刘先林：中国航测仪要争取站在世界测绘装备制造C 位

◎ 徐 红

问：您认为测绘仪器会往哪个方向发展？

答：手机。

问：“数字地球”在手机上能转动起来吗？

答：有办法。

“要真正实现强国之梦，首先就要把科技搞上去。”“谁在创新上先行一步,谁就能拥有引领发展的主动权。”

还要当“运动员”、坚持在一线搞科研的中国工程院院士刘先林，这次要先人一步，跨界研究手机，他在琢磨让智能手机变成测绘仪器，提高时空数据采集效率。已是耄耋之年的刘先林院士，思考的仍然是测绘装备自主创新的科技前沿问题。

作为我国测绘科研一线的“大国工匠”、测绘遥感专家，刘先林院士用精益求精的工匠精神把测绘“量尺”做到极致，一次次将中国航空摄影测量仪器水平推到新的高度，一项项重大科研成果填补了多项国内空白，结束了中国先进测绘仪器全部依赖进口的历史。他亲历了国产测绘仪器装备从无到有到领先于世界的发展史，见证了我国测绘地理信息行业的快速发展。

2023 年5 月，全国测绘地理信息工作会议提出，面向高质量发展新要求，全面推进测绘地理信息事业转型升级。8 月，自然资源部出台《关于加快测绘地理信息事业转型升级更好支撑高质量发展的意见》，强调要进一步增强自主创新能力，推进测绘地理信息技术与新一代信息技术的应用研究和深度融合，加快科技创新引领和重大工程的牵引，发挥企业作为技术创新的主体作用。

在这样的背景下，第一届中国测绘地理信息大会于2023 年11 月8 日 ～10 日在浙江德清召开。记者采访了刘先林院士，请他谈一谈新时代我国测绘仪器装备的发展趋势和转型升级，测绘型智能手机会给测绘地理信息行业带来怎样的革命性改变？

“手机在测绘地理信息领域的应用才刚刚开始”

“现在的智能手机功能越来越强大，简直不可思议。”刘先林院士感慨手机的迅猛发展。过去一台卫星通讯手机体积大，要通过距地面3 万公里外的海事卫星把信号转过来才能实现卫星通讯。华为新推出的智能手机无需海事卫星“中转”，即可实现在无人区、没有通信信号的地方打电话。刘先林院士开始寻找手机与测绘仪器的结合点。

虽然已近85 岁高龄，但刘先林院士还是那样的精神矍铄，思维敏捷，记忆力超好，说话声音不高，语速很快。“祖国需要什么，一线需要什么，我们就要研究什么。”从刚参加工作起，他就把这句话作为自己一生的追求，潜心研究国产航空摄影测绘仪器，主动扛起测绘仪器自主创新的重担，一干就是60 多年。面对新时代新需求，测绘地理信息事业在加快转型升级。

作为多个具有开创意义的国产测绘仪器研制者，刘先林院士紧跟国家需求，这一次他把研究转移到新一代智能手机上。更确切地说，他要把手机变成智能化的测绘仪器，测量祖国的山川大河，绘就美丽中国，把数字地球“搬”回家。

“测绘仪器装备要转型升级，要向空天地一体化融合发展。”刘先林院士认定“手机太重要了”。随着信息技术的发展，以前的一些测绘仪器现在都不用了。比如，过去的解析测图仪、正射投影仪都进到博物馆、测绘科技展厅里了。

应该说，那些凝聚着测绘科学家心血，打破国外测绘仪器在中国市场垄断的“功勋”航摄仪是在以另外一种形式存在，那就是它在向参观者讲述我国测绘装备的进步和科学家们科技报国的拳拳爱国之心，激励后来者也要奋勇争先，不断开拓创新，用新时代的先进技术装备赋能高质量发展。

我们处在“互联网+”和“数字经济”时代，通信界人士认为，处于ICT（信息通信技术）时代，基础数据将被各行各业广泛应用。那么，测绘地理信息时空大数据怎么和ICT 结合？怎么与Cyber（赛博空间，即虚实空间）相融合？新时代、新测绘、新发展，对测绘仪器提出了更高要求。

刘先林院士介绍，摄影测量经历了三个发展阶段 ：模拟摄影测量、解析摄影测量、数字摄影测量。如今，地理信息技术迎来一次大变革，测绘仪器要改变传统 “三大件”，走向智能化测绘时代。智能手机的许多功能都可以为我们所用，比如AR（增强现实）功能，就可以助力新测绘。

刘先林院士非常看好智能手机在测绘领域的发展。他说，手机上的存储、通讯、AI 计算等功能越来越强大。地理信息工作者开发的手机AR，能将地理信息三维模型的矢量叠加在摄像头视场上，这是虚实结合的典型应用。这样的手机可以用来升级许多过去的应用。例如实体导航、网格员、一机办事通、一机浏览通等，这将是未来新型地理信息产品面向大众消费者提供服务最重要的、很可能是唯一的手段。此外，手机AR 技术还可用于三维测绘成果的实地检查、工程测量等行业应用，可极大地提高工作效率。

特别是高速发展的智能手机集成了移动测量所需的全部传感器，如双频GNSS（全球卫星导航系统）接收机、各种摄像头、激光、陀螺、罗盘、深度相机、里程计（计步器）等。可以说，无所不包，功能强大。比如手机定位，它不是一般的接收机，而是一个双频定位接收机。在测绘仪器里，一个双频接收机很贵。手机的照相功能与专业的单反相机相比，性能一点不差。事实上，手机的存储功能、计算功能（CPU + GPU）、通信功能都愈发强大，可以为测绘所用。

手机GPU 具备了很好的图像处理能力，只是如果计算量大，用的时间长，手机就会发烫，这是普遍现象。偶然间，团队在做实体导航的研究中，用到了YOLO 算法，发现它可以不用像人工智能那样需要几百个、上千个，或者几万个样本数据来支持一些分析，只要让软件“看一次”就够了，计算量大大减少，手机GPS 运行时间也就减少了，问题不就解决了嘛。

刘先林院士和团队把这种降温方法用到手机上，经过改造和匹配，解决了手机发热问题。目前，这一“降温技术”他们还在测试中。“再等个把星期会看到一些成果出来。”

那么，将来的“手机测绘仪”会发展成什么样呢？刘先林院士说，研究小组正在利用手机照相功能做高精度、高时频、高时间特性的变形监测，每隔15 秒监测一次地表或水库大坝，实现毫米级动态监测，目前其他设备还做不到这一点。“不久，以手机为核心的测绘仪器设计思路就会出来。手机在测绘领域的应用才刚刚开始。”

那么，测绘地理信息大数据将来能不能在手机端运转起来？刘先林院士说，这个问题解释起来有点专业。数据源无非就是处理图像数据，测绘数据包括定位数据、GNSS导航数据，但这个数据量很小，小到只有几个字节。可是数据采集获取到的图像图片是以TIFF 格式存储的，数据量大到1 秒钟能拍摄30 帧画面，并且大多数图片都是3K×4K，或5K×6K 大小的高清图。而TIFF 文件里又分各种RGB（色彩）模式，信息量非常大，要把这么大的数据量从几百公里外的卫星、飞机上传下来都是很难的。怎么办呢？刚才说过，目前GPU 对图像处理的效率是最高的，只是需要对该模块进行降温处理。

此外，通过只提取数据中的变化量技术，比如停泊的航母是否移动了，道路上哪个地方出现拥堵了，山体是否有位移等这些动态信息数据，只要把变化量的数据留下存储，通过手机通信功能把变化数据发送到服务器端或者云端处理，一个服务器可以同时处理很多部手机。所以，也就不存在地理信息数据量大，手机运转不了的问题。

“手机、无人机、超低轨卫星，都是未来发展的重大机遇。”刘先林院士看好的这3 个方向，他自己也在探索研究中。

“‘超低轨卫星 + 手机’是我现在最关注的一个技术装备”

航空航天测绘是天空地一体化融合测绘中比较重要的一部分，是利用航空器或航天器获取影像，通过测量和数据分析来获取地球表面的地理信息。如自然资源管理、土地规划、工程测量等领域的应用。

刘先林院士介绍说，航空航天测绘数据获取，主要是通过卫星遥感和航空摄影方式。卫星遥感测绘，就是卫星携带的传感器从太空中获取地球表面的图像和数据，具有广覆盖、全天时、高分辨率等特点。

测绘卫星的轨道大致有三类，第一类是距离地面500 千米高度的卫星。像高分五号、七号都属于这类卫星，地面分辨率为0.5 米。第二类是距离地面300 千米的空间站，其实也可以由航天员携带传感器对地面进行拍照获取地表图像和数据。第三类是距离地面100 千米的超低轨卫星，它可以取代目前部分航空测量工作。相当于在100 千米处与航空摄影融合了。所以，超低轨卫星有很好的应用前景。

航空摄影测量，就是通过飞机或直升机携带相机，在一定高度上对地面进行拍摄。相比卫星来说，航空摄影的优点是分辨率高，能获得较为详细的地面图像。同时，航空摄影可以采集高程数据，通过获取地面特征的立体像对形成数字高程模型。所以，现在的航空摄影主要做实景三维测量。

航空摄影使用的飞机有固定翼飞机、直升机和无人机。目前，大部分固定翼飞机是在3000 米高度飞行，实景三维数据采集的飞行高度在600 米左右。同时，也利用直升机、无人机进行三维数据采集。全国从事地理信息类的无人机工厂不下几百个，可以说有点泛滥。

我国正在加快数字中国建设，自然资源部也在全面推进加快实景三维中国建设。实景三维是对一定空间范围内人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化表达的数字空间，是新型基础测绘的标准化产品，是重要的国家新型基础设施。

刘先林强调，实景三维数据采集时，不要盲目飞1 厘米或2 厘米精度的影像，否则会造成成本高，效率低。实际上5 厘米的精度就可以，用GSD（地面分辨率）叠拼，就可以让飞机飞得高一些，视野看得就更宽，数据后处理效率也会提高。而现在市场上，为了提高精度，往往采用1 厘米精度的影像，飞下来数据量更大，后处理只得以大量使用服务器来完成。配备几个机房和上百台服务器，再加上一些盗版软件，这样的做法不可取，也不科学。目前，国内“飞行+后处理”一体机方案已经彻底解决了多片机、斜片机的后处理问题，这也是在我们“强推”下实现的。

再有就是超低轨卫星测量，就是轨道高度在距离地球表面100 公里的卫星。据测算，超低轨卫星具有超高价值，因轨道高度降低，对地“遥感”变为“近端”而获得更低的成本和更高的观测分辨率、更短的传输时延等，可以实现同等分辨率下光学载荷重量、成本降低50%，合成孔径雷达（SAR）载荷重量、成本均降低40%。在2023 年7月召开的第九届中国（国际）商业航天高峰论坛上，中国航天科工空间工程总体部宣布，将正式启动超低轨通信、遥感一体星座建设。

刘先林院士表示，将来超低轨卫星带上去的相机就是一台手机，直接用手机上的照相机加一个长焦镜头对地面进行拍照，感知地表变化，实现空间和航空的高度融合。所以，手机在测绘行业的应用仅是一个开始，而通遥一体的超低轨卫星非常有前景，值得期待。“这是一个被寄予很大希望的增长点，也是我现在最关注的一个技术装备。”

“我国的航空摄影测绘设备在国际上几乎是领先的”

问：“目前我国测绘仪器在国际上处于什么样的地位？”

答：“几乎是领先状态。”

刘先林院士回答得很干脆。应该说，这份自信来自于科学家们多年扎根一线，只为测绘装备“中国造”的持续创新，来自于我国测绘科技工作者以科技报国、不断追求卓越的一份坚守。

从第一台国产解析测图仪、数字摄影测量工作站、第一台国产数字航空摄影仪、国产车载激光建模测量系统，到现在空中大航摄仪、地面扫描车，以及背包类轻扫系统、大一键数据处理系统……如今，从空中到地面，从地上到地下，从室外到室内，我国多维度的测绘仪器装备已经走在世界前列。

在第一届中国测绘地理信息技术与北斗应用博览会上，国产测绘仪器和装备可谓独领风骚。卫星接收机、测量机器人、RTK、激光雷达、无人机、四足机器人……全链条装备全部实现了国产。

“我常说，不当裁判员，可以当运动员，上次我就‘运动’了一次。”刘先林院士所说的“运动了一次”，是指他以第一完成人身份在评审会上答辩的那一次。2022年，测绘科技奖终评会上，他代表团队上台答辩，接受专家质询。最后，他们研发的SWDC-6 数字航空摄影仪荣获了测绘科技奖特等奖。他在答辩时说，过几年还要来当“运动员”而不当裁判员。这意味着他仍然初心不改，在测绘装备技术研发这条路上继续拼搏。就如他身边的人评价他，“刘院士认准的事就会一直做下去，从不言弃”。

刘先林院士自豪地说，我国在固定翼大飞机城市mesh 模型（实景三维模型）建立，包括飞行和后处理方面均处于全球领先地位，研制的SWDC 系列数字航空摄影仪，完全取代了过去的胶片机，相机性能超过了国际前三大品牌的同类产品，取代了进口设备，还统领了国内市场，国外三大品牌的同类相机在中国没了市场。

据介绍，美国一家公司仅生产了20 台套这样的倾斜摄影仪，还未等到批量上市，其专利就过期了。我国一家公司曾花费50 万美元购入其中一台，由于设备性能达不到预期，原价退货了。另一家国际著名品牌的同类相机产品，虽然售价高达1700 万～2000 万元，在我国优质的产品性能面前，也“搁浅”了。

“就目前而言，可以说SWDC-6是全球飞行效率最高的一款航摄仪，与上一代产品相比，飞行效率提高了40%到50%。”刘先林院士举例说，用这款相机在郑州飞GSD3 厘米精度、面积为50 平方千米的区域，仅用时3 个小时，若采用性能更好的飞机来飞，一个架次可以飞120 平方千米区域。

刘先林院士骄傲而自豪地表示，我国航空摄影测绘设备在国际上几乎都是领先的，我国的固定翼倾斜航空摄影（斜片机）飞行，无论在硬件和软件方面也都处于国际领先水平。同时，在中小城市特别是县级用无人机斜片飞行方面，其总量也是领先的，估计可以占到全球斜片飞行作业的80%。数据显示，全国固定翼斜片飞行加上无人机飞行的总经费高达上千亿元人民币，未来还会有千亿级的市场规模，应该也是全球第一。

在软件方面，早期的mesh 模型建模软件，基本上都是国外的。近期，国内开发的一体机（CPU + GPU私有云）在效率和精度方面大幅超过了国外软件。

说起还有哪些瓶颈和不足，刘先林院士坦言，测绘地理信息生产有三大块：大地测量、航空摄影测量、地图制图。在大地测量方面，我们有中国的北斗；在航测方面，我们有自主的航空摄影仪、后处理软件。“唯独在地图制图（地理信息GIS 系统）方面，目前还没有一个自己像样的数据库系统。”

刘先林院士呼吁，测绘地理信息整个行业在转型升级，今后一定要以新测绘新成果来服务各行各业，迎合AI（人工智能）时代的需求，迎合国家需求和社会需求，不能再用非测绘型相机、无人机来做实体三维测量。基于“DSM + DOM”的三维模型不应该再被称为实景三维。斜片飞行所生产的实景三维，必须要提高效率、提高精度、最后结构化。因为，将来新测绘要服务于导航，服务于自动驾驶，支持动态监测。

在行业转型升级的大背景下，测绘地理信息发展的新蓝图已经绘就，新征程击鼓催征。新时期新机遇、新测绘新发展，为保持国产航测仪持久站在世界测绘装备制造的C 位，刘先林院士带领研究团队一刻不停地为此努力着。就在此次采访前，他还在和研发小组人员一起讨论大坝监测中手机应用问题。几天后，他们将前往现场，对新研发的测绘仪器产品做进一步的核实验证。