感数据……

他不仅是我国摄影测量学科领域的学术带头人,而且是我国摄影测量产业实现跨越式发展,并走向世界的开拓者之一。他就是中国工程院院士、国际欧亚科学院院士张祖勋。

张祖勋是新中国培养出来的第一批摄影测量与遥感学家。1960年毕业于武汉测绘学院航空摄影测量专业,后留校任教。

 

探索之旅

1978年,当他的老师、我国摄影测量与遥感学科的奠基人王之卓院士提出全数字化自动测图系统的构想时,国内外许多人都觉得不可思议。由于当时技术发展的限制,多数人认为底片是影像最好的信息载体。王之卓的观点相当超前,直到上个世纪90年代初,还有人持怀疑态度。1992年在华盛顿召开的国际摄影测量与遥感大会上,一厂商举起一张航摄底片说,这上面的信息量是100兆。”他把底片转了一下又说道,数字影像能如此实时旋转吗?

当时作为王之卓得力助手的张祖勋,给予老师坚定的支持。他顶住各方压力,毅然开始了漫长艰辛的探索之旅。

1979年,张祖勋领导的课题组开始了项目试验。那时,他们仅有的设备是一台上海产的TQ-16晶体管计算机,数据输入靠的是早已淘汰了的穿孔纸带,试验只能一个点一个点人工读数、记录、穿孔进行。工作繁琐,速度极慢,但认真得近乎固执的张祖勋始终不肯放弃。

经过整整6年,1985年初,课题组终于编制出全数字化自动测图系统软件包,其研究成果达到上世纪80年代国际先进水平,引起整个测绘界的震动。一专家说,在如此简陋的设备上做出这样的成绩,实在少见。

然而,张祖勋并没有就此满足,他又果断提出,我们的研究成果从严格意义上来说还只是停留在理论阶段,我们必须做出能够实际应用的产品。1986年,张祖勋又领导课题组开始研究全数字化自动测图系统中间成果的应用

又一个6年过去了,19926月,经过扩充与完善的全数字化自动测图系统软件——WuDAMS第三版诞生了,这是一个具有实用性的研究成果。

摄影测量是利用影像进行测绘的学科,它经历了模拟、解析、数字三个发展阶段,前两种方式测量仪器价格昂贵,测量人员工作量大、效率低。而张祖勋主持研制出的全数字自动化测图系统用计算机代替传统仪器,用计算机影像自动匹配代替人眼进行立体观测,实现了测图自动化,且精度更高,是摄影测量从理论到实践最彻底的革命。他为全数字化自动测图系统的产业化倾注了大量心血。他审时度势,决定走先国际化、后国产化与众不同的产业化发展道路。

这项由王之卓倡导、由张祖勋历时14年主持完成的全数字化自动测图科研成果,于1993年获得国家自然科学二等奖。

这个系统原来的英文名字是SoDAMS(数字化自动测图系统软件),他接受一位外国朋友的建议,给它改了个响当当的英文名字:VirtuoZo在英文中含有艺术家虚拟摄影测量等多种意思。

 

走出国门

1994年,成功的喜悦还未散去,张祖勋又做出了一个令人惊讶的决定:走出国门,借助国外资金与技术,快速实现科技成果产业化。他与澳大利亚合作,在澳大利亚黄金海岸首次推出具有我国自主知识产权VirtuoZoSGI工作站版。当初谈判时,澳方要求1992年之前的知识产权属武汉测绘科技大学,1992年开始合作后,知识产权属双方共同所有。张祖勋据理力争一个星期,对方才同意在长达23页的合同上注明:武汉测绘科技大学拥有版权!正是这关键的一笔,才有了VirtuoZo的今日。

张祖勋说,借了人家的鸡,生了我的蛋,不变成产品,绝对没有现在的影响,这种成果不仅仅是我个人的,更多是国家的。我们为全国,甚至为全世界人民做出成绩,是国家真正兴旺发达之路。

VirtuoZo,这个诞生在澳洲的炎黄之子,开始了驰骋世界之旅。在1996年国际摄影测量与遥感学会的维也纳大会上,由美国Leica公司产品总监Walker先生、英国GLASGOW大学Petrie教授所作的特约报告称,VirtuoZo是一个羽翼丰满、具有很多创新特点并正在参与全球竞争的产品。

1996 7月,Intel等国际风险投资者和武汉测绘科技大学联合投资,在武汉成立了适普软件公司,研发出VirtuoZo微机版,并广泛推广。

VirtuoZo在国内外的水利、铁(公)路、城市、电力、世界文化遗产保护等领域得到广泛应用。三峡工程早在1997年就开始应用,进行三峡坝区每年一次地形图的快速更新,制作三峡工程建基岩面影像图,用于地质素描和分析,制作高清晰大视野的全景影像图等;敦煌研究院将其应用于敦煌壁画保护;苏黎世高等工业大学利用VirtuoZo,对被毁前的阿富汗巴米扬大佛图像进行半自动量测,成功实现了三维重建;德国、比利时用于处理CORONA卫星影像;英国用于处理ASTER立体卫星影像;韩国应用于数码城市……VirtuoZo微机版迄今共推广约2000套,遍布全球,产值超亿元。其推广获国家测绘科技进步一等奖、国家科技进步(推广类)二等奖。

VirtuoZo的推广和应用,彻底简化了数字摄影测量的仪器设备,改变了摄影测量的“贵族”身份。过去只有极少数院校能进行摄影测量教学,到目前已有约40所院校可以进行,且促使我国摄影测量生产方式完全改变,生产规模扩大,产值大幅度提高,促进了摄影测量生产的跨越式发展。例如,四川省测绘局遥感院使用VirtuoZo后,价值上百万元的 OR-1(瑞士)等价格昂贵、体积庞大的传统摄影测量仪器进了博物馆,从1998年到2002年的5年中,产量、产值提高10倍以上。

VirtuoZo在国际上声誉很高。在2000年国际摄影测量与遥感学会的阿姆斯特丹大会上,瑞士苏黎世联邦技术大学称,他们将国际上主要的三个摄影测量系统用于冰川的研究并进行了比较,发现VirtuoZo完成任务是最好的,也适用于起伏的地形;计算时间是最短的,比其它两个系统快一个数量级;三个系统中,在精度、速度、价格和易使用方面VirtuoZo都是最好的。

2002年,国际摄影测量与遥感学会原主席、东京大学教授村井俊治在日本《测量》杂志撰文《中国的IT行业登陆日本》称:最先商品化的软件是张祖勋教授开发的利用数字影像匹配进行数字摄影测量的软件,名称叫VirtuoZo,这个软件就是一个数字摄影测量的优秀产品。我想我们已经到了该向中国学习的时候了。

2003年,因为对中国摄影测量学科做出的杰出贡献,67岁的张祖勋当选为中国工程院院士。

张祖勋仍坚持在科研一线指导学生从事数字摄影测量的应用研究,他总是鼓励研究生们在遇到难题时要坚持,千万不要轻易放弃。他始终记得自己的老师王之卓的一句话:人不怕慢,就怕站。“你要走,即使走弯路也不要紧,但你不能站着不动。你要走,你得不停地往前走,要执着地去追求。”张祖勋说。

 

再谱新篇

VirtuoZo之大成后,他并未就此止步,而是提出更加先进成熟的数字摄影测量系统——数字摄影测量网格(Digital Photogrammetry Grid—DPGrid)。DPGrid打破传统的摄影测量流程,集生产、质量检测、管理为一体,合理地安排人、机的工作,充分应用当前先进的数字影像匹配、高性能并行计算、海量存储与网络通讯等技术,实现航空航天遥感数据的自动快速处理和空间信息的快速获取,其性能远远高于当前的数字摄影测量工作站,能够满足三维空间信息快速采集与更新的需要,为国民经济各部门与社会各方面提供具有很强现势性的三维空间信息。

作为新一代航空航天数字摄影测量处理平台,DPGrid填补了国内技术空白,标志着我国数字摄影测量技术整体达到国际先进水平。

这一具有自主版权的高性能平台,可推广应用于国家基础测绘、城市基础地理信息动态更新、国土资源调查、生态环境监测、灾害监测、海洋资源、农业监测、快速响应等各个领域,大幅度提高航空航天遥感影像数据处理的效率,缩短地图更新周期,提高空间信息获取的实时性,特别是在大型自然灾害的快速评估、应急反映方面,对于我国社会经济发展以及军事安全等,都具有重要意义。

张祖勋追寻的脚步依然继续,DPGrid(数字摄影测量网格)的正射影像更新项目再度赢得世人关注。2009年,该项目通过国家测绘局组织的成果鉴定。鉴定委员会专家给予极高赞誉:该项目在国际上首次提出基于数字摄影测量网格的大范围正射影像自动更新技术方法,并成功设计和研制了正射影像更新系统,革新了摄影测量的生产流程,大幅度提高了数字摄影测量作业效率,较好地满足了数字影像信息快速采集与更新的需要,是新一代高性能航空航天数字摄影测量处理平台。

“一个科学家最大的幸福是出成果,而且成果被社会承认,转化为生产力,为社会发展作贡献!”这就是张祖勋的幸福观。

2008年,汶川地震发生的第二天,武汉大学就成立了“512地震遥感信息收集与灾情评估项目组,一批学科带头人和科技领军人物迅速加入到高科技救援中来,他们在国内相关遥感数据严重缺乏的情况下,第一时间与国外同行和相关研究机构取得联系,获取了地震灾区第一手卫星遥感数据。

518凌晨1:00,在张祖勋和张剑清教授的指导下,武汉大学的测绘遥感专家利用具有自主知识产权的最新技术成果——数字摄影测量网格PC版(DPGrid.PC),进行数字正射影像图快速制作,拼接出汶川大地震后部分震区航空数码影像,然后正式开始进行正射影像图制作。该影像图可直观显示灾害现场情况,对抗震救灾的部署起到了至关重要的作用。

通过航拍能够及时、真实地收集到灾区的各种信息,但要将成千上百张照片高效、无缝地“拼接”在一起,而且提供位置、高程以及距离、面积、土方等各种量测数据,需要摄影测量最新科技的支撑。而且,常规的航空摄影必须按事先设计的规范航线进行,而抗震救灾过程中,飞机只能在灾区边飞边看边摄影,甚至“绕圈”飞行。

张祖勋认为,“地震造成的如此杂乱无章的航空摄影,可能是有史以来第一次。”面对飞行线路像“打结的绳子”一样的航拍照片,张祖勋指导科研人员克服重重困难,终于找到了满意方案。“DPGrid处理数据的速度和成像清晰度,简直令人难以置信。”他笑着说。

时任国土资源部副部长贠小苏说,“这张图清楚地反映出地质灾害的现状,”“反映了大地震引发的地质灾害给当地各个方面造成的损失。”

“能够为抗震救灾贡献力量,我们感到十分高兴。”张祖勋还缴纳了1万元特殊党费,为建立应急响应机制继续努力,以便今后在防灾减灾工作中发挥更大作用。

 

永不止步

张祖勋不断探索、创新、拓展数字摄影测量应用的新领域——

他将数字摄影测量与最小二乘法理论完美地结合起来,将基于“点”的摄影测量拓展到“直线、圆、直线+圆弧”。与日本Amtech公司合作,解决了他们对加工零件(板金件)一直进行人工检测的问题,实现了高精度、自动量测。

他将航空影像“匹配”的理论扩展到多比例尺、多光谱段的遥感影像,实现了它们之间的高精度自动配准,每分钟可识别3-5万个同名点,完全改变了用人工找控制点,速度慢、精度低的现状,解决了多源遥感数据融合的关键技术。

他提出了利用正射影像与“立体配对片”构成“工程设计三维可视化平台”,使设计人员能够在“三维实地模型”上进行设计、规划,增加了工程设计的“可视化”。电力设计部门已经应用该平台进行输电线路的设计,将选线、断面采集等功能集于一体,直观、高效。

他提出将“全站仪”与“量测数码相机”集成在一起,构成“摄影全站仪”,使数字近景摄影测量在工程测量中开创了新的应用领域。

他提出多航带“视频测量”,通过日本东京“银座”等地的试验,获得了日方“想象不到的效果”,为建立数码城市开创了全新途径。

他提出采用价格低廉的无人驾驶飞艇,结合差分GPS、电子罗盘等设备,实现无人驾驶飞艇的自动控制,并在艇上搭载数码相机获取序列影像,然后通过专用软件快速进行数据处理,满足局部地区三维建模、大型土石方量计算等方面的需求……

此外,张祖勋在我国国产卫星遥感数据的高精度几何处理方面也有不俗贡献。他带领科研团队,多年前就开始进行我国三线阵测绘卫星数据处理技术研究,攻克了多条带三线阵卫星影像空中三角测量、数字高程模型生产以及数字正射影像生产等核心技术。

张祖勋带领师生攻克技术瓶颈,完善技术方案,成功研制了全自动业务化运行的资源三号卫星高级产品生产系统。该系统的成功研制,可确保资源三号卫星当天获取的数据,当天完成数字高程模型和数字正射影像等地理信息产品的自动化生产,是我国国产遥感卫星处理技术的全新突破。

2012111,在位于北京的卫星地面应用中心,张祖勋团队在1小时内成功完成首图处理,“从卫星发射到数据处理,直到出结果,能在这样短的时间内完成,在我国还是第一次。”

张祖勋常常告诉学生们,他最大的长处是会联想。“不是你一天到晚想,吃饭也想,睡觉也想,不行,你要能够放得下,但是并不等于你放下的时候不想它。做学问不是难在刻苦地学习,而是难在必须不断地锻炼自己、磨练自己,让自己有一种灵感,能够联想起来,并且解决问题。”

李德仁院士感叹,“张院士随身携带的电脑里装有软件,这么大年纪了,一有空就在那里不停地编程序、钻研。”

如今,75岁的张祖勋依然行色匆匆,他正忙于在学校筹建摄影测量与计算机视觉实验室,想将数字摄影测量的理论拓展到国防、近景摄影测量与数码城市等领域,进一步应用。

(编辑:杨欣欣)

 

 

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