院士论坛| 高俊：图到用时方恨少, 重绘河山待后生

来源：《测绘学报》2017，46(10)

作者：高俊，男, 教授, 中国科学院院士, 研究方向为地图学、地理信息系统、作战环境学。

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原题：图到用时方恨少, 重绘河山待后生--《测绘学报》60年纪念与前瞻

摘要：提出了测绘科技发展特别关注的4个领域：一是将测绘服务领域从地球表面向多维空间(赛博空间)扩展;二是将测绘产品为人服务向为智能机器人服务的方向延伸;三是主动与文化和社会科学领域中的若干层面靠拢，提高地图的文化内涵;四是测绘科技和产业的供给侧改革已提上日程，各方面要有突破性的变化。

关键词：《测绘学报》 赛博空间 智能机器人 地图文化 供给侧改革

信息工程大学地理空间信息学院 高俊

测绘作为一门独立的学科和事业，并由政府统一管理的格局是从法国大革命开始的。1793年，法兰西共和国成立的第2年，将卡西尼家族四代人经营的测量和地图产业收归国有。卡西尼地图是第一次以三角测量作控制，采用等面积的彭纳投影，以巴黎0°子午线为坐标系，按1:86 400比例尺绘制的182幅全法分幅地形图。此图开始于1748年，到革命后的1815年才完成，历时67年。虽然这套图很快被一套新图所替代，但它确立了地形图的基本技术模式，促进了生产流程的完善和管理体制的形成，特别是被军队和土地开发任务所重视，引发了欧洲国家建立测绘主管机构的热潮，例如英国1791年开始三角测量及1801年英国测量局(Ordnance Survey)的正式成立，以及在数年之内欧洲十几个国家测绘局的相继组建。

说起中国最早的实测地图《皇舆全览图》，开始于1708年，结束于1718年，比起卡西尼地图早了约40年，也应用了三角测量的知识和天文测量经纬度的方法，但比例尺较小，约为1:150万，不具备地形图的实用特点。更为遗憾的是，地图绘制后被康熙皇帝深藏内府，没有像欧洲那样正值殖民地战争和国土重新划分引起的需求，没有热兵器时代对装备保障的需求，没有后续的工作，没有建立管理机构，反而被欧洲的传教士们带回欧洲，填补了他们对亚洲和中国的无知和地图上的空白。直到1904年(清光绪二十九年)，面对列强的挑衅和侵略，才建立了“陆军测量局”，较之西方国家测绘体制的建立推迟了约100年。

将测绘事业和产业集中管理，能有效地建立全国统一的时空基准和大地控制系统，有利于集中全国的财力和物力完成全国基本地图的测绘。新中国成立后，我国能以大约50年时间完成欧洲国家用了200年才完成的基本地图测制任务，充分说明纳入行政体制、实 35 42311 35 14942 0 0 3038 0 0:00:13 0:00:04 0:00:09 3038施集中管理的重要性和必要性。相应的测绘学科也相继启动。1956年，集中国内测绘精英学者组建的武汉测绘学院(武汉测绘科技大学前身)，为人才培养和测绘科技发展起到了关键作用。测绘是一门通用性很强的基础性学科专业，不可能局限于自身的测绘保障任务，必然有其广阔的服务领域。海洋测绘、工程测量是最早的测绘家族的成员，同时在理论与技术上渗透到地理、地质、矿业勘探、地球物理、城镇建设、铁路和公共交通工程各方面，建立了各自的专业测绘生产体系，推动了测绘科技的发展。从《测绘学报》历年的稿件和测绘学会的学术活动中，可清楚地看到这一点。

全球卫星定位系统、航天遥感、数字制图技术的出现，从根本上改变了测绘生产模式，提高了产品质量，增加了产品种类，扩大了服务面，将传统的测绘业推向了国家科学技术的前沿。

近年来，认知科学和信息技术的进步与国家发展安全的需求，促使测绘与移动通信、网络构建、管理控制系统、救灾维稳、导航定位、国土资源调查、临近空间探测等一系列重要任务紧密结合，取得了显著效果。测绘科学技术在不断提高测绘保障能力的同时，也逐渐显露了传统测绘科技的一些短板。目前测绘科技至少在下述4个方面有进一步思考和提高的必要：一是需要将测绘与地图的服务领域，从地球表面向多维空间(或称赛博空间)拓展，使之适应信息时代人的生存空间已向虚拟空间扩展的状况;二是将为“人”服务的测绘产品拓展到为“机器人”或人机结合的平台或系统提供测绘保障;三是主动与文化和社会科学对接，挖掘测绘与地图的文化含义，改变测绘业单纯技术的形象;四是测绘科技本身的供给侧改革已提到日程上，这一次变革之大甚至会动摇200多年来形成的测绘格局和学科体制，是一次世界性的改变。

1 测绘服务领域应从地球表面向多维空间(赛博空间)扩展

测绘的对象和地图的表达主要是人类存在的物理空间，但也不止于此。除专题地图所描绘的知识空间外，地形图上的“地名”就是一个无形的附加文化空间;自然地理和经济地理的“区划”也并非确切的位置，而是研究工作的结果，其边界是一条抽象概括的线。天气预报地图也是如此，所以过去就有地图是多维地理环境的综合表达的说法。今天的多维环境已有更多的表述，例如网络空间、电磁空间，更增加了人工构成的虚拟空间，它们和地理空间有紧密的联系，但又有自己独立存在的特点，已经成为人类生存空间的一部分，于是就有了赛博空间(cyberspace)*的提出。赛博空间是我们需要面对的一个新领域，我国的IT界因为长期关注网络技术，先入为主总是把赛博空间与网络空间混为一谈，是引进初期误译的结果，但这是两个不同的概念。赛博空间是一个集多维空间为一体的人类活动新领域，即在虚拟空间中，将人类行为、经济现象、人文历史的地缘关系、网络行动等综合而联系地加以认识，探索它们之间的关系和存在规律，是一个可视化、虚拟现实、通信技术、移动网络和人工智能诸因素和技术共同支撑下的人类活动的新空间。因此，社会科学家们比IT技术专家较早的给予了关注，因为他们已预见到了赛博空间将引发人类人文关系、伦理道德的变化，进而会波及哲学根本问题的思考。紧跟着就是与地理、测绘有关的学者提出“赛博空间如何描述和表达的问题”。从地图学的视角看，一个人类活动的新空间，就像过去用地形图表达地理空间一样，理应用一种新的方法加以表示。况且随着计算机图像和可视化技术的发展，当代的地图学已经利用多维动态的方法将一些无形的现象有形的表达在地图上，也将历史地图时空固化的传统绘法改变为时空压缩和动态过程的回顾的水平。依托地图学的深度和广度的发展来描述赛博空间应该是学科的职责所在。

*赛博空间(cyberspace)是一个引进的术语，《中国科技术语》2014年第16卷第6期专栏讨论了该术语的译名问题。笔者认为，由于这一术语当前的多义性，倾向于音译，本文暂用此名。

军方对赛博空间有更敏感和更实在的理解，简单地说就是将知识空间、社会空间、网络空间与现实的火力空间相结合，是一个联合作战所必须面对和认识的综合性空间。通过各种技术，保障各空间最有效的互联、互通，而地图学的作用就体现在提供指挥部使用的“通用联合作战图”，一种用各种可视化设备及支撑数据，将战场态势集成显示在电子地图上。

美国现代军事术语定义赛博空间是一个虚拟空间：是一个“连接各种信息技术的基础设施，包括互联网、电信网、传感器网、武器平台、计算机系统和嵌入式处理器与控制器，并具有时域、空域、频域和能域特征的广阔领域，由训练有素的人发挥关键控制作用的虚拟现实环境”。这是一个较具体的定义，也是美国军方实现军兵种联合作战的空间认知保障，特别是和武器平台相联结，体现了虚实结合的特征。国内传媒与某些专业领域，常把赛博空间混同于网络空间，这样将会引起宣传、教学和研发工作的误导。

不仅军方，赛博空间概念的形成对于经济发展、社会治安、抢险救灾诸多任务中也有重要的实际意义。设想在一个紧急应对突发事件的环境中，来自舆论、社情、环境和救援态势的各方信息都要汇总于指挥部，此时决策者必须快速在诸多利害关系中做出决策，若能提供态势进展的综合处理、反映环境状况的地图有多么重要，这就是赛博地图。

“我们的精神世界和物质世界一样真实可靠”，科学的成功之处在于把自然现象的规律用数学语言来表达，而近年来的精神心理学研究也找了不少心理体验的事实证据，可以把内心的精神世界加以描述。赛博空间和赛博地图的提出，为这一概念的形成，为颠覆传统的物质与精神划分，提供了有力支持。

受限于传统学科的划分和可视化技术研究的分散，我国在虚拟空间和网络空间的表达上始终缺乏突破性的成果，在一定程度上也限制了赛博空间的表述。不少论述网络技术和空间关系的论文，最后都缺少一幅表述网络与现实关系的地图，总有深度不够的感觉。赛博地图就是“接地气”的一个途径，是创新思维产生的索引。这几年已有不少青年学者关注于此，并不断取得了较好的成绩。北京大学开发的“ThemeMap”可视化分析平台就是一个代表性的成果，用此平台绘出了我国东部地区半个月内的微博密度图。事实上，我们的日常生活已经进入了赛博空间，只是需要主动地去认识它和表达它。

2 测绘产品应从为人服务向为智能机器人服务的方向延伸

当前人工智能和机器人的研究如火如荼，几乎涉及了所有的学科领域和企业生产部门。测绘科技领域在很多方面，如数据处理、图像识别、地理信息系统构建等，早些年已涉足人工智能的探索，并且有不错的表现。

这里所谈的机器人主要指“智能机器人”，即具有一定智能的、无人操控的移动平台，例如无人驾驶汽车、功能性无人机等。它们在研发和构建当中，应该得到测绘科技的支持和保障。

测绘的基本功能之一是在地球表面提供定位与导航保障，是为人服务，或通过人的控制来实现的。坐标提供定位，地图实现导航，即使是当前使用手机来寻的，也还是这个模式。如今人工智能与机器人的快速发展为测绘业提供了一个新的服务领域。

无人驾驶的自主机器人必须回答“在哪儿、去哪儿、怎么去”等基本问题(当然还包括“做什么”的问题，但那是归专业部门来规定的，可以暂时抛开，但是在“做什么”的活动过程中，仍然还有重复定位和目标识别等一系列与测绘有关的问题!)。这个基本问题在自动化与控制专业领域早有研究，已有一套可实现的工程方案，但过去他们很少和测绘科技挂钩，两家“平行研究”并无交集。举例来说，SLAM(同时定位与地图构建)系统自1988年提出已有近30年的历史，作为一种自控系统的导航方法，应用在许多自主控制平台上，并有大量专著与论文发表。在未知环境中，机器人借助所配备的各种传感器不断探索环境获取有效信息，自动构成活动区域的平面图，根据此图实现本身定位，再获取数据，再定位，反复进行从而取得较为精确的导航数据与地图。这与当前测绘领域的移动测量和室内定位方法如出一辙，但在双方论文中很少有互引的参照，不但国内，国外也是类似的局面。这是测绘科技开放性和主动性不够，还是部门利益所限，是个值得思考和改善的问题。

再谈无人驾驶汽车，集人工智能、定位导航和安全驾驶为一身，被诸多企业看中，是当前热门产业之一。这是在已知环境中实现自主驾驶的平台。无人驾驶汽车不但要解决在哪儿、去哪儿、怎么去的问题，还要在行驶过程中处理复杂的行车环境中的相互避让、避开拥堵地带、做出实时更改路径规划的诸问题。此外，要解决在行驶中接受第2次更改任务目标指令而重新定位去向。因此，要不断把有关行驶空间的知识在计算中进行迭代、转换，形成“记忆认知”，即把驾驶员的经验融进无人汽车的“驾驶态势图”中，制成一个无人驾驶汽车的“驾驶脑板卡”，使汽车成为有感知和认知能力的自主轮式机器人。换句话说，要设法将人脑的心像地图(mental map)移植到自动驾驶机器人上去，在当前仍是一个难题。这项研发工作已集中了人工智能、计算机技术、自动控制和测绘定位导航技术多方面人才，跨界合作，并已取得成效。各家无人驾驶汽车的开发，虽有不同，但跨界合作已是共同特点。

李德毅院士指出，轮式机器人还将对移动测绘行业带来挑战。移动测量车比无人驾驶车有更好的传感器装置，一旦移动测量车变成无人驾驶的移动测量机器人，汽车测绘将成为现实，地理空间信息的众筹机制将改变传统测绘行业的面貌。

3 测绘与地图应主动与文化和社会科学对接，挖掘文化内涵，改变单纯技术的形象

测绘科学技术特别是地图学向文化领域的渗透是当前一个世界性的倾向。过去几十年由于制作全国和世界重要地点的地形图的任务的沉重，迫使测绘业的发展重点是关心技术层面和产品标准化的问题，多少有些重生产轻使用的倾向。测绘人不太关心，也不了解地图在人类文化生活方面的作用和魅力，也导致了行业的局限性。与地理学领域对地图的重视相比，测绘人显得缺少地图学的话语权，再加上地形图是个垄断性的生产行业，就使得地图品种贫乏，缺少创新，启发性的地图较少。这是国内同仁在几届国际地图学协会(ICA)组织的地图展上的共同感受。近来，数字测绘技术和网络环境的进步，虽使这种状况有所改善，但整体来说还需要突破地图使用的局限，为文化和文明的建设提供生存环境的认知工具。也只有突破地图学的技术局限性，向文化、经济、历史、人文多方面切入，才有可能使这门传统学科重新获得生命力。

最近的一件事影响很大。关于利玛窦世界地图的评价问题出现了颠覆性的新论据。关于利玛窦的《坤舆万国全图》(1602) 的意义，在国内已成定论，基本评价是改变了中国传统的宇宙观，“西学东渐”，起到了自然科学的启蒙作用。但是，李兆良教授经过多年的研究，用多种古地图的比较证明了《坤舆万国全图》并非利玛窦所作，而是他根据中国明代原有地图资料托人绘制的，并由此引发了明代以郑和为代表的航海创举究竟到达过哪些地方的问题，并且认为郑和团队中的一支曾到达美洲。这个结论并非靠推断提出的，而是经过文献查阅并与多幅当时前后出版的欧洲地图认真对比而发现的，由此证明了首先是这些传教士把中国的地图资料带回欧洲，才有法国人卫匡国的《中国新地图集》(1655)的出版，这也是欧洲人借以完成世界完整地图的依据。这个结论不单是对利玛窦个人评价的问题，也不仅仅限于地图学的争论，而是势必引起东西方文化交流的重新认识。

另一件事也是地图历史价值的体现，动摇了哥伦布发现美洲的评价。葡裔美国人曼努埃尔·罗萨经过25年的探索，于2009年出版了一本西班牙语的专著《哥伦布不为人知的故事》。作者考证，美洲大陆并不是哥伦布首先发现的，他是拿着一幅美洲地图才去航海的。据认为这将改写哥伦布的历史。流失在国内外的中国古地图不断被发现，各大图书馆的数字馆藏在网上传播之后，我国地图学史的内容急需更新，这也将增强我们的文化自信心，逐步解答心中的存疑，例如郑和七次大洋航行，为何只留下一本《武备志》的附图，靠这个图怎么能在海上航行等问题。

地图的文化意义不只在于将地图绘制在各种生活用品上，布置在环境中以增加文化的氛围，更重要的是要发挥地图在人的思维构建、记忆功能的强化和提高空间认知效果方面的独特作用，在于记载人类文明进化的节点，在于记录人类进化的标志，在于儿童早期空间存在的启蒙教育。这个思路清晰了，就能促进地图作品的创新，丰富地图的品种。我国学术界对地图在人的思维构建中的重要作用普遍认识不足、亟待加强。最近的两个例子：中央电视台播放纪念马王堆考古的纪录片(6辑)中竟只字未提“马王堆地图”一事;近期出版的一部权威性的关于地理学思想与方法的系列丛书却完全忽略了“地图”在形成地理学思想和作为“地理学第二语言”的作用，甚至没舍得设置“一节”文字来描述或评价，就是很好的证明。

对地图文化价值的忽视会导致我们视野狭窄和创新思维难产。这种情况近年来随通信网络和移动技术的发展有所改善。但还需要引起测绘人的重视，不要因为保障工作滞后而影响了全局的进展。

4 测绘科技本身的供给侧改革已提上日程

当传统测绘处于一个“文-理-工”相互渗透、“人-机-环境”三元一体的大趋势中，要扩展描述空间、增加服务对象的时候，就也必须思考和面对自身变革的诸多问题。如果打算将“预先测绘保障”改变为“实时(应急)测绘保障”，实现从被动服务到主动服务的转变，现在就是一个大好的时机，技术条件、管理体制和用户需求都已经做了准备。应该说，我们已找到了解决测绘老大难问题(如地图陈旧、供不应求)的途径。经过多年的实践和改进，移动测量、移动制图和空间信息可视化就有可能构成新的测绘保障的技术基础。

移动测量是摆脱了传统测量需要地面控制点支撑的限制，主要利用激光测距、精准定位(GNSS或IMU)和定位定姿系统(POS)计算出目标地物的三维坐标，并绘出地图;也可以基于摄影测量原理，用CCD相机替代激光进行探测(钟若飞.移动测量的普及只是时间问题.南方测绘, 2017, 99;杨必胜.三维移动测量的现状、挑战与发展趋势.南方测绘, 2017, 99)。这种方法在前面提到的室内测绘，例如SLAM系统中也同样采用。为表彰在移动测量开发商的贡献，2017年5月第10届国际移动测量技术大会(MMT2017) 授予李德仁院士“杰出成就奖”，代表了我国在这一新领域所获得的成就。

“移动制图”是近年来逐步实现的按需求为用户提供实时、动态地图服务的统称，与移动测量一样，是新型测绘保障的重要组成部分。这得益于移动通信、互联网技术、移动定位技术和智能化终端的技术环境。除前述的为机器人提供地图服务之外，手机地图是移动地图最精彩的杰作。以往因为手机屏幕过小的限制，没有对手机地图抱有多大希望，但从2005年Google推出了Google Earth后，带动了智能手机地图的爆炸式发展。各厂家开发的地理浏览器克服了前几代人绘制地图不可逾越的鸿沟，通过图层的概括(制图综合)和至少4级分辨率的缩放(比例尺)以及语义检索，从根本上改变了地图阅读的方式，其便利程度可以使十几岁的孩子在10分钟之内学会操作，空前提高了地图的认知价值，普及了地图的应用。此外，移动地图由于数据来源、制作方法的不同，又派生了很多新的地图形式。例如配置在各种移动平台上的导航电子地图，以位置服务为目的在各种移动信息设备(MID)显示的位置地图，并在此基础上形成了“移动地图学”(mobile cartography)的新学科。

空间信息可视化是20世纪末提出来的。可视化的初始含义就是形象化，以可视的图形传播和深化知识，即“一图胜千言”之意。有了计算机之后，开始把一些科学和社会事物的抽象图形和空间关系用图来表示，提出了“科学计算可视化”的概念。这首先引起了地理学与地图学家的重视，因为地图就是一个可视化的作品。把全世界摆在你的面前，除了制作世界地图，别无他法。就是今天，人在太空目视能看到的也只是局部至多半个地球的图像。地图就是把地球上不可见的东西让你看见。20世纪90年代初期已有很多地理空间可视化的试验和著作。随着科技的进步，虚拟现实、增强现实、合成视觉技术相继出现，极大地丰富了空间可视化的手段。可视化已成为测绘空间探测和认知的基础性方法。可视化方法不仅仅是技术问题，它是一种空间思维的辅助方法，参与人的认知过程，扩展和丰富人的认知结果，因此它应该成为智能化时代测绘科学的组成部分。当人类第一次做太空飞行时，看到阿尔卑斯山的美丽景色，赞叹之余发现它与1947年茵霍夫设计绘制的瑞士山区彩色地图竟是如此的相似。制图学家们如何知道地球的自然景色在阳光下应该就是从空中看到的样子?这就说明地图是人类超视觉思维所创造的成果，而非机械的反映。在其他学科领域，可视化的应用更为生动和普遍，并引起了社会、医学、艺术诸领域的青睐。可视化可以促进人的形象思维活动，用图形、地图以及可视的相关信息激发大脑的创造力，空间数据可视化应该成为新的测绘体系组成部分，特别是当地图表述的对象扩展到赛博空间的时候。

除了技术基础，测绘科技离不开空天一体化的基础框架建设任务。这也是传统测绘科技重要任务与贡献的专项，已经积淀了大量的理论、经验与数据，而面对的是一个在大数据环境下的待认知的空间。李德仁院士提出的形成“地球空间信息学”就将构建“空天一体化网络”作为七大关键技术之一。天地一体化网络是以地面网为基础，以空间网为延伸，覆盖太空、近空、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施。在这个领域，测绘科技从网格理论的角度切入，也有了不少研究成果。

最后还有一个问题是，在如此便捷的获取各种基础数据、地面影像与数字地图的条件下，今后还要不要定期出版一套表达国家基本面貌、定格当代自然环境和我国经济建设状况的“基础地图”作为行政、文化、教育工作的阶段性总结和档案，像今天的地形图这样，当然其内容和面貌肯定有相应的变化，笔者虽持肯定的态度，但对如何实现又缺少成熟的思路。

面对测绘业的重大变革，也必然涉及测绘管理体制与产业的重大调整，这方面已引起测绘主管部门的重视。作为2016年的改革态势总结而出版的蓝皮书[32]已经把这个问题提上了日程。

后记：

《测绘学报》创刊60年了。回想当年，1956年国家测绘局正式组建，在随后的中国测绘学会还是“筹委会”的初创时期就开始计划出版《测绘学报》，成立了由测绘界多位学术权威和专家组成的“学报编辑委员会”，开始筹集和审阅论文，并于1957年底由中国科协指定的科学出版社正式出版《测绘学报》。这是当时测绘界的一件大事，不但标志着测绘进入了国家级的科学技术领域，也代表了分散于各部门、各院校、各地区的测绘力量开始团结一致，正式担当起了国家基础设施建设的光荣使命。今天再阅1957年《测绘学报》创刊号(1957年第1卷第1期)上所列编委会的各位委员，均已作古仙逝，文章作者也是“硕果仅存”，不胜怀念之至。谨向各位老师和前辈致以衷心的敬意和感谢。

60年来，《测绘学报》不但反映了各时期我国和世界测绘科学技术的进步，而且为国内外广大读者提供了学术交流和展示研究成果的园地。《测绘学报》的60年历史是我国现代测绘一部发展史，是中国科学技术史的一个突出方面，其文化和文献价值也是不可忽视的。

纪念《测绘学报》创刊60年，引起了不少回忆和思考。上述这些想法无非是希望《测绘学报》继续担负引领测绘科学技术学术方向的重任，并希望适当扩大学科领域，作为学术交流的桥梁和纽带，增加读者的亲和力。

撰写此文过程中，学习了不少材料，发现奋斗在测绘科技领域的带头人及探索者已是年轻一代的精英学者，这是测绘科学技术发展的希望和生命力，十分欣慰。在当前极为有利于学术探索的环境中，必定能承担起振兴中华的伟大使命。

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