中国第一幅数字地图诞生记

◎ 王树连

1975 年盛夏，高温持续。在电子计算机房里，连续奋斗了两个星期的西安测绘研究所科研人员常本义两颊深陷，下颏尖尖，双眼布满血丝。他全神贯注地在500 条程序的行间搜寻着逻辑链条的断点。这一描绘等高线的程序已经修改过近百次，仍然未能通过。他逐条分析、判断，再次进行了修改，然后将“打孔磁带”上的程序输入计算机。他的右手伸向运行按键，突然停住，稳定一下怦怦跳动的心脏，毅然将按键摁到底。指示灯频频闪烁，绘图笔颤巍巍地运动起来。

“好啊，计算程序终于通过了！”一块10 厘米见方的高程曲线图被描绘出来。虽然高程曲线是如此粗糙，简直像一条打了结的麻绳，但这是中国人利用电子计算机制作的第一帧数字等高线图。

初战告捷，增加了常本义的信心，他随即向新的目标挺进。1976年初，常本义和同事们带着在坐标量测仪上采集的5000 个地形高程数据，再次进京“借鸡下蛋”。

北京大学计算机中心拥有当时先进的计算机，可供国内客户使用。机房里，除了机器有节奏的轰响，没有其他声音。在无线电传真机旁，常本义和同事们忙碌着。他们将一张航空像片放在传真机的滚筒上，然后将5000 个地形高程数据一一输入，再依次进行相对定向、绝对定向、数据内插、格网变换、跟踪纠正等程序操作。

常本义（左）在研究数字地图内插问题

试验人员瞪大眼睛注视着按照指令徐徐运行的传真机，一根根曲线陆续显示出来。输出结果令人振奋 ：原来麻绳一样的等高线已经比较光滑 ，等高线与正射影像像片的套合比较吻合，一块数字地图看上去有模有样了。

常本义与同事们互相祝贺，他坚定而自信地说：“对于中国测绘科研工作者来说，在开创数字地图测制的道路上，已经没有不可逾越的鸿沟！”

回到招待所，常本义回顾多年来付出大量心血的航空摄影测量自动化课题研究过程，心中默念着一个结论：航测自动化的出路在于测图数字化。

当试验成功的消息传到西安测绘研究所，领导果断决定：数字化测图项目正式上马！从此，数字化测图研究被列为西安测绘研究所的计划课题。

研制数字化设备

工欲善其事，必先利其器。没有数字化设备，要进行数字地图研制与生产是不可能的。常本义与课题组的同仁清醒地认识到：眼前的数字地图试验成功仅仅说明，制作高程数字图在原理上是可行的，但是制作能投入使用的数字地图还有很长的路要走，前面仍有一道道关卡。因此，继续研制数字地图技术，必须从研制数字化设备开始。

当时，国外流行的数字化测图设备是解析测图仪，于60 年代初在美国首创。那时计算机水平较低，一直未能推广使用。直到1976 年，微型计算机得到了较大发展，在芬兰赫尔辛基国际摄影测量年会上，西方先进国家首次推出6 台不同型号的解析测图仪。彼时，国外虽有现成的测图数字化设备与成功经验，但国内还没有解析测图仪的详细资料，无法借鉴。所以，只能靠中国测绘专家的智慧去斩关夺隘。

没有充足条件，创造条件也要上。20 世纪50 年代末，中国科学工作者呕心沥血，研制出第一代电子计算机——103 型计算机，仅设备安装就需要几间房子。

1962 年，西安测绘研究所购进了一台103 型计算机，在国内率先开展了电子计算机在测量上的应用研究。同时，西安测绘研究所与华东自动化计算站的技术人员共同研制测绘专用计算机。103 型计算机于1964 年5 月投入运行，先后开展了解算地球椭球面上两点间距离和方位角、平差三角锁网、解析空中三角测量、立体小区域网平差等研究，均取得了突破性进展。其中，小三角网平差计算在全国大地平差中逐步推广。

当年，为了掌握计算机技术，西安测绘研究所选派常本义、吴守琳到北京计算所学习电子计算机技术，参加原国家测绘总局举办的无线电训练班。

时间到了70 年代，常本义、吴守琳已经成为精通计算机软硬件的测绘专家。如何把计算机与现有的测量仪器联通，实现航空摄影测量自动化成为他们当时倾力研究的课题。两人决定利用电子计算机控制坐标量测仪，研制出能够采集地形数据的数字化器。立体坐标量测仪是常规测量仪器，利用立体像对，建立立体模型，用来测量目标点的坐标。

数字等高线（高程模型）

常本义、吴守琳是原解放军测绘学院航空摄影测量专业的同学，又是课题研究中亲密无间的战友，前者擅长软件开发，后者擅长硬件研究，两人珠联璧合，肩负着航测自动化的使命。那些日子，两人带领课题组科研人员忘我工作，下班铃声响过多时，他们还在安装设备、调试程序，常常已至深夜，试验室依然灯火通明。

1977 年10 月，中国测绘专家将一台按时间控制原理设计的数字化器正式与常规坐标量测仪融接，向计算机注入程序，输入指令，坐标量测仪便启动运行起来。

试验结果表明，用这种设备采集1 万个数据，平坦地区只需1 小时，山区也只需3 小时。在当时来说，数字化器成为制作数字地图获取原始数据的理想设备，这套设备经过不断改进正式命名为：联机立体坐标量测仪。

数字化器是数字测图的关键设备。在此基础上，到1979 年底，仅用1 年多时间，课题组便成功研制出中国第一台数字测图仪并具备第一代解析测图仪的功能。这台数字测图仪具有良好性能，不仅得到国内测绘专家的认可，还多次在来访的外国测绘专家面前进行测图表演。外国专家称赞：“你们是第三世界国家中第一个研制出数字测图仪的国家。”

1985 年，国产微型计算机有了长足发展，长城系列微机已经能够满足解析测图仪的运算要求。于是，常本义、吴守琳等专家们团结协作、联合攻关，解析测图仪的研制进入了实质性阶段。

功夫不负有心人，成功属于奋斗者。1987 年夏天，性能优越的中国第一代解析测图仪—— APS-1型解析测图仪研制成功。经过严格检测与应用比较，APS-1 解析测图仪功能优良，尤其是软件独具特色，开发潜力很大，而且价格只有同类进口产品的四分之一，很快在国内一些测绘单位推广使用。

第一幅数字地图问世

1978 年春天，伴随着全国科学大会的春风，开发实用的数字地图条件逐渐成熟，数字测图课题组科研人员以极大热情投入研发工作。同时，西安测绘研究所的科研设备也在改善，购进性能较好、轻便型C4500 计算机，使科研数据能够快速处理。

当年，数据采集工艺仍然比较原始。数字化器在航空像片上采集数据时，像电视机的显示屏一样逐行扫描，因而采集的数据是规则阵列。实际上航空像片上的像点常常会发生位移和形变等情况，若要将像点坐标转换到地面点坐标上，就要对成千上万个数据进行坐标转换。而坐标转换，是一个十分棘手的问题。

常本义义无反顾承担起坐标转换的研究任务，这是一条布满荆棘的科研道路。他反复琢磨，多次实验，成功研制出格网变换的逻辑算法。采用这种算法，计算机转换一组5000 个数据点的像对只需15 分钟。这样的计算量与速度，放在今天只是几秒钟的事儿，而在20 世纪70 年代，却是令人振奋的创新成果！

测绘人都知道，等高线是用来表示地形状态的常用方法。在测制数字地图过程中，需要把采集到的等高数据点联通起来，才能绘制出等高线。等高数据点越密集，联通的等高线就越平滑、越准确，这就需要对采集的数据点加密。

为此，常本义带领课题组研究出内插法，用计算机对数据进行加密。该方法的原理与利用多倍立体测图仪测等高线相似 ：先绘出计曲线，再内插首曲线。

数据点加密以及坐标转换工艺，需要处理海量的数据，当时计算机运算能力远远不够，怎么办？常本义设计出动态缓存区的软件，把数据进行“切片”，放在缓冲区，一片一片去处理，用小容量计算机“小马拉大车”，解决了低水平计算机处理海量数据的难题。

常规测图中，相邻像对、相邻航线、相邻图幅之间，都存在接边问题。同样，数字地图内部各个数据块间也有拼接问题。常本义的同事陈映鹰设计出相应的软件，很好地解决了这一问题。

1978 年底，一幅储存5 万个地面高程数据的数字地图问世，这是中国第一幅真正意义上的高程数字地图。储存起来，数字地图就是一盒磁带，号称“看不见”的地形图。输出出来，就是一幅与曲线套合的正射影像图，与常规图无异。

中国第一幅数字地图的问世，是中国测绘史上一个重要事件，是中国测绘科学工作者心血和智慧的结晶，是中国测绘踏进数字化测图门槛的第一步。

中国第一幅数字地图一经问世，便派上了用场。1980 年初夏的一天，一架银白色的航空摄影飞机在蔚蓝的天空飞翔。从飞机上鸟瞰，崇山峻岭，丘壑纵横。飞机上的测高仪不断记录着大地起伏的回波，航空摄影机连续进行拍照。这是中国第一次飞机模拟数字地图的匹配地形试验。地形匹配是景象匹配，是高于惯性导航的精确制导的尖端技术。

此次实验结果表明，中国数字地图性能初步达到了实用水平。当时，一家用户单位十分高兴，特意制作一面锦旗送到西安测绘研究所，上面写着：“专业两兄弟，攻关并翼飞。”注视着鲜艳的锦旗，常本义、吴守琳和同事们都笑了，笑得酣畅，笑得尽情。

中国科学院院士王之卓是中国航空摄影测量界的学术泰斗。有一次西安测绘研究所邀请王院士讲学，常本义向他介绍数字地图、数字测图设备研制情况，他认真聆听，仔细观看，并连连称赞测绘同行取得的科研成就。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”常本义和同事们深知，第一幅数字地图只是一个起点，航空摄影测量数字化任重而道远。他们没有停下脚步，而是不断攻坚克难、守正创新，利用西安测绘研究所购进的C4500 计算机及数字扫描仪，先后制作出水平更高的数字地图，包括数字地形模型、与等高线密切配合的正射影像图等。

与此同时，常本义与陈映鹰通过理论与实践相结合，把创新成果写成论文《数字测图仪及其在空中三角测量和数字地形模型中的应用》《数字微分纠正的基本原理与方法》，分别发表在1982 年、1983 年的《测绘学报》上。

常本义主持的测图数字化项目先后有30 多人参加，大家同心协力，不计名利，共同的使命感成为科研团队克难攻坚的动力。特别是常本义和吴守琳协同作战，成为数字测图仪研制过程中配合默契的两位学术带头人。

如果说数字测图仪是一架性能优良的钢琴，那么常本义带领的科研小组就是谱写优美旋律曲目的人。常本义团队为数字测图仪配置了成套的应用软件，赋予了数字测图仪更多的功能，测图精度也有明显提高。这套应用软件以其优越的性能在较长时间内保持着先进生命力。