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張祖勛院士: 從軟件發(fā)展看攝影測(cè)量時(shí)代變遷

 lwgchc 2017-12-12



張祖勛院士結(jié)合自身六十余年的求學(xué)與科研經(jīng)歷,為大家詳細(xì)介紹了VirtuoZo背后的一系列故事。


2017年11月24日,張祖勛院士做客GeoScience Cafe第179期學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。從帶領(lǐng)他走進(jìn)攝影測(cè)量專業(yè)大門的反光鏡,尊敬的老師恩師王之卓先生,到VirtuoZo軟件研發(fā)過(guò)程及其在全世界的應(yīng)用與評(píng)價(jià),張祖勛結(jié)合自身六十余年的求學(xué)與科研經(jīng)歷,為大家詳細(xì)介紹了VirtuoZo背后的一系列故事,也從VirtuoZo的發(fā)展談到了攝影測(cè)量不同時(shí)代的開(kāi)始與結(jié)束的發(fā)展歷程。最后,張祖勛還簡(jiǎn)單介紹了近年大熱的人工智能對(duì)攝影測(cè)量發(fā)展的推動(dòng)作用。

師從名師,儲(chǔ)備知識(shí)


1955年,張祖勛考入同濟(jì)大學(xué)。從反光鏡出發(fā),開(kāi)始了為期五年的攝影測(cè)量專業(yè)學(xué)習(xí)。上世紀(jì)五十年代,攝影測(cè)量還處于模擬攝影測(cè)量時(shí)代,國(guó)內(nèi)沒(méi)有用于攝影測(cè)量的先進(jìn)儀器,測(cè)量人員工作量大、效率低。張祖勛回憶大學(xué)的第一次實(shí)習(xí)是利用一個(gè)簡(jiǎn)單的45°夾角的反光鏡和鋼尺完成了測(cè)量任務(wù)。之后師從我國(guó)攝影測(cè)量與遙感學(xué)科的奠基人王之卓先生,隨著對(duì)計(jì)算機(jī)程序的了解與深入學(xué)習(xí),也源于王先生分配給他的關(guān)于相對(duì)定向編程的任務(wù),他開(kāi)始了與計(jì)算機(jī)編程的不解之緣,至今仍然保持著編程的習(xí)慣。

 

張祖勛還向大家講述了在瑞士WILD學(xué)習(xí)半年的經(jīng)歷。當(dāng)時(shí),國(guó)家測(cè)繪局從瑞士進(jìn)口了大量的B8S儀器,以此換來(lái)了他和另一位老師出國(guó)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。在瑞士學(xué)習(xí)期間,張祖勛珍惜每個(gè)機(jī)會(huì),仔細(xì)研究了當(dāng)時(shí)除T4外所有的經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀。正是這種不斷學(xué)習(xí)的精神,使得他一次又一次地提出新的理論,促進(jìn)攝影測(cè)量的跨越式發(fā)展。


VirtuoZo誕生的背景

1978年,當(dāng)王之卓先生提出“全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)”的構(gòu)想時(shí),國(guó)內(nèi)外反對(duì)聲絡(luò)繹不絕。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展的限制,多數(shù)人認(rèn)為“膠片是影像最好的信息載體”,影像“數(shù)字化”理論顯得非常另類,不可實(shí)現(xiàn)。而張祖勛覺(jué)得王先生的想法很有挑戰(zhàn)性,不管最終能否用于生產(chǎn)也值得一試,值得為之一搏。

 

張祖勛提到,王之卓先生的全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖研究的構(gòu)想建立在前人研究基礎(chǔ)上的,也并非完全原創(chuàng),但只要在原有基礎(chǔ)上有一點(diǎn)突破,就是創(chuàng)新。

 

對(duì)于VirtuoZo課題項(xiàng)目成立的背景,張祖勛講到,在理論基礎(chǔ)方面,攝影測(cè)量全數(shù)字化在國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何參考資料,國(guó)際上也寥寥無(wú)幾,必須從零開(kāi)始;在資金方面,國(guó)家撥款120萬(wàn)元,這在當(dāng)時(shí)是一筆不菲的費(fèi)用,但對(duì)于“全數(shù)字化”而言,這筆資金少之又少。他們花費(fèi)其中大部分錢從英國(guó)購(gòu)置了影像掃描儀SCANDIG 3與NOVA 3/12計(jì)算機(jī)。相對(duì)于一張影像上百兆的數(shù)據(jù)量與如今具有幾個(gè)G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)而言,這套設(shè)備相當(dāng)簡(jiǎn)陋。


VirtuoZo的研制過(guò)程

對(duì)于VirtuoZo的研究過(guò)程,張祖勛稱之為既艱苦(痛苦)而又好玩的研究過(guò)程。

 

1979年,張祖勛領(lǐng)導(dǎo)的課題組開(kāi)始了項(xiàng)目試驗(yàn)。當(dāng)時(shí),數(shù)據(jù)輸入靠早已淘汰了的穿孔紙帶,逐點(diǎn)人工讀數(shù)、記錄、穿孔,工作繁瑣,速度極慢。到1985年初,歷經(jīng)整整6年,課題組終于編制出“全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)軟件包”,研究成果達(dá)上世紀(jì)80年代國(guó)際先進(jìn)水平,引起整個(gè)測(cè)繪界震動(dòng)。然而,張祖勛并沒(méi)有就此滿足,果斷提出:“我們的研究成果從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)還只是停留在理論階段,必須做出能夠應(yīng)用的實(shí)際產(chǎn)品。”1986年,張祖勛又領(lǐng)導(dǎo)課題組開(kāi)始研究“全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)中間成果的應(yīng)用”。1992年6月,經(jīng)過(guò)擴(kuò)充與完善,一個(gè)具有實(shí)用性的研究成果——全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)軟件誕生了。演示軟件期間,兩位國(guó)外教授看中其價(jià)值,為之后與澳大利亞的合作奠定了基礎(chǔ)。1992-1994年,張祖勛團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了這套全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)軟件的商品化。

 

這項(xiàng)由王之卓倡導(dǎo)、由張祖勛歷時(shí)14年主持完成的全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖科研成果,于1993年獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。


VirtuoZo商品化的談判過(guò)程

1994年,張祖勛決定借助國(guó)外資金與技術(shù),快速實(shí)現(xiàn)科技成果商品化。他與澳大利亞合作,在澳大利亞黃金海岸首次推出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)VirtuoZo的SGI工作站版。

 

張祖勛把當(dāng)時(shí)的談判過(guò)程稱為有趣且艱難。談判伊始,澳方要求1992年開(kāi)始合作后知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬雙方共同所有,張祖勛稱如果同意澳方的要求,我們就沒(méi)有今天的VirtuoZo。他據(jù)理力爭(zhēng)一個(gè)多星期,對(duì)方同意在長(zhǎng)達(dá)22頁(yè)的合同上注明:武漢測(cè)繪科技大學(xué)擁有版權(quán)!談判過(guò)程中的另一個(gè)問(wèn)題就是銷售問(wèn)題。在軟件的銷售范圍上,澳方堅(jiān)持擁有全球獨(dú)家銷售權(quán),但張祖勛堅(jiān)持,在中國(guó)市場(chǎng)上澳方不能獨(dú)家代理。張祖勛說(shuō),中國(guó)人要從外國(guó)進(jìn)口中國(guó)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品,這是他不想看到的,因此保留了該軟件在亞洲地區(qū)(中東除外)的銷售權(quán)。

 

全數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)軟件原名為SoDAMS(數(shù)字化自動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)軟件),后更為WuDAMS,最后張祖勛接受一位外國(guó)朋友的建議,確定為:VirtuoZo,在英文中有“藝術(shù)家”、“虛擬攝影測(cè)量”等多種意思。


VirtuoZo的推廣和應(yīng)用

VirtuoZo在國(guó)內(nèi)外的水利、鐵(公)路、城市、電力、世界文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。早在1997年,VirtuoZo就開(kāi)始應(yīng)用于三峽工程,進(jìn)行三峽壩區(qū)每年一次地形圖的快速更新,制作高清晰大視野的全景影像圖;敦煌研究院將其應(yīng)用于敦煌壁畫的保護(hù);蘇黎世高等工業(yè)大學(xué)利用VirtuoZo對(duì)被毀前的阿富汗巴米揚(yáng)大佛圖像進(jìn)行半自動(dòng)量測(cè),成功實(shí)現(xiàn)了三維重建;德國(guó)、比利時(shí)用于處理CORONA衛(wèi)星影像;英國(guó)用于處理ASTER立體衛(wèi)星影像;韓國(guó)應(yīng)用于數(shù)碼城市……

 

VirtuoZo也因此在國(guó)際上獲得了很高的聲譽(yù)。1996年國(guó)際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)的維也納大會(huì)上,美國(guó)Leica公司產(chǎn)品總監(jiān)Walker先生、英國(guó)GLASGOW大學(xué)Petrie教授所作的特約報(bào)告中稱,“VirtuoZo是一個(gè)羽翼豐滿、具有很多創(chuàng)新特點(diǎn)并正在參與全球競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品?!?000年國(guó)際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)的阿姆斯特丹大會(huì)上,瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)大學(xué)稱,他們將國(guó)際上主要的三個(gè)攝影測(cè)量系統(tǒng)(Match-T、LHS DPW770、VirtuoZo)用于冰川的研究并進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)VirtuoZo完成任務(wù)是最好的,也適用于起伏的地形;計(jì)算時(shí)間是最短的,比其它兩個(gè)系統(tǒng)快一個(gè)數(shù)量級(jí);三個(gè)系統(tǒng)中,在精度、速度、價(jià)格和易使用方面VirtuoZo都是最好的。2001年,在GIM雜志上VirtuoZo(Supersoft)被列為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的第一類產(chǎn)品。2002年,國(guó)際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)原主席、東京大學(xué)教授村井俊治在日本《測(cè)量》雜志撰文《中國(guó)的IT行業(yè)登陸日本》稱:“最先商品化的軟件是張祖勛教授開(kāi)發(fā)的利用數(shù)字影像匹配進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的軟件,名稱叫VirtuoZo,這個(gè)軟件就是一個(gè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的優(yōu)秀產(chǎn)品。我想我們已經(jīng)到了該向中國(guó)學(xué)習(xí)的時(shí)候了?!?/p>

 

VirtuoZo的成功意味著攝影測(cè)量由“貴族”寶座走向了“平民化”,人人都能用攝影測(cè)量,也意味著攝影測(cè)量時(shí)代已經(jīng)由模擬(解析)攝影測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字?jǐn)z影測(cè)量,而數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代的完成也意味著信息與智能化時(shí)代的開(kāi)始。


VirtuoZo的后續(xù)發(fā)展

VirtuoZo之后,張祖勛并未就此止步,提出了更加先進(jìn)成熟的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)——數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格(DPGrid)。DPGrid實(shí)現(xiàn)了從單機(jī)到網(wǎng)格(grid)的發(fā)展,充分利用當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字影像匹配、高性能并行計(jì)算、海量存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),實(shí)現(xiàn)航空航天遙感數(shù)據(jù)的自動(dòng)快速處理和空間信息的快速獲取,其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站。而DPGrid與esri的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)了我國(guó)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)整體水平的進(jìn)步。張祖勛也表示,從VirtuoZo到DPGrid的發(fā)展并不是攝影測(cè)量發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)者,攝影測(cè)量真正的競(jìng)爭(zhēng)者是計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

 

張祖勛也從人工智能的角度說(shuō)明了現(xiàn)階段攝影測(cè)量較為欠缺的方面:GPU的深度學(xué)習(xí)、GPU的并行處理能力不夠,這大大限制了攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步。而人工智能的發(fā)展極大地推動(dòng)信息與智能化攝影測(cè)量時(shí)代的發(fā)展,其中人工智能對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量改變最為明顯的是不再存在傳統(tǒng)的攝影測(cè)量航線。

 

最后,張祖勛表達(dá)了對(duì)年輕人的寄語(yǔ):“把論文寫在祖國(guó)的大地上!愿各位年輕人將信息化智能化攝影測(cè)量更上一層樓!”


張祖勛作精彩報(bào)告

互動(dòng)交流

GeoScience Cafe公眾號(hào)征集問(wèn)題:請(qǐng)問(wèn)張?jiān)菏?,在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)VirtuoZo的時(shí)候,想必困難重重,請(qǐng)問(wèn)張?jiān)菏渴侨绾谓ㄔO(shè)團(tuán)隊(duì)和凝聚團(tuán)隊(duì)的?

 

張祖勛院士:我覺(jué)得成功不是一個(gè)人的成功,是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的成功。我曾經(jīng)在武測(cè)一個(gè)設(shè)備處的工作會(huì)議中,我就說(shuō)過(guò),一個(gè)項(xiàng)目如果想真正地成功,僅僅靠教授、,僅僅靠博士是不行的,還需要高級(jí)的實(shí)驗(yàn)員。當(dāng)時(shí)我覺(jué)得我們團(tuán)隊(duì)的中一個(gè)實(shí)驗(yàn)員的手非常巧,他也懂電,如果沒(méi)有他,我們也可能不會(huì)成功。在研究過(guò)程中,該投入的要投入,該回報(bào)的要回報(bào),但是必須記住的一點(diǎn)是必須靠團(tuán)隊(duì)。工程院的院長(zhǎng)曾經(jīng)說(shuō),什么叫做工程,什么叫團(tuán)隊(duì),大家圍在一起做一件事,這件事才能成功。所以團(tuán)隊(duì)是非常重要的。

 

觀眾A:請(qǐng)問(wèn)怎么看地圖制圖綜合問(wèn)題的研究?以及gisGIS室內(nèi)定位的研究?那個(gè)哪個(gè)更適合做未來(lái)以及個(gè)人長(zhǎng)期穩(wěn)定的課題研究計(jì)劃?

 

張祖勛院士:這是兩個(gè)完全不同的問(wèn)題。根據(jù)我的了解,地圖綜合確實(shí)是一個(gè)非常大的難題,包括現(xiàn)在郭仁忠院士團(tuán)隊(duì)也一直在研究這個(gè)問(wèn)題。而室內(nèi)定位現(xiàn)在也是一個(gè)很重要的問(wèn)題,目前室外主要是攝影測(cè)量、GPS等,定位的研究很多。室內(nèi)定位的研究目前也不少,包括同濟(jì)大學(xué)的一個(gè)做地質(zhì)相關(guān)工作的老師也在研究室內(nèi)定位。地圖綜合和室內(nèi)定位的確是兩個(gè)不同的問(wèn)題,不好比較。

 

觀眾B:張?jiān)菏磕?請(qǐng)問(wèn)您是如何看待航空攝影測(cè)量未來(lái)的發(fā)展的?現(xiàn)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展,在這個(gè)過(guò)程中,三維重建這一方面您怎么看?

 

張祖勛院士:航空攝影測(cè)量這一方面我可以發(fā)表一下感想,大家很多人問(wèn)我攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的不同。攝影測(cè)量還是攝影測(cè)量,因?yàn)閿z影測(cè)量含有測(cè)量?jī)蓚€(gè)字。攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)最大的差別是含有測(cè)量?jī)蓚€(gè)字,測(cè)量是講究精度的,而計(jì)算機(jī)視覺(jué)做出來(lái)的幾何很多軟件都沒(méi)有精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤的情況,這就是計(jì)算機(jī)視覺(jué)。也有人跟我說(shuō),計(jì)算機(jī)視覺(jué)一開(kāi)始就是為了解決攝影測(cè)量中的一些問(wèn)題,包括現(xiàn)在同名點(diǎn)的產(chǎn)生問(wèn)題,以及大規(guī)模范圍的解算問(wèn)題,計(jì)算機(jī)視覺(jué)肯定是走在攝影測(cè)量前面的,因?yàn)樗粫?huì)死機(jī),攝影測(cè)量經(jīng)常會(huì)在解算大規(guī)模范圍時(shí)出現(xiàn)死機(jī)的情況,但是攝影測(cè)量中解算不出來(lái)時(shí)還是會(huì)有精度評(píng)價(jià)。這就是目前我覺(jué)得攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺(jué)最大的差別之一。包括現(xiàn)在相機(jī)標(biāo)定問(wèn)題,以前有大量關(guān)于計(jì)算機(jī)相機(jī)標(biāo)定的文章,但是現(xiàn)在基本上沒(méi)有了。但是目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)相機(jī)標(biāo)定的精度如何?有沒(méi)有未知數(shù)的中誤差?這些都是沒(méi)有的。攝影測(cè)量中有一個(gè)方程能夠解算精度問(wèn)題,但是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中沒(méi)有,計(jì)算機(jī)視覺(jué)還需要一段時(shí)間才會(huì)考慮到精度問(wèn)題。測(cè)量必須講規(guī)范,沒(méi)有規(guī)范就不是測(cè)量,而計(jì)算機(jī)視覺(jué)不需要講究規(guī)范。

 

觀眾C:張?jiān)菏磕?我想問(wèn)您一個(gè)問(wèn)題,您剛才強(qiáng)調(diào)了我們攝影測(cè)量現(xiàn)在面臨著一個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的競(jìng)爭(zhēng)和壓力,我們現(xiàn)在找工作的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)本來(lái)和我們攝影測(cè)量沒(méi)有關(guān)系的一些企業(yè),比如華為、百度、騰訊這些企業(yè)也有很多攝影測(cè)量方面的人才需求,在這種情況下,您對(duì)我們這些應(yīng)屆的博士或者碩士畢業(yè)生找工作有什么建議或者看法?

 

張祖勛院士:這是一件大好事,拓寬了你們就業(yè)的渠道。我們團(tuán)隊(duì)的一個(gè)老師也被調(diào)去華為工作,工資不錯(cuò)。有攝影測(cè)量的支持,也有市場(chǎng)對(duì)人才的需求,計(jì)算機(jī)視覺(jué)現(xiàn)在也提供了很多就業(yè)機(jī)會(huì)。我曾經(jīng)到北京一個(gè)公司去看過(guò),他們有一個(gè)2013年理工大本科畢業(yè)的學(xué)生做GIS,他花了2年多的時(shí)間把整個(gè)國(guó)外的商業(yè)重建的開(kāi)源代碼全部理解,他能把西藏的某個(gè)地方將近400多張照片全部用自己的軟件跑通,所以本身的專業(yè)基礎(chǔ)還是很重要的。


觀眾認(rèn)真聽(tīng)報(bào)告

觀眾提問(wèn)

張祖勛為GeoScience Café贈(zèng)言

  

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