龚健雅:永不驻停的科学匠人

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    □采访/撰稿 本刊记者 何溪


【人物名片】龚健雅,中国科学院院士,武汉大学遥感信息工程学院院长,“长江学者”特聘教授,“973计划”首席科学家,国家测绘地理信息局科技领军人才,国家杰出青年基金、国家科学技术进步创新团队奖、国家科学技术进步一、二等奖获得者。

 


      

         7月的武汉,热浪充斥在城市的每一个角落。走进位于教学实验大楼9楼办公室的龚健雅做的第一件事,便是拿起遥控器把空调调至26度,不一会儿,逐渐凉爽的房间走进了一个拿着电脑的人,向龚健雅汇报实时GIS系统研究进度情况。


       作为实时GIS系统项目负责人,龚健雅认为,发展实时GIS既是地理信息系统(GIS)行业未来发展的趋势,也是我国智慧城市建设和地理国情监测的需要。“智慧城市建设和地理国情监测一个基本要求就是得到动态信息,当这些动态信息源源不断收集后,如何实时地管理与分析各种人流、物流和事件流,这就需要构建一个实时GIS系统。”


       与此同时,龚健雅的研究团队,为了服务国家“一带一路”战略和全球化发展战略,正着手研究和推动全球地理信息资源建设项目。“地理空间信息是国民经济和社会发展各行业统一的空间基础和信息载体,是不可或缺的国家战略性信息资源的重要组成部分,因此实施'一带一路'战略和全球化战略,必须有全球一体化地理空间信息及位置服务的支撑。”


       聚焦国家重大需求和学科前沿,一直是身为武汉大学遥感信息工程学院院长、中国科学院院士龚健雅从事GIS和遥感领域研究的出发点,提出了GIS中的面向对象数据模型和互操作模型,引领了面向对象GIS和面向服务GIS的发展;提出了遥感广义几何成像模型与精确处理方法,大幅提高了遥感影像几何定位精度;基于自创的理论与模型,自主研发了GIS基础软件与网络服务平台以及遥感地面处理系统,解决了国家重大需求。


       如今,以解决国家重大需求为己任的龚健雅,国家哪里有需要,哪里就能看到他忙碌的身影。


从插班生到“天地图”第一人


       1982年,龚健雅以优异的成绩从华东地质学院本科毕业并留校任教,主讲《航空摄影测量与遥感》(下称航测)。第二年,他被选派到原武汉测绘科技大学(2000年并入武汉大学,下称武测)进修,成为航测系的插班生。在武测进修的一年里,龚健雅几乎听遍了所有与航测相关的课程,其中还包括研究生课程,并一边听一边编软件。期间他利用课余时间参与的两个科研项目分别获得了学校和湖北省的奖励。


        龚健雅的突出才华吸引了李德仁教授的注意。一次偶然的机会,两人见面,交谈一番后,慧眼识珠的李教授告诉龚健雅:“你调过来吧,考个研究生。”龚健雅顿时很欣喜,但考虑到自己连硕士都没读,心中便有一丝犹豫。这时李教授便爽快地说:“那你就考博士吧!”受到鼓励后,他回去准备了几个月,竟然考上了。 


       然而好事多磨,面试的时候却出了点“波折”。我国摄影测量与遥感学科奠基人、素以治学严谨著称的中国科学院院士王之卓教授觉得招一个连硕士学位都没有,而且又是一个从二三流学院来的学生,实在需要慎重。于是,王之卓院士给每一个了解龚健雅的人写信,询问他的情况。在得到普遍好的反映之后,最终对他进行了面试。面试进行了整整一个下午,最终龚健雅成为王之卓和李德仁的博士生,研究地理信息系统方向。


      彼时,国内地理信息系统领域只是发展阶段,如何培养龚健雅,两位导师心里都没底。后来,李德仁在一次国际学术会议上碰到了著名的GIS专家、丹麦技术大学Jacobi教授,这位教授一口答应了联合培养龚健雅的要求。


       1989年9月,龚健雅进入丹麦技术大学摄影测量所进修。经过一年的深造后,龚健雅带着在GIS理论上的重要建树,赶上了国家测绘局(2011年更名为国家测绘地理信息局)设立“八五”重点攻关项目——面向对象GIS基础软件研究。经过封闭攻关4个多月,龚健雅带领的团队拿出了系统原型,并取名为吉奥之星(GeoStar)。这一系统在1998年全国GIS软件测评中,受到专家的一致好评:技术最新,进步最快。随后在2000年全国GIS软件测评中,吉奥之星的技术得分位居第一位。吉奥之星作为武大吉奥公司的核心软件产品已经在国内外得到广泛应用。


       在成功研发“吉奥之星”的基础上,面对异构操作系统、异构网络、异构地理信息系统等复杂问题,龚健雅主持研发出二维和三维地理信息网络服务平台,成为国家地理信息公共服务平台——“天地图”的基础软件,并主持研究起草了一系列地理信息网络共享服务标准,引领了“面向对象GIS”向“面向服务GIS”的发展。


       “天地图”的诞生,标志着继美国之后,中国成为第二个能提供数字地球系统服务的国家。如今,“天地图”上线已六年有余,目前除了国家的主节点以外,全国省市自治区和几百个城市都建立了天地图,已经成为国家、省、市各级政府部门地理信息共享应用的公共服务平台,李克强总理在参观了“天地图”以后认为,“它既是政府服务的公益性平台、产业发展的基础平台,又是方便群众的服务平台、国家安全的保障平台,是抢占国际竞争制高点的重要方面”。


解决国家重大需求


       一直从事GIS研究的龚健雅,在2005年开辟了科研第二战场,从事摄影测量与遥感领域研究,将自己的研究与国家的重大需求紧密结合。


       这一年,国家测绘局主导的“资源三号”卫星立项。为设计出最好的卫星,国家测绘局组织了由李德仁院士、龚健雅院士为核心的技术支持团队,量身打造“资源三号”卫星。


       为了使“资源三号”卫星满足最基本的1:5万测图的需求,技术支持团队向卫星研制方中国空间技术研究院提出了许多“苛刻”性指标要求:相机零畸变、定轨高精度、卫星影像传输高速率等等。


       然而这些要求让航天部门很头疼,双方争执时有发生,甚至出现“拍桌子”等情况。即便如此,李德仁院士和龚健雅依然“不依不饶”,坚持一定要实现目标参数。


       正是这份坚持,才使得“资源三号”卫星创造了多项“中国第一”:第一次采用双频GPS,使定轨精度达到厘米级;第一次采用10bit成像,4倍压缩,使卫星遥感图像质量达到国际先进水平;第一次实现中国超高码速率遥感数据传输,数据传输速度比以往提高了4-5倍,达到900Mbps(900兆比特/秒),实现中国空间数据传输能力的重大技术跨越。


       然而,卫星上天后,数据处理、几何检校同样是影响“资源三号”卫星数据质量的重要因素,特别是在我国很多核心元器件受制于人。面对无法改变的事实,硬件的不足只能用软件来弥补。为此,龚健雅牵头利用武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室的经费在河南嵩山建立了我国第一个高精度几何定标场,通过高精度定标消除传感器和卫星平台存在的系统误差。


     当“资源三号”卫星升空传回数据后,龚健雅及团队马上投入到数据处理工作中。龚健雅团队利用嵩山高精度几何定标场,对“资源三号”卫星数据进行了严格的标定、检校和验证,将卫星的GPS定位系统误差、卫星姿态测量系统误差和CCD内方位元素一一校正,使得卫星几何定位精度从1000多米提高到10米左右。这才有了最终结果的完美——“全世界同水平卫星中数据质量最好。”


       精度得到大幅提高的“资源三号”卫星,不仅完全可以满足1:5万立体测图精度,而且可以用于1:2.5万,甚至1:1万地形图修测。


       更为重要的是,随着“资源三号”卫星在2012年升空后,我国大大减少了国外影像数据的购买。在此之前,我国每年花费10亿元用于购买国外的卫星数据,而且国外高精度影像数据在管理上有诸多限制,严重制约和影响了国家的需求。“如今我们不但为国家节省了大量的费用,而且确保了国家安全。”龚健雅如是说。


       为表彰龚健雅在研制“资源三号”卫星所做出的贡献,国家测绘地理信息局在2013年授予其“资源三号测绘卫星工程研制先进个人一等功”。同时,“资源三号”卫星课题“国产民用高分辨率立体测图卫星测绘与应用关键技术”也获得了国家科技进步一等奖。


       “资源三号”卫星带来个人荣誉之余,更让龚健雅看到了利用国产卫星开展全球测图的可能性。在他看来,采用经过高精度几何定标的“资源三号”卫星影像能够实现无地面控制高精度摄影测量,而中国实施“一带一路”战略和全球化战略,急需全球空间信息来支撑。因此,开展全球测图迫在眉睫。


       于是,龚健雅向国家发改委申请了全球测图关键技术攻关与示范项目,并获得审批。通过攻克高精度定位技术、大规模区域网平差技术、数据快速生产技术、开源矢量数据的快速整合技术等全球测图关键技术,龚健雅团队成功开发了全球测图系统。经对多个地区的生产性实验,全球测图系统不但完全满足1:5万测图需求,而且测图精度高。为此李德仁、龚健雅等17位测绘遥感领域的院士联名上书中央,建议尽快开展“全球地理信息资源建设”工程立项,得到有关领导人的批示,目前正在推进这一工程项目。


        能够为国家“一带一路”和全球化战略做出自己的贡献,这让龚健雅既骄傲又自豪。


三大趋势引领行业发展


       一直站在学术前沿的龚健雅认为,测绘地理信息行业未来发展的趋势有三个:一是从国内到国外,二是从静态到动态,三是从室外到室内。


       对此,他解释道:“第一个趋势是针对测图而言,在‘一带一路’和全球化战略的带动下,我国势必将参与更多的全球事务,因此境外测图显得尤为重要。第二个趋势是针对数据管理而言,以前无论是测绘还是遥感往往都是在某一个时刻得到的信息,且数据是静态的。如今通过各种传感器获取的信息大多是动态数据。第三个趋势是针对测量而言,传统的测量都是在室外进行,随着室内导航的需求,室内测量也很重要。”


       针对未来三个趋势,我们将面临怎样的挑战?龚健雅给出了自己的答案。


       从国内到国外层面,龚健雅认为,技术不是难题,主要面临两个方面的挑战:一是无地面控制的航天摄影测量,即如何提高无控制点的定位精度。二是调绘的问题,因为人不能出国,这样就无法获取境外信息,包括地名、树高、地形、地物类型等。


       从静态到动态层面,龚健雅认为,传统的数据管理模式已经不能适用于动态数据,这时就需要发展一种新的地理信息系统来对动态数据进行管理。于是,在国家“863计划”支持下,龚健雅专门开发了一个实时的地理信息系统。“在实时的地理信息系统下,数据随时随地进来,随时随地进行计算,随时随地进行管理与分析。”即便实时的GIS系统能够解决动态数据管理问题,但仍存在一些挑战。“传统的GIS数据库管理与分析是分开的,分析时要将数据导入内存,现在数据要实时流入,同步计算,这是一个挑战问题。”龚健雅说。


       从室外到室内层面,龚健雅认为,当前室外的测量技术大部分不能用于室内。因此,室内的数据采集、管理、分析都面临新的挑战。


        面对趋势与挑战,龚健雅及团队正在积极应对。在紧跟未来发展趋势之余,当下龚健雅还很关注测绘地理信息行业大众化应用。“众所周知,测绘地理信息行业主要为测绘、规划、国土等领域提供专业服务,因此行业产值、规模有限。只有一个产业发展到大众化应用时,这个产业才会真正做大。大家都说GIS不可能到一万亿元,因为政府部门只有这么多。但只要打开了从专业到大众化应用这条路,也许就可以达到万亿元级别产值。”龚健雅如是说。