◎ 徐 紅

問：您認(rèn)為測繪儀器會往哪個方向發(fā)展？

答：手機。

問：“數(shù)字地球”在手機上能轉(zhuǎn)動起來嗎？

答：有辦法。

“要真正實現(xiàn)強國之夢，首先就要把科技搞上去?！薄罢l在創(chuàng)新上先行一步,誰就能擁有引領(lǐng)發(fā)展的主動權(quán)。”

還要當(dāng)“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(shù)據(jù)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(chuàng)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(nèi)空白，結(jié)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(chǎn)測繪儀器裝備從無到有到領(lǐng)先于世界的發(fā)展史，見證了我國測繪地理信息行業(yè)的快速發(fā)展。

2023 年5 月，全國測繪地理信息工作會議提出，面向高質(zhì)量發(fā)展新要求，全面推進測繪地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型升級。8 月，自然資源部出臺《關(guān)于加快測繪地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型升級更好支撐高質(zhì)量發(fā)展的意見》，強調(diào)要進一步增強自主創(chuàng)新能力，推進測繪地理信息技術(shù)與新一代信息技術(shù)的應(yīng)用研究和深度融合，加快科技創(chuàng)新引領(lǐng)和重大工程的牽引，發(fā)揮企業(yè)作為技術(shù)創(chuàng)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(fā)展趨勢和轉(zhuǎn)型升級，測繪型智能手機會給測繪地理信息行業(yè)帶來怎樣的革命性改變？

“手機在測繪地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開始”

“現(xiàn)在的智能手機功能越來越強大，簡直不可思議。”劉先林院士感慨手機的迅猛發(fā)展。過去一臺衛(wèi)星通訊手機體積大，要通過距地面3 萬公里外的海事衛(wèi)星把信號轉(zhuǎn)過來才能實現(xiàn)衛(wèi)星通訊。華為新推出的智能手機無需海事衛(wèi)星“中轉(zhuǎn)”，即可實現(xiàn)在無人區(qū)、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(jié)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。”從剛參加工作起，他就把這句話作為自己一生的追求，潛心研究國產(chǎn)航空攝影測繪儀器，主動扛起測繪儀器自主創(chuàng)新的重?fù)?dān)，一干就是60 多年。面對新時代新需求，測繪地理信息事業(yè)在加快轉(zhuǎn)型升級。

作為多個具有開創(chuàng)意義的國產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)字地球“搬”回家。

“測繪儀器裝備要轉(zhuǎn)型升級，要向空天地一體化融合發(fā)展?！眲⑾攘衷菏空J(rèn)定“手機太重要了”。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以前的一些測繪儀器現(xiàn)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(yīng)該說，那些凝聚著測繪科學(xué)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(xué)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(chuàng)新，用新時代的先進技術(shù)裝備賦能高質(zhì)量發(fā)展。

我們處在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“數(shù)字經(jīng)濟”時代，通信界人士認(rèn)為，處于ICT（信息通信技術(shù)）時代，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將被各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。那么，測繪地理信息時空大數(shù)據(jù)怎么和ICT 結(jié)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(fā)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(jīng)歷了三個發(fā)展階段 ：模擬攝影測量、解析攝影測量、數(shù)字?jǐn)z影測量。如今，地理信息技術(shù)迎來一次大變革，測繪儀器要改變傳統(tǒng) “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(xiàn)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(lǐng)域的發(fā)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(fā)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(jié)合的典型應(yīng)用。這樣的手機可以用來升級許多過去的應(yīng)用。例如實體導(dǎo)航、網(wǎng)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(chǎn)品面向大眾消費者提供服務(wù)最重要的、很可能是唯一的手段。此外，手機AR 技術(shù)還可用于三維測繪成果的實地檢查、工程測量等行業(yè)應(yīng)用，可極大地提高工作效率。

特別是高速發(fā)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）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(yè)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(fā)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(fā)燙，這是普遍現(xiàn)象。偶然間，團隊在做實體導(dǎo)航的研究中，用到了YOLO 算法，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jīng)過改造和匹配，解決了手機發(fā)熱問題。目前，這一“降溫技術(shù)”他們還在測試中。“再等個把星期會看到一些成果出來。”

那么，將來的“手機測繪儀”會發(fā)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(jiān)測，每隔15 秒監(jiān)測一次地表或水庫大壩，實現(xiàn)毫米級動態(tài)監(jiān)測，目前其他設(shè)備還做不到這一點?！安痪茫允謾C為核心的測繪儀器設(shè)計思路就會出來。手機在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開始?！?/p>

那么，測繪地理信息大數(shù)據(jù)將來能不能在手機端運轉(zhuǎn)起來？劉先林院士說，這個問題解釋起來有點專業(yè)。數(shù)據(jù)源無非就是處理圖像數(shù)據(jù)，測繪數(shù)據(jù)包括定位數(shù)據(jù)、GNSS導(dǎo)航數(shù)據(jù)，但這個數(shù)據(jù)量很小，小到只有幾個字節(jié)?？墒菙?shù)據(jù)采集獲取到的圖像圖片是以TIFF 格式存儲的，數(shù)據(jù)量大到1 秒鐘能拍攝30 幀畫面，并且大多數(shù)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(shù)據(jù)量從幾百公里外的衛(wèi)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(shù)據(jù)中的變化量技術(shù)，比如停泊的航母是否移動了，道路上哪個地方出現(xiàn)擁堵了，山體是否有位移等這些動態(tài)信息數(shù)據(jù)，只要把變化量的數(shù)據(jù)留下存儲，通過手機通信功能把變化數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端或者云端處理，一個服務(wù)器可以同時處理很多部手機。所以，也就不存在地理信息數(shù)據(jù)量大，手機運轉(zhuǎn)不了的問題。

“手機、無人機、超低軌衛(wèi)星，都是未來發(fā)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(wèi)星 + 手機’是我現(xiàn)在最關(guān)注的一個技術(shù)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(shù)據(jù)分析來獲取地球表面的地理信息。如自然資源管理、土地規(guī)劃、工程測量等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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

測繪衛(wèi)星的軌道大致有三類，第一類是距離地面500 千米高度的衛(wèi)星。像高分五號、七號都屬于這類衛(wèi)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(shù)據(jù)。第三類是距離地面100 千米的超低軌衛(wèi)星，它可以取代目前部分航空測量工作。相當(dāng)于在100 千米處與航空攝影融合了。所以，超低軌衛(wèi)星有很好的應(yīng)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(wèi)星來說，航空攝影的優(yōu)點是分辨率高，能獲得較為詳細(xì)的地面圖像。同時，航空攝影可以采集高程數(shù)據(jù)，通過獲取地面特征的立體像對形成數(shù)字高程模型。所以，現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字中國建設(shè)，自然資源部也在全面推進加快實景三維中國建設(shè)。實景三維是對一定空間范圍內(nèi)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化表達(dá)的數(shù)字空間，是新型基礎(chǔ)測繪的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是重要的國家新型基礎(chǔ)設(shè)施。

劉先林強調(diào)，實景三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后處理效率也會提高。而現(xiàn)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(shù)據(jù)量更大，后處理只得以大量使用服務(wù)器來完成。配備幾個機房和上百臺服務(wù)器，再加上一些盜版軟件，這樣的做法不可取，也不科學(xué)。目前，國內(nèi)“飛行+后處理”一體機方案已經(jīng)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(xiàn)的。

再有就是超低軌衛(wèi)星測量，就是軌道高度在距離地球表面100 公里的衛(wèi)星。據(jù)測算，超低軌衛(wèi)星具有超高價值，因軌道高度降低，對地“遙感”變?yōu)椤敖恕倍@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(xiàn)同等分辨率下光學(xué)載荷重量、成本降低50%，合成孔徑雷達(dá)（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(yè)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(shè)。

劉先林院士表示，將來超低軌衛(wèi)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(xiàn)空間和航空的高度融合。所以，手機在測繪行業(yè)的應(yīng)用僅是一個開始，而通遙一體的超低軌衛(wèi)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(xiàn)在最關(guān)注的一個技術(shù)裝備?！?/p>

“我國的航空攝影測繪設(shè)備在國際上幾乎是領(lǐng)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(lǐng)先狀態(tài)?！?/p>

劉先林院士回答得很干脆。應(yīng)該說，這份自信來自于科學(xué)家們多年扎根一線，只為測繪裝備“中國造”的持續(xù)創(chuàng)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(chǎn)解析測圖儀、數(shù)字?jǐn)z影測量工作站、第一臺國產(chǎn)數(shù)字航空攝影儀、國產(chǎn)車載激光建模測量系統(tǒng)，到現(xiàn)在空中大航攝儀、地面掃描車，以及背包類輕掃系統(tǒng)、大一鍵數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)……如今，從空中到地面，從地上到地下，從室外到室內(nèi)，我國多維度的測繪儀器裝備已經(jīng)走在世界前列。

在第一屆中國測繪地理信息技術(shù)與北斗應(yīng)用博覽會上，國產(chǎn)測繪儀器和裝備可謂獨領(lǐng)風(fēng)騷。衛(wèi)星接收機、測量機器人、RTK、激光雷達(dá)、無人機、四足機器人……全鏈條裝備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)。

“我常說，不當(dāng)裁判員，可以當(dāng)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(zhì)詢。最后，他們研發(fā)的SWDC-6 數(shù)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(dāng)“運動員”而不當(dāng)裁判員。這意味著他仍然初心不改，在測繪裝備技術(shù)研發(fā)這條路上繼續(xù)拼搏。就如他身邊的人評價他，“劉院士認(rèn)準(zhǔn)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(lǐng)先地位，研制的SWDC 系列數(shù)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(chǎn)品，取代了進口設(shè)備，還統(tǒng)領(lǐng)了國內(nèi)市場，國外三大品牌的同類相機在中國沒了市場。

據(jù)介紹，美國一家公司僅生產(chǎn)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(shè)備性能達(dá)不到預(yù)期，原價退貨了。另一家國際著名品牌的同類相機產(chǎn)品，雖然售價高達(dá)1700 萬～2000 萬元，在我國優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(qū)域。

劉先林院士驕傲而自豪地表示，我國航空攝影測繪設(shè)備在國際上幾乎都是領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)先的，估計可以占到全球斜片飛行作業(yè)的80%。數(shù)據(jù)顯示，全國固定翼斜片飛行加上無人機飛行的總經(jīng)費高達(dá)上千億元人民幣，未來還會有千億級的市場規(guī)模，應(yīng)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(nèi)開發(fā)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(chǎn)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(tǒng)）方面，目前還沒有一個自己像樣的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)?！?/p>

劉先林院士呼吁，測繪地理信息整個行業(yè)在轉(zhuǎn)型升級，今后一定要以新測繪新成果來服務(wù)各行各業(yè)，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(yīng)該再被稱為實景三維。斜片飛行所生產(chǎn)的實景三維，必須要提高效率、提高精度、最后結(jié)構(gòu)化。因為，將來新測繪要服務(wù)于導(dǎo)航，服務(wù)于自動駕駛，支持動態(tài)監(jiān)測。

在行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，測繪地理信息發(fā)展的新藍(lán)圖已經(jīng)繪就，新征程擊鼓催征。新時期新機遇、新測繪新發(fā)展，為保持國產(chǎn)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(lǐng)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(fā)小組人員一起討論大壩監(jiān)測中手機應(yīng)用問題。幾天后，他們將前往現(xiàn)場，對新研發(fā)的測繪儀器產(chǎn)品做進一步的核實驗證。