点测毫厘，云绘万物
人类对于更加精确地采集、描述和表达复杂现实世界的追求从未止步。在以地图和影像为代表的二维空间数据表达以外，如今，具备三维空间位置和属性信息的“点云”，正成为继矢量地图和影像数据之后的第三类重要的时空数据源。而关于点云处理的核心技术与前沿问题，正是本期专访嘉宾——武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任、空间智能研究所所长、博士生导师杨必胜及其团队的研究方向。
杨必胜教授主要从事点云处理、空间智能、遥感与GIS应用等方面的研究；获2019年全球Carl Pulfrich奖，作为第一完成人获测绘科技进步特等奖、湖北省科技进步一等奖以及教育部自然科学一等奖各1项；是教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者以及万人计划科技领军人才和科技部中青年科技领军人才、享受国务院政府特殊津贴专家、国家“十三五”、“十四五”重点研发计划项目首席科学家，也是国际摄影测量与遥感学会点云处理工作组联合主席、ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing编委、《测绘学报》编委、《遥感学报》副主编、国际数字地球学会中国国家委员会激光雷达专业委员会副主任委员。在晨光初曦的武大校园，杨教授接受了我们的专访。
成长历程：与浪潮共舞
从以学生的身份推开测绘的大门，到成为测绘遥感领域的领军人才，杨必胜的成长和发展，既是优秀学者勇攀科学高峰的奋斗之路，也时刻伴随着我国测绘技术快速进步的时代浪潮。
杨必胜向我们分享，1992年高考报考时，自己的选择是比较“盲目”的。自觉比较擅长数学的杨必胜锁定了如计算机、电子、工程力学等的偏向工科类的专业，并最终被调剂到了当时的武汉测绘科技大学的测量专业。杨必胜回忆道，本科阶段自己的课程几乎涵盖了测绘类的专业的基础课程，包括了现在的工程测量、大地测量、GPS、摄影测量、地图制图等，当时“电子制图比较少，我们还要削笔尖，把聚酯薄膜蒙在上面描图”。到了研究生阶段，随着计算机和网络的普及，杨必胜开始聚焦于GIS等电子化、信息化的方向。当时正值传统测绘向数字化、信息化测绘全面转型的阶段，杨必胜表示，“测绘在当时很重要的一个事情就是怎么去做数字化，在最开始的时候会尝试很多方法，去把纸质的地形图变成电子版的”。
而随着信息化的持续推进，测绘信息的获取手段也渐趋多样化。杨必胜回忆，过去的图都是二维图，后面就有了要把图“立起来”变成三维图的需求，一开始的时候是通过立体像对的形式获取的，成本比较高。当时正处于硕士研究生阶段的杨必胜，以三维城市建模的可视化作为毕业论文的主题，后来该研究成果形成了文章《3维城市模型的可视化研究》，发表于2000年的《测绘学报》上。对于当时的技术与设备的情况，杨必胜回忆，“当时计算机这些设备的硬件，包括显卡等各方面都跟不上，那个时候的处理器都是586、686，内存都是几百兆的”。此后，杨必胜在博士研究生阶段及参加工作后也持续关注传感器端、数据源端的三维信息提取。由于设备算力的提升和移动端设备的出现，数据的来源、种类、时效性得到了长足的进步，三维建模的精细度和语义的拓扑度变得越来越多元化，数字城市、智慧城市等应用场景相继出现。在日新月异的技术进步和应用拓展之中，杨必胜及其团队亦始终勇立潮头，“刚开始的时候三维建模主要是满足测绘的需求，现在是已经到各行各业去了。现在是一直围绕着三维信息的获取、建模来满足各种应用，逐步逐步地来吧”。
而回顾自己从学生走向学者的历程，杨必胜强调的是坚持，“做事情还是需要一种坚持，因为好多事情不是一蹴而就的，不是今天做明天就能看到效果的，做研究也好或者做其他的也好，如果方向上认准了就要坚持下来”。
点云：新型时空数据
“点是人类感知和认知世界最为原始的概念，也是欧式几何学中最简单的图形……点的云集掀开了人类观测世界的新篇章，重构了我们的世界”，在杨必胜等主笔的《点云智能处理》一书中，周成虎院士为其如是作序开篇。近十多年来，杨必胜及其研究团队一直致力于点云处理与应用方向的研究，积累了一批具有实用性的创新研究成果。2019年9月10日，由于在点云处理领域提出并建立的“广义点云”信息智能提取与三维多细节层次建模理论方法的突出贡献，杨必胜在德国斯图加特大学被授予当年全球唯一的Carl Pulfrich奖。
点云是物理世界三维数字化的代表性表达形式，通过以激光扫描为代表的主动采集方法和以倾斜摄影为代表的被动采集方法，人们获取了具有三维空间位置和属性信息的稠密点云。关于点云相对其他空间数据的优势，杨必胜向我们解释，我们就生活在三维世界之中，对于三维的认识其实是个本质的需求，以往测量平面及高程坐标，其实同样也是三维的，但相对而言成本较高，也无法得到所有点的平面及高程坐标。而“点云直接就能得到X轴、Y轴、Z轴的信息，相当于把平面和高程同时都得到了，它所描述的世界就是三维的数字世界，这是它相对于其他数据最直接的一个优势”。
杨必胜表示，目前能够获取三维信息的平台有很多，有诸如卫星、有人机、无人机、汽车等，也有固定站点或者背包式设备、手持式设备和手机，在获取方式上也有直接扫描、结构光或者影像匹配等。不同的设备和手段，在不同的范围和粒度上，都可以对周遭的范围进行数字化。因此，点云的数据是多源的，质量、粒度也各有差异。“我们对现实世界的了解需要综合多源的数据，才能对它进行一个完整的比较全面的描述”，这也是杨必胜及其团队提出面向三维信息提取与建模的“广义点云”理论方法的初衷。
广义点云是指汇集激光扫描、摄影测量、众源采集等多源多平台空间数据，通过清洗、配准与集成，实现从多角度、视相关到全方位、视无关，建立以点云为基础，基准统一，且数据、结构、功能为一体的复合模型。要实现广义点云的可用性，杨必胜表示，首先是要将多源多平台的数据统一配准到一个时空框架之下，“这个点不管来自什么手段，必须把它的位置搞对。每个点的位置都搞对，那么整个产品的位置就是准的了，描述就是正确的，就奠定了数据的可用性、质量的可控”。下一步则是面对范围大小不一、目的不同的空间数据，要自动化、智能化地从中将目标地物的位置、形态、属性以三维的形式提取出来。完成上述步骤后，第三步则可根据应用端的不同需求，将信息组装起来，满足制图、三维建模等需要。当前，点云的应用正逐渐广泛和深入，杨必胜向我们举例，“现在最热的一个（应用）是做高清地图，高清地图这个事情当然首先就是能满足自动驾驶的需要，也可以满足智慧城市的需要，传统的二维地图满足不了需求，普遍的话都是用点云来做”。
同时，杨必胜强调了点云的统一数据处理的标准和规范，“我们就是希望能建立起一套统一的处理流程，能够对我们描述的场景，能够进行一个比较准确的表达、建模、计算”。杨必胜向我们解释，过去的测绘产品都有标准的规范和流程，点云作为一种新的时空数据，拥有自己的标准规范和流程也是立足实际的需求，“我跟一些测绘单位也聊过这个事情，他们希望能够知道用什么样的装备、扫描频率、密度、点位的精度控制在多少的时候，就能够满足需求。他们就希望有这么一套标准出来，这一套标准对于生产单位来说可以提高作业效率、降低成本”。杨必胜向我们表示，相关的团体标准正在推进之中，期望能从编码端（数据的源头端）来制订规则，指导行业来用好点云数据。目前，“广义点云”概念已经投入到上海市和武汉市的国家新型基础测绘建设试点城市相关实践中，并得到了反馈。
当问及目前推广点云数据所面临的挑战，杨必胜认为，难点之一在于终端用户对三维数据的接受，“现在有些单位用三维数据还不是很多，终端用户要接受这个事情，需要一个过程。当然因为有些单位的业务不需要用这种数据也能解决，或者用得比较少也能解决，也有这种可能。但是要进一步将业务做好，对立体的整体描绘就是需要的”。因此，杨必胜认为，突破点可能在于“从某个具体的小的应用上，把这个事情做得比较完美之后，可能才会逐步地渗透到其他方面”。
实景三维：打造时空基底
2022年2月24日，自然资源部发布《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工等。通知中表示，实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，是国家重要的新型基础设施，通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通，为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。
对此，杨必胜认为，“实景三维中国建设”从整体的角度上来说，是为了发挥时空信息重要的基础设施作用，这不仅是为了持续满足自然资源部自身的业务需求，更希望是能够用获取的三维时空信息，为各行各业提供的一个统一的时空参考，构建一种数字化的底图或底座。而在此之中，杨必胜及其团队服务于“实景三维中国建设”的核心任务，就是保证“提供的三维数字化的结果是正确的，位置是准的，属性是对的”，“位置是准确的就能够挂接各种各样的社会信息、经济信息、人类活动信息，就可以静态或动态地关联到数字空间中来，这是我认为最重要的一点，也是测绘的立身之本”。
对于推动“实景三维中国建设”的重点，杨必胜提到了学界对于确立规范和标准的呼吁，即在部门的层面推出一套规范化的流程，建立起一套标准体系、方法体系、理论体系，“首先从源头上，让大家在建设的时候有例可依，要达成一个共识”。而对于推进“实景三维中国建设”会遇到的难点，杨必胜表示，由于中国当前的环境变化很快，如何保证时空信息的现时性和准确性，这里就牵涉到实景三维数据的更新和采集等问题，“要不然你所提供的东西过时了，那么对于用户来说、对于国家来说，它就失去了价值”。此外，由于“实景三维中国建设”分为地形级、城市级和部件级等不同级别的数据精度，因此不同的用户、不同的地方可能会根据自身财力和需求，选择性地只做某一个级别的实景三维建设，“无法将所有的区域都做成部件级的，因为这里的成本很高”。
应用驱动：实用主义与产学研结合
对于点云的应用实践，杨必胜一贯主张“好用比好看更重要”，亦曾有访谈将杨必胜评价为“颇具实用主义色彩”。围绕着这些评价，杨必胜向我们进一步阐释了他的看法。
杨必胜表示，“好用比好看更重要”是基于自身经历的个人观点，它是对于三维建模的表现而言的，对三维数据进行计算与分析的目的应该是支撑决策。杨必胜认为，“你干了这件事情，它是要来帮助解决问题的。赏心悦目很重要，在解决问题的基础之上，如果再能赏心悦目，这个事情当然是最好的”。杨必胜举例，过去很长一段时间的数字城市、智慧城市项目，其中一块很重要的工作量就是为房屋的外观贴图，“贴上去很漂亮。但是实际上从实用的角度来说，从决策的角度来说，你会发现很多时候这些事情都不那么重要”。因此，在杨必胜看来，三维建模表现的质量和应用，应该是跟实际的需求相结合，“你要先保证能用，然后再做锦上添花的事情。做的事情只能看，那这个事情就失去了它应有的价值。能够让各行各业的人都来用，自然它的价值就体现出来了。如果不用，只是看一看，那就是个摆设。”
而对于实现满足实际需求的“好用”，杨必胜强调了学科与产业的结合。杨必胜表示，“需求不是想出来的，需求是需要通过实际调研发现的、分析出来的”。跟产业的结合，能够让学者知道实际的具体的需求和痛点在什么地方，这些需求和痛点可以为研究提供驱动力和抓手。而科研的成果也必须经过一个循环迭代的过程，“不是说实验室里做出来的东西马上就丢到一个单位去，它就能够用起来，不是这样的”。在实际使用中，人的交互和习惯等可以为科研成果的转化提供反馈，让学者会发现以前没有发现的问题，并因此形成良性的循环和迭代，“这就能够保证你所做的研究是有实际价值的，不管是在理论上还是在实际上都是有意义的”。杨必胜主张在产学研之间应该形成链条，“产业端关心的是到底好不好用，能不能解决实际问题，而学者必须把这背后的理论和基础提炼出共性，形成一种链条，高校做高校的事情，企业做企业的事情，两者之间有个结合。”最后，杨必胜将自己所在领域的研究概括为“应用驱动型”，“很多我们做的一些模型和方法，目的其实就是两点：提高生产效率、降低成本，就这两件事”。
未来展望：大众化与基础化
杨必胜在点云处理、空间智能、遥感与GIS应用等领域深耕多年，谈及学科未来的发展时，杨必胜认为有两个趋势：
一是三维信息采集的大众化。杨必胜认为，未来的传感器端会越来越便携，成本也会越来越低，因此公众的参与是不可逆转的趋势。未来借由手机等设备进行的三维信息采集很便捷，可以由公众参与采集和上传，而不仅仅是只能由专业人士完成。因此只要能够将获取的信息及时、快速地进行融合和利用，那样三维信息的现时性就能得到保证。
二是三维建模应用的基础化。杨必胜认为，随着三维建模应用的逐渐广泛深入，“三维会变得越来越基础，直到可能感觉不到它的存在”，“它可以走入到国家的各个层面、到我们的生产生活上”。而为了实现这个目标，杨必胜坦言尚需大量的积累和理论化的、基础性的工作。
此外，在问及目前在测绘遥感领域有什么值得期待的前沿技术时，杨必胜评论了AI技术的潜力。杨必胜认为，未来需要靠无人化的场景、无人化的系统，才可以提升处理的效率和智能化的程度，诸如无人化的作业、深地深海等未知区域的探索也都会依赖无人化系统。同时，随着我国经济发展方式向高质量发展的转变，与高质量发展密切相关的生态和社会环境在未来将成为遥感测绘领域的焦点（如环境变化、水质、空气质量、城市热效应等）。如何从更宏观的尺度研究人类活动对环境的影响，处理万物互联下产生的海量数据，并从中挖掘出规律，看出影响与关联，这些都一定是靠智能化的手段，因此“无人化系统加无人化操作，这就是对我们学科很大的一个变革”。
最后，谈及广东测绘事业的发展，杨必胜表示，广东测绘一直走在全国前列，随着大湾区的发展，广东测绘在生态环境、数字经济发展方面发挥着重要的作用，基础测绘和自然资源管理等方面也做得很好。广东自然资源基底复杂多样，各区域都有自己的特点，相信广东测绘未来在生态环境等方面能够更好地助力广东的高质量发展。
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