劉先林：中國航測儀要爭取站在世界測繪裝備制造C 位

◎ 徐 紅

問：您認為測繪儀器會往哪個方向發展？

答：手機。

問：“數字地球”在手機上能轉動起來嗎？

答：有辦法。

“要真正實現強國之夢，首先就要把科技搞上去?！薄罢l在創新上先行一步,誰就能擁有引領發展的主動權?！?/p>

還要當“運動員”、堅持在一線搞科研的中國工程院院士劉先林，這次要先人一步，跨界研究手機，他在琢磨讓智能手機變成測繪儀器，提高時空數據采集效率。已是耄耋之年的劉先林院士，思考的仍然是測繪裝備自主創新的科技前沿問題。

作為我國測繪科研一線的“大國工匠”、測繪遙感專家，劉先林院士用精益求精的工匠精神把測繪“量尺”做到極致，一次次將中國航空攝影測量儀器水平推到新的高度，一項項重大科研成果填補了多項國內空白，結束了中國先進測繪儀器全部依賴進口的歷史。他親歷了國產測繪儀器裝備從無到有到領先于世界的發展史，見證了我國測繪地理信息行業的快速發展。

2023 年5 月，全國測繪地理信息工作會議提出，面向高質量發展新要求，全面推進測繪地理信息事業轉型升級。8 月，自然資源部出臺《關于加快測繪地理信息事業轉型升級更好支撐高質量發展的意見》，強調要進一步增強自主創新能力，推進測繪地理信息技術與新一代信息技術的應用研究和深度融合，加快科技創新引領和重大工程的牽引，發揮企業作為技術創新的主體作用。

在這樣的背景下，第一屆中國測繪地理信息大會于2023 年11 月8 日 ～10 日在浙江德清召開。記者采訪了劉先林院士，請他談一談新時代我國測繪儀器裝備的發展趨勢和轉型升級，測繪型智能手機會給測繪地理信息行業帶來怎樣的革命性改變？

“手機在測繪地理信息領域的應用才剛剛開始”

“現在的智能手機功能越來越強大，簡直不可思議?！眲⑾攘衷菏扛锌謾C的迅猛發展。過去一臺衛星通訊手機體積大，要通過距地面3 萬公里外的海事衛星把信號轉過來才能實現衛星通訊。華為新推出的智能手機無需海事衛星“中轉”，即可實現在無人區、沒有通信信號的地方打電話。劉先林院士開始尋找手機與測繪儀器的結合點。

雖然已近85 歲高齡，但劉先林院士還是那樣的精神矍鑠，思維敏捷，記憶力超好，說話聲音不高，語速很快?！白鎳枰裁?，一線需要什么，我們就要研究什么?！睆膭倕⒓庸ぷ髌?，他就把這句話作為自己一生的追求，潛心研究國產航空攝影測繪儀器，主動扛起測繪儀器自主創新的重擔，一干就是60 多年。面對新時代新需求，測繪地理信息事業在加快轉型升級。

作為多個具有開創意義的國產測繪儀器研制者，劉先林院士緊跟國家需求，這一次他把研究轉移到新一代智能手機上。更確切地說，他要把手機變成智能化的測繪儀器，測量祖國的山川大河，繪就美麗中國，把數字地球“搬”回家。

“測繪儀器裝備要轉型升級，要向空天地一體化融合發展?！眲⑾攘衷菏空J定“手機太重要了”。隨著信息技術的發展，以前的一些測繪儀器現在都不用了。比如，過去的解析測圖儀、正射投影儀都進到博物館、測繪科技展廳里了。

應該說，那些凝聚著測繪科學家心血，打破國外測繪儀器在中國市場壟斷的“功勛”航攝儀是在以另外一種形式存在，那就是它在向參觀者講述我國測繪裝備的進步和科學家們科技報國的拳拳愛國之心，激勵后來者也要奮勇爭先，不斷開拓創新，用新時代的先進技術裝備賦能高質量發展。

我們處在“互聯網+”和“數字經濟”時代，通信界人士認為，處于ICT（信息通信技術）時代，基礎數據將被各行各業廣泛應用。那么，測繪地理信息時空大數據怎么和ICT 結合？怎么與Cyber（賽博空間，即虛實空間）相融合？新時代、新測繪、新發展，對測繪儀器提出了更高要求。

劉先林院士介紹，攝影測量經歷了三個發展階段 ：模擬攝影測量、解析攝影測量、數字攝影測量。如今，地理信息技術迎來一次大變革，測繪儀器要改變傳統 “三大件”，走向智能化測繪時代。智能手機的許多功能都可以為我們所用，比如AR（增強現實）功能，就可以助力新測繪。

劉先林院士非?？春弥悄苁謾C在測繪領域的發展。他說，手機上的存儲、通訊、AI 計算等功能越來越強大。地理信息工作者開發的手機AR，能將地理信息三維模型的矢量疊加在攝像頭視場上，這是虛實結合的典型應用。這樣的手機可以用來升級許多過去的應用。例如實體導航、網格員、一機辦事通、一機瀏覽通等，這將是未來新型地理信息產品面向大眾消費者提供服務最重要的、很可能是唯一的手段。此外，手機AR 技術還可用于三維測繪成果的實地檢查、工程測量等行業應用，可極大地提高工作效率。

特別是高速發展的智能手機集成了移動測量所需的全部傳感器，如雙頻GNSS（全球衛星導航系統）接收機、各種攝像頭、激光、陀螺、羅盤、深度相機、里程計（計步器）等?？梢哉f，無所不包，功能強大。比如手機定位，它不是一般的接收機，而是一個雙頻定位接收機。在測繪儀器里，一個雙頻接收機很貴。手機的照相功能與專業的單反相機相比，性能一點不差。事實上，手機的存儲功能、計算功能（CPU + GPU）、通信功能都愈發強大，可以為測繪所用。

手機GPU 具備了很好的圖像處理能力，只是如果計算量大，用的時間長，手機就會發燙，這是普遍現象。偶然間，團隊在做實體導航的研究中，用到了YOLO 算法，發現它可以不用像人工智能那樣需要幾百個、上千個，或者幾萬個樣本數據來支持一些分析，只要讓軟件“看一次”就夠了，計算量大大減少，手機GPS 運行時間也就減少了，問題不就解決了嘛。

劉先林院士和團隊把這種降溫方法用到手機上，經過改造和匹配，解決了手機發熱問題。目前，這一“降溫技術”他們還在測試中?！霸俚葌€把星期會看到一些成果出來?！?/p>

那么，將來的“手機測繪儀”會發展成什么樣呢？劉先林院士說，研究小組正在利用手機照相功能做高精度、高時頻、高時間特性的變形監測，每隔15 秒監測一次地表或水庫大壩，實現毫米級動態監測，目前其他設備還做不到這一點?！安痪?，以手機為核心的測繪儀器設計思路就會出來。手機在測繪領域的應用才剛剛開始?！?/p>

那么，測繪地理信息大數據將來能不能在手機端運轉起來？劉先林院士說，這個問題解釋起來有點專業。數據源無非就是處理圖像數據，測繪數據包括定位數據、GNSS導航數據，但這個數據量很小，小到只有幾個字節?？墒菙祿杉@取到的圖像圖片是以TIFF 格式存儲的，數據量大到1 秒鐘能拍攝30 幀畫面，并且大多數圖片都是3K×4K，或5K×6K 大小的高清圖。而TIFF 文件里又分各種RGB（色彩）模式，信息量非常大，要把這么大的數據量從幾百公里外的衛星、飛機上傳下來都是很難的。怎么辦呢？剛才說過，目前GPU 對圖像處理的效率是最高的，只是需要對該模塊進行降溫處理。

此外，通過只提取數據中的變化量技術，比如停泊的航母是否移動了，道路上哪個地方出現擁堵了，山體是否有位移等這些動態信息數據，只要把變化量的數據留下存儲，通過手機通信功能把變化數據發送到服務器端或者云端處理，一個服務器可以同時處理很多部手機。所以，也就不存在地理信息數據量大，手機運轉不了的問題。

“手機、無人機、超低軌衛星，都是未來發展的重大機遇?！眲⑾攘衷菏靠春玫倪@3 個方向，他自己也在探索研究中。

“‘超低軌衛星 + 手機’是我現在最關注的一個技術裝備”

航空航天測繪是天空地一體化融合測繪中比較重要的一部分，是利用航空器或航天器獲取影像，通過測量和數據分析來獲取地球表面的地理信息。如自然資源管理、土地規劃、工程測量等領域的應用。

劉先林院士介紹說，航空航天測繪數據獲取，主要是通過衛星遙感和航空攝影方式。衛星遙感測繪，就是衛星攜帶的傳感器從太空中獲取地球表面的圖像和數據，具有廣覆蓋、全天時、高分辨率等特點。

測繪衛星的軌道大致有三類，第一類是距離地面500 千米高度的衛星。像高分五號、七號都屬于這類衛星，地面分辨率為0.5 米。第二類是距離地面300 千米的空間站，其實也可以由航天員攜帶傳感器對地面進行拍照獲取地表圖像和數據。第三類是距離地面100 千米的超低軌衛星，它可以取代目前部分航空測量工作。相當于在100 千米處與航空攝影融合了。所以，超低軌衛星有很好的應用前景。

航空攝影測量，就是通過飛機或直升機攜帶相機，在一定高度上對地面進行拍攝。相比衛星來說，航空攝影的優點是分辨率高，能獲得較為詳細的地面圖像。同時，航空攝影可以采集高程數據，通過獲取地面特征的立體像對形成數字高程模型。所以，現在的航空攝影主要做實景三維測量。

航空攝影使用的飛機有固定翼飛機、直升機和無人機。目前，大部分固定翼飛機是在3000 米高度飛行，實景三維數據采集的飛行高度在600 米左右。同時，也利用直升機、無人機進行三維數據采集。全國從事地理信息類的無人機工廠不下幾百個，可以說有點泛濫。

我國正在加快數字中國建設，自然資源部也在全面推進加快實景三維中國建設。實景三維是對一定空間范圍內人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化表達的數字空間，是新型基礎測繪的標準化產品，是重要的國家新型基礎設施。

劉先林強調，實景三維數據采集時，不要盲目飛1 厘米或2 厘米精度的影像，否則會造成成本高，效率低。實際上5 厘米的精度就可以，用GSD（地面分辨率）疊拼，就可以讓飛機飛得高一些，視野看得就更寬，數據后處理效率也會提高。而現在市場上，為了提高精度，往往采用1 厘米精度的影像，飛下來數據量更大，后處理只得以大量使用服務器來完成。配備幾個機房和上百臺服務器，再加上一些盜版軟件，這樣的做法不可取，也不科學。目前，國內“飛行+后處理”一體機方案已經徹底解決了多片機、斜片機的后處理問題，這也是在我們“強推”下實現的。

再有就是超低軌衛星測量，就是軌道高度在距離地球表面100 公里的衛星。據測算，超低軌衛星具有超高價值，因軌道高度降低，對地“遙感”變為“近端”而獲得更低的成本和更高的觀測分辨率、更短的傳輸時延等，可以實現同等分辨率下光學載荷重量、成本降低50%，合成孔徑雷達（SAR）載荷重量、成本均降低40%。在2023 年7月召開的第九屆中國（國際）商業航天高峰論壇上，中國航天科工空間工程總體部宣布，將正式啟動超低軌通信、遙感一體星座建設。

劉先林院士表示，將來超低軌衛星帶上去的相機就是一臺手機，直接用手機上的照相機加一個長焦鏡頭對地面進行拍照，感知地表變化，實現空間和航空的高度融合。所以，手機在測繪行業的應用僅是一個開始，而通遙一體的超低軌衛星非常有前景，值得期待?！斑@是一個被寄予很大希望的增長點，也是我現在最關注的一個技術裝備?！?/p>

“我國的航空攝影測繪設備在國際上幾乎是領先的”

問：“目前我國測繪儀器在國際上處于什么樣的地位？”

答：“幾乎是領先狀態?！?/p>

劉先林院士回答得很干脆。應該說，這份自信來自于科學家們多年扎根一線，只為測繪裝備“中國造”的持續創新，來自于我國測繪科技工作者以科技報國、不斷追求卓越的一份堅守。

從第一臺國產解析測圖儀、數字攝影測量工作站、第一臺國產數字航空攝影儀、國產車載激光建模測量系統，到現在空中大航攝儀、地面掃描車，以及背包類輕掃系統、大一鍵數據處理系統……如今，從空中到地面，從地上到地下，從室外到室內，我國多維度的測繪儀器裝備已經走在世界前列。

在第一屆中國測繪地理信息技術與北斗應用博覽會上，國產測繪儀器和裝備可謂獨領風騷。衛星接收機、測量機器人、RTK、激光雷達、無人機、四足機器人……全鏈條裝備全部實現了國產。

“我常說，不當裁判員，可以當運動員，上次我就‘運動’了一次?！眲⑾攘衷菏克f的“運動了一次”，是指他以第一完成人身份在評審會上答辯的那一次。2022年，測繪科技獎終評會上，他代表團隊上臺答辯，接受專家質詢。最后，他們研發的SWDC-6 數字航空攝影儀榮獲了測繪科技獎特等獎。他在答辯時說，過幾年還要來當“運動員”而不當裁判員。這意味著他仍然初心不改，在測繪裝備技術研發這條路上繼續拼搏。就如他身邊的人評價他，“劉院士認準的事就會一直做下去，從不言棄”。

劉先林院士自豪地說，我國在固定翼大飛機城市mesh 模型（實景三維模型）建立，包括飛行和后處理方面均處于全球領先地位，研制的SWDC 系列數字航空攝影儀，完全取代了過去的膠片機，相機性能超過了國際前三大品牌的同類產品，取代了進口設備，還統領了國內市場，國外三大品牌的同類相機在中國沒了市場。

據介紹，美國一家公司僅生產了20 臺套這樣的傾斜攝影儀，還未等到批量上市，其專利就過期了。我國一家公司曾花費50 萬美元購入其中一臺，由于設備性能達不到預期，原價退貨了。另一家國際著名品牌的同類相機產品，雖然售價高達1700 萬～2000 萬元，在我國優質的產品性能面前，也“擱淺”了。

“就目前而言，可以說SWDC-6是全球飛行效率最高的一款航攝儀，與上一代產品相比，飛行效率提高了40%到50%?！眲⑾攘衷菏颗e例說，用這款相機在鄭州飛GSD3 厘米精度、面積為50 平方千米的區域，僅用時3 個小時，若采用性能更好的飛機來飛，一個架次可以飛120 平方千米區域。

劉先林院士驕傲而自豪地表示，我國航空攝影測繪設備在國際上幾乎都是領先的，我國的固定翼傾斜航空攝影（斜片機）飛行，無論在硬件和軟件方面也都處于國際領先水平。同時，在中小城市特別是縣級用無人機斜片飛行方面，其總量也是領先的，估計可以占到全球斜片飛行作業的80%。數據顯示，全國固定翼斜片飛行加上無人機飛行的總經費高達上千億元人民幣，未來還會有千億級的市場規模，應該也是全球第一。

在軟件方面，早期的mesh 模型建模軟件，基本上都是國外的。近期，國內開發的一體機（CPU + GPU私有云）在效率和精度方面大幅超過了國外軟件。

說起還有哪些瓶頸和不足，劉先林院士坦言，測繪地理信息生產有三大塊：大地測量、航空攝影測量、地圖制圖。在大地測量方面，我們有中國的北斗；在航測方面，我們有自主的航空攝影儀、后處理軟件?！拔í氃诘貓D制圖（地理信息GIS 系統）方面，目前還沒有一個自己像樣的數據庫系統?！?/p>

劉先林院士呼吁，測繪地理信息整個行業在轉型升級，今后一定要以新測繪新成果來服務各行各業，迎合AI（人工智能）時代的需求，迎合國家需求和社會需求，不能再用非測繪型相機、無人機來做實體三維測量?；凇癉SM + DOM”的三維模型不應該再被稱為實景三維。斜片飛行所生產的實景三維，必須要提高效率、提高精度、最后結構化。因為，將來新測繪要服務于導航，服務于自動駕駛，支持動態監測。

在行業轉型升級的大背景下，測繪地理信息發展的新藍圖已經繪就，新征程擊鼓催征。新時期新機遇、新測繪新發展，為保持國產航測儀持久站在世界測繪裝備制造的C 位，劉先林院士帶領研究團隊一刻不停地為此努力著。就在此次采訪前，他還在和研發小組人員一起討論大壩監測中手機應用問題。幾天后，他們將前往現場，對新研發的測繪儀器產品做進一步的核實驗證。