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智绘北京

----智绘北京

作者:北京日报    来源:本站原创    点击:

 

本报记者 刘苏雅 实习生 柴嵘

  在国内首创大比例地形图动态更新技术,目前已推广到全国50多个行业单位;研发的面向城市治理的地理国情监测关键技术,达到了国际先进水平;在2022年北京冬奥会和冬残奥会上,又带领团队摸索出了一套高山区无人机大比例尺地形图测绘作业模式……

  “我这一辈子,就干了这一件事。”回顾自己40多年的测绘工作经历,北京市测绘设计研究院原常务副院长、北京测绘学会理事长杨伯钢用这句话做了总结。1983年参加工作至今,他从一名普通的作业员,一路成长为全国工程勘察设计大师,攻克多项城市测绘地理信息领域技术难题。

  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。据此,杨伯钢“画”出了北京的建筑、河湖、道路,以及藏在地下的管线网,让“数字北京”的地理信息“活”起来。最近,他正带领团队运用测绘技术,在北京经济技术开发区开展全国首个车联网和自动驾驶地图应用试点项目,探索智能网联汽车基础地图数据如何更快、更安全地传输,让自动驾驶汽车变得更“聪明”。

杨伯钢(右)在天安门地区开展测绘工作。

  做工程建设的“先行者”

  1979年,杨伯钢考入北京建筑工程学院市政系,从此与测绘结缘。

  大学期间的第一次实习,杨伯钢就尝到了测绘工作的苦。虽然在课堂上老师常常给学生打“预防针”,讲述测绘工作的艰辛,但真的身背装备站在山脚下时,杨伯钢才对此有了切身体会。

  “我记得有一次实习,我们要做的是野外测绘作业。”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,虽然那座山海拔并不高,但杨伯钢背着沉重的装备到达山顶时,已经累得气喘吁吁,肩头也被背带勒出深深的凹痕。

  结束了四年的大学学业,杨伯钢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。他接到的第一项任务,便是为一家位于大兴的工厂进行测绘。恰逢炎炎夏日,地面体感温度达到五六十摄氏度,这对户外作业是极大考验。“毫不夸张,顶着太阳在马路上工作,不一会儿,鞋子就会粘在被晒化的沥青路面上。”

  一张施工网格图,需要每隔50米打上一个坐标,工厂的每一层都要细心绘制、每个角落都不能落下。当时,测绘人员的工具远比不上当前所用的智能化、数字化设备,测距离使用的还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。”杨伯钢介绍,起早贪黑、风吹日晒是测绘人的家常便饭,作为城市建设规划的尖兵,测绘人员是工程建设的“先行者”,他们的身影常常出现在人迹罕至的野外、山区,寒冬中电子设备都被冻得无法工作,他们仍然坚守岗位。“既然选择从事测绘这项工作,就要吃得了苦,扛得住累。”

  海南建省、援疆测绘、汶川地震救灾、乌兰察布援建……杨伯钢不仅完成了北京数百个建设工程的测绘,也几乎走遍了全国,甚至还远赴非洲,参与到赤道几内亚新城的建设中。山野中潜藏着危险,杨伯钢曾在深山中邂逅野熊。与同事在海南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”。

  久历测绘的“苦”,杨伯钢也不断发掘其中的“甜”。

  按照工程要求,验线测量在施工开挖前进行,即为施工方提供准确的施工区域坐标。但在对一座纺织厂的测量校验中,施工方提前进了场,挖出了槽沟。更麻烦的是,杨伯钢和同事测定的施工边界坐标位置,与已开挖的槽沟坐标有一定出入。

  杨伯钢回忆,经过反复计算、确认,测量坐标精确无误,“如果他们继续按照错误的坐标施工,很可能会酿成重大事故”。经过沟通,施工方立刻返工回填了槽沟,并对测绘团队表达了感谢。

  “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,一幢幢高楼拔地而起,离不开测绘人员的心血和汗水。”杨伯钢将测绘工作比作乐团里的低音提琴,虽然平时显示度不高,但它其实是乐团的基础,“只有它稳定了,其他乐器才能稳定。”

  随着社会经济飞速发展,各地的建筑越建越高,工程设计也愈发复杂。2005年,中央电视台新址建设工程开工建设,此时测绘人员虽已普遍配备了全自动全站仪,但面对这座特大、超高、异型、悬挑结构的异形建筑,还是倍感压力。

  怎样保证两座倾斜角度达6°的塔楼与在162米高空延伸出的悬臂顺利合龙?“对测绘来说最难的是如何精确定位位于高空的悬臂构件。”杨伯钢说,这是工程测量技术领域一个新的世界性难题。经过实际测试,进口设备由于调焦、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。

  没有成型的设备,那就自己做。杨伯钢带领课题组开发出国产激光铅直仪,通过不同液体折射调整角度,完全满足了测量精度要求。同时,由于建筑为异形结构,常规测绘方法很难掌握建筑物竣工后的状态。杨伯钢首次应用三维激光扫描技术,精确反映出建筑各外立面的竣工情况,圆满完成了央视新址的竣工验收。

杨伯钢(左)在北京冬奥会延庆赛区监测雪车雪橇赛道施工情况。

  把延庆赛区“画”出来

  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。

  2018年3月,杨伯钢和技术团队第一次踏上了小海陀山。这里是北京冬奥会延庆赛区的选址所在,杨伯钢带领的团队,要尽快完成北京市测绘院承接的首件高山区1∶500大范围地形图的测绘任务,为延庆赛区的设计以及后续施工建设提供基础参照。

  但实地踏勘后,杨伯钢皱起了眉头。进山的路蜿蜒曲折,车辆只能到达小海陀山南侧的一处山坳,要想进山必须靠双脚攀登,沿途荆棘丛生,并且从南坡上山最多只能爬到半山腰。要想登顶,还要再开上两小时的车程,绕到山的北坡寻找道路。

  更麻烦的是,测绘区域内高度差接近1500米,绝大部分山体坡度在30°以上,一入夏,山上植被茂密。复杂的环境条件和极高的测量精度要求,通常需要人工进入山地完成测量,但小海陀山的实际环境,让人员和仪器很难到达,植被还会影响有效观测视线。

  此前,从没有在如此大的高度差之下依靠人力完成地形测绘的先例。时间紧、任务重、难度大,当时便有人打起了退堂鼓。

  “我们一定要拿下来!”杨伯钢则态度坚决,“既然没有先例,我们就把工程当作科研来搞。”

  客观环境让人力难及,那能否找到其他办法?在以往的山区测绘中,航测摄影测绘是较为常用的手段。航拍出的画面,在普通人眼里是一片壮丽的山河美景,而在测绘人的眼中,它其实是一张有比例尺、有精度,经过处理便能满足工程使用需求的地图。但这种方式的测绘精度偏低,无法满足延庆赛区后续精细施工的需求。杨伯钢团队经过反复讨论,想出了利用无人机进行低空测绘的办法。

  构建空天地一体的立体测绘地理信息,是近年来测绘工作发展的重要方向,如卫星测绘、航拍测绘等技术都已十分常见。但利用无人机在气候复杂的山地开展测绘,还从未有人实践过。北京市测绘院和中测新图(北京)航测遥感技术有限公司联合攻关,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,通过一层层地飞行,扫描出山体的详细地理数据。

  通过多个摄像头、传感器互相辅助,由无人机一次采集就能获取三维地理信息数据。这些数据再经过处理、套核,短短四个月,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。

  三维数据不仅为延庆赛区的后续施工提供了依据,还在场馆建筑设计上提供了极大的帮助。国家高山滑雪中心的竞速结束区和第一集散广场高度差超过百米,步行上去十分困难,单独架设缆车则成本昂贵。依据前期取得的三维地形图像,设计方大胆地将整个雪道下调四十米,问题迎刃而解。

  “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。国家雪车雪橇中心设置有19个弯道,属于复杂的异形建筑,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、汶川地震时什邡市的震后遗址、首钢园区炼铁炉工业遗址……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,还是对日后的修复、管理,这项工作都十分有意义。”

  从纸地图到“数字北京”

  在杨伯钢工作室的一角,堆叠着厚厚的纸质地图。展开一张,上面是北京部分区域的地形图,图上除了密密麻麻的路网,还辅以等高线,在专业人士眼中,它其实是一张“立体”图。

  这样的地形图,曾经是北京开展城市规划和建设不可或缺的工具。从1960年起,北京市测绘院便启动了对全市城区、近郊及平原地区的测绘,并持续开展修测、复测工作,但传统的技术手段效率不高,限制了地形图的更新维护。

  “地理信息必须随着城市的发展定期更新,否则它就没有了生命力。”杨伯钢说,在数字化浪潮的席卷下,测绘领域也面临着技术变革升级的挑战,数字化测绘技术的发展势在必行。

  能不能把北京的地形装进电脑?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。

  不过,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。

  基于人口反演得出用地数据、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。

  当然,支撑城市运转的基础设施,远不只是地面上的街道桥梁、高楼大厦,地下的各类管线更是保障城市运行的“生命线”。

  但曾经,全北京的地下管线图同样承载于纸质地图上。“当时是用硫酸纸叠加,一层一层的,可以想象在若干年后,纸张会越来越脆弱。”杨伯钢清楚地认识到,北京作为飞速发展的大都市,用纸质载体承载管线数据,完全无法满足社会发展的需要。但与普通工程测绘的“所见即所得”不同,地下管线测绘需要“隔空打牛”,要在不开挖地面的情况下,准确摸清管线情况。

  作为市政协委员、市科协常委,杨伯钢不断建言献策,提出关于做好北京地下管线普查工作的建议;作为测绘技术专家,他成功研制出地下管线摄影测量仪等地下管线智能调查、探测和修复的系列软硬件装备,并建立起地下管线三维智能处理、管理、分析与诊断平台。

  比起层层叠叠的硫酸纸,新技术能直观构建起地下管线之间的三维关系。2017年,北京市地下管线基础信息普查工作成功建立起8.17万公里的二维、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,后续在全国多地完成了50余万公里管线的安全调查。

  从手工测角度、测距离,到智能全站仪的出现,再到航测、北斗技术的应用,杨伯钢不断尝试将传统测绘与新技术跨界融合。地理信息与大数据、物联网、云计算、区块链等技术的碰撞,实现了全市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多万件的北京不动产登记发展,并保障了全国“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。

  “比如我们做地理国情监测,这么大的数据量,人工不可能完成。”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。

  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。

  亲历测绘技术几十年的发展,杨伯钢感慨道,技术融合已经让测绘工作从“幕后英雄”走向台前,特别是在“智慧城市”“数字孪生”等概念中,地理信息技术是不可或缺的重要组成部分,已经融入了城市的规划、建设和发展。