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李建成:高程测量革命性转变的推动者

时间:2020年01月14日 发布者: 来源: 查看次数:

记者:付晓歌  通讯员:魏辉

编者按:由武汉大学副校长李建成院士主持完成的“中国高精度数字高程基准建立的关键技术及其推广应用”项目日前荣获2019年国家科技进步一等奖。国家数字高程基准通过严密理论和先进的技术,将传统的地面标石基准模型化、数字化,联合卫星导航等现有技术,可以实现快速无缝连续地高程测量。基准的建立、维持和测定可以不依赖野外的地面标石,不会被地质灾害破坏。也可以不需要依靠人一步一步来测量高程,将测量员从繁重的工作中解放了出来。改变了人们对海拔高程测定的认知,能够快速、精确、无缝获取我国境内任意一点的海拔高程,对相关地球科学和工程建设产生深远的影响。

“这是国家对我们科技成果的认可和褒奖,是我们测绘人的骄傲。这项成果的取得来之不易,是我们30多年辛勤工作的结果,也是集体智慧的结晶。”李建成得知项目获得国家科技进步一等奖时,马上将这一喜讯分享给了课题组成员。

自从选择做大地测量研究的那天起,李建成就向“确定1厘米级精度大地水准面”这一世纪难题发起挑战,力求建立一个统一精确的“全国大地水准面”。

革命性建立现代高程基准

一般把平静的海平面定义为高程(海拔高)起算面,但世界上没有一把“尺子”可以直接测量崇山峻岭相对平均海水面(大地水准面)的高度。而且我国地形极为复杂,居世界之最。东部为海平面,西部是“世界屋脊”珠穆朗玛峰,高差近9000 米;大地水准面非线性起伏大,全球大地水准面起伏约为190 米,仅占全球陆地约2%面积的中国,大地水准面起伏就超过了110 米。因此我国大地水准面的精密确定尤为困难。

我国法定高程基准的起算原点设在青岛。传统高程测量只能通过测量员用脚一步一步来丈量地球,通过埋设地面标石,水准测量,逐站传递,来建立由成千上万个水准标石构成的高程控制网和获取高程信息。这种水准测量效率极低,劳动强度极大。往往需要国家测绘、水利等多部门通力合作,花费近10年的时间,才能建立国家高程控制网而且高山和海域无法实施测量,这是传统模式建立高程基准的“天堑”。

团队成员介绍传统高程基准采用水准标石来维持,但是,如果遇到泥石流、地震等自然灾害,就会被破坏,难以长期维持,需要定期复测。因其难度大、效率低、成本高、复测周期长,建国 70年以来,国家传统高程基准仅做了3次。因此,寻求高效、低廉的全新高程测定方法,革新高程基准的建立和维持方式,是我国经济建设和社会发展的迫切需要。

GPS技术的出现,为高程基准的现代化提供了契机。但GPS测定的是几何高程,不能标示水的流速流向,不能直接使用。李建成及其团队创新性地提出用大地水准面数值模型(数字高程基准模型)取代传统水准标石,建立并维持国家现代高程基准。开辟了“卫星定位系统+数字高程基准模型”精确测定海拔高的新途径,实现平面和高程的的“三维一体”定位,革新了高程测定和基准维持的模式,推动了我国高程基准现代化进程。

这一模型可替代覆盖全国的水准标石点,从传统升级到现代,实现我国高程基准建立与维持模式一次变革性转变。

国家高程基准模型精度跨越

“大地水准面”是一个非常专业的名词。从1828年高斯最先提出大地水准面以来,其确定理论一直未能严密化,上世纪末,大地水准面的精度只能达到分米或米级。国际大地测量界在上世纪90年代把“确定1厘米级精度大地水准面”列为本学科的世纪性难题,并作为测绘学科21世纪的发展战略目标。从米级、到分米级、到厘米级,再到亚厘米级,每上一个台阶难度越来越大。

此前,我国国家级数字高程基准模型精度仅约40厘米,无法满足工程建设和精密位置服务中快速精确测定海拔高的要求,这严重阻碍了高程基准建立及维持的现代化。李建成团队30多年的时间实现了国家高程基准模型精度上的跨越

但是技术推广初期,这项研究备受质疑。业界一直有一个声音:测绘就是要用脚丈量地球,不经过实地测量,坐在电脑前能得出准确数据吗?”而李建成用高精度的数据成果不断证明“卫星定位系统+数字高程基准模型”可行性与可靠性——

他们构建的中国陆海统一数字高程基准模型2015,克服了传统技术无法跨海的缺陷;率先建立了我国精度最高的省、市、区域的数字高程基准模型。

事实证明李建成提出理论和技术体系以及建立的国家、省、市级数字高程基准模型,能满足国家需求和工程建设需要。这一成果目前已经规模化推广到我国多个省市区域的大地水准面精化工程,应用于测绘、交通、国土、自然资源调查等行业和国家重大工程,产生了巨大的社会和经济效益推动了测绘与相关行业的科技进步。

“李建成是我国大地水准面工程化应用研究的主要开拓者,解决了精密区域大地水准面确定的多项理论和技术难题”在对该研究成果的评定中,业界专家给予了充分肯定和赞扬。

坚持不懈的创新精神

习近平总书记强调,“创新发展理念首要的是创新。要抓住时机,瞄准世界科技前沿,全面提升自主创新能力,力争在基础科技领域作出大的创新、在关键核心技术领域取得大的突破。”

李建成认为,做科研工作一定要瞄准科技发展前沿,只要方向正确,通过不懈努力一定会取得成绩。”当他选择“大地水准面”时,它还只是一个比较偏门的专业名词,几乎看不到应用前景。但李建成却在这条路上一走就是30余年。

做科研工作一定要瞄准科技创新,只要方向正确,通过不懈努力一定会取得成绩。”李建成如是说。

“八五”期间,武汉测绘科技大学承担了多项有关中国重力场逼近的重点研究课题。但当时,这一研究领域的博士和研究骨干相继离校出国,李建成独自承担起几乎全部有关课题的理论研究和实际计算工作。

在导师宁津生院士等的指导下,他没日没夜地扎进实验室,最终顺利结项。这一成果让他荣获1996年国家测绘局跨世纪学术带头人,并获得了国家杰出青年科学基金的资助,使他在这一领域具备了深入研究的基础。

熟悉李建成的人都知道,他到哪里都带着电脑,不放过任何一点碎片化的时间。团队成员、武汉大学测绘学院院长姚宜斌教授说,对李建成来说,几乎不存在节假日的概念。无论春夏秋冬,总是能看到李建成在电脑前建模、编程的身影。

邹贤才是李建成的学生,在他眼里,李老师是一个非常具有刨根问底精神的人,哪怕教科书上非常经典的公式和理论,他也一定会一一检验。李老师身上这种执着的质疑精神值得我们学习。邹贤才的话钦佩之情

为了追求更高的精度,李建成不断从理论上修正、对公式进行严密化处理。由于基础数据的误差等原因时常会出现偏差,他团队成员就聚在一起讨论,找出到底是哪里出了问题有时还会争得面红耳赤。据团队成员回忆,经常是加完班到家,又一个电话被李建成叫回办公室讨论。他们挑灯夜战,聊到办公楼锁门已经是家常便饭。

正是这种科研的执着,精度近乎苛刻的追求,使得李建成在成功的道路上不断前行

我们不会停止科研创新的脚步,将秉承精益求精的工匠精神,继续为我国测绘现代化的发展做出贡献。李建成目光坚定。

(供图:测绘学院  编辑:陈丽霞)

(文章来源:武汉大学新闻网)


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