高分衛(wèi)星遙感技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施安全應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文 |中國交通通信信息中心 夏威 鐘南 張雨澤 耿丹陽

高分衛(wèi)星遙感技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施安全應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

● 文 |中國交通通信信息中心 夏威 鐘南 張雨澤 耿丹陽

本文以高分遙感在典型交通行業(yè)技術(shù)應(yīng)用為例，介紹了基于光學(xué)與雷達遙感影像結(jié)合的道路設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，旨在促進遙感技術(shù)在交通安全應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，促進交通運輸行業(yè)的全面、快速、健康發(fā)展。

高分辨率遙感；交通運輸應(yīng)用；合成孔徑雷達干涉技術(shù)；圖像目標(biāo)識別

一、引言

交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)水平直接反映了一個國家的經(jīng)濟實力與發(fā)展水平，我國作為發(fā)展中國家，一直大力推進交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作。據(jù)2016年交通運輸行業(yè)統(tǒng)計公報，至2016年末，我國鐵路營業(yè)里程達到12.4萬千米，公路總里程469.63萬千米，內(nèi)河航道通航里程12.71萬千米，頒證民用航空機場218個[1]。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是發(fā)展交通運輸業(yè)、提升國民經(jīng)濟實力的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，然而，隨著基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的不斷增加，交通安全事故數(shù)量也在逐年升高。在我國，交通安全事故可分為三類，第一類是由地震、泥石流、暴雨等自然災(zāi)害所引起的交通基礎(chǔ)設(shè)施阻斷或損害；第二類是由于人為造成的安全事故；第三類則是由于基礎(chǔ)設(shè)施使用損耗造成的安全事故?；谝陨先c，如何有效地進行交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測預(yù)警，以及如何在災(zāi)害發(fā)生時進行快速地應(yīng)急處置便成了促進交通運輸業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

在過去，受限于技術(shù)發(fā)展水平，在交通應(yīng)急安全領(lǐng)域，相關(guān)人員更多地是采用人工方式來進行基礎(chǔ)設(shè)施的巡測以及災(zāi)害事故中應(yīng)急方案規(guī)劃。然而，傳統(tǒng)的方法不僅需要投入大量的人力物力，而且一般只能針對小范圍區(qū)域開展，且時效性較差，不能快速、有效地解決問題。近年來，隨著遙感技術(shù)的日益發(fā)展，大范圍、高時效地獲取地表觀測影像已成為可能，尤其是高分辨率遙感衛(wèi)星的相繼發(fā)射，為人們提供了更多的地表細(xì)節(jié)特征?；谶b感影像的信息提取與識別技術(shù)，近年來也得到了廣泛的發(fā)展，如基于影像灰度的圖像分割技術(shù)，基于支持向量機的影像分類技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別技術(shù)等[2-6]。此外，由于微波遙感影像不易受地面條件、天氣狀況的限制，基于微波技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展，如洪水監(jiān)測、凍土區(qū)監(jiān)測、地基沉降及形變等[7-10]。

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，高分遙感技術(shù)與交通應(yīng)急安全領(lǐng)域的技術(shù)融合在近年來已逐漸成為研究的熱點問題之一。為更好地促進高分技術(shù)在未來交通領(lǐng)域中的應(yīng)用以及成果轉(zhuǎn)化，本文以道路基礎(chǔ)設(shè)施為例，提出了一種融合高分辨率光學(xué)遙感與合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)的道路提取與監(jiān)測技術(shù)。首先，利用光學(xué)遙感影像進行地表信息的識別與提取，進行地表分類、道路提取等；然后，基于雷達遙感影像，使用InSAR技術(shù)獲取更深層的結(jié)構(gòu)信息，如交通設(shè)施的沉降、變形等。通過光學(xué)遙感與雷達遙感的結(jié)合，可協(xié)同實現(xiàn)對道路路面狀態(tài)的識別與交通設(shè)施所處地表形變情況的高精度監(jiān)測，為提升道路通行安全提供有效支持。

二、遙感數(shù)據(jù)簡介

自遙感技術(shù)出現(xiàn)以來，世界上主要的發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家便一直致力于發(fā)展各自的高分辨率對地觀測系統(tǒng)，如美國的Landsat-7、法國的SPOT-5、德國MOMOS計劃、印度IRS系列等。對我國而言，雖然已具備氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星等觀測手段，但是受技術(shù)基礎(chǔ)限制，很多高分辨率影像數(shù)據(jù)在過去仍是從國外購買。為掌握信息資源獲取的主動性，提升國家科技實力，自2006年開始，我國啟動并著手高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大工程的建設(shè)。如今，我國已經(jīng)成功部署了多顆涵蓋多波段的高分辨率遙感衛(wèi)星，根據(jù)具體需要搭載了不同的傳感器，如高分一號（GF-1）、高分二號（GF-2）搭載高分辨率光學(xué)傳感器，高分三號（GF-3）搭載微波傳感器等。

1. 高分一號

GF-1作為高分重大專項的首發(fā)星，具有重大的戰(zhàn)略意義。GF-1設(shè)計壽命5—8年，同時搭載了2m分辨率全色/ 8m分辨率多光譜相機和一臺16m分辨率寬幅多光譜相機。GF-1于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射入軌[11]。

2. 高分二號

GF-2衛(wèi)星在GF-1分辨率的基礎(chǔ)上進行了突破，是我國首顆自主研發(fā)的分辨率優(yōu)于1m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星。GF-2搭載有一臺1m分辨率全色相機和一臺4m分辨率多光譜相機。2014年8月19日，GF-2成功發(fā)射，標(biāo)志著我國光學(xué)遙感衛(wèi)星正式步入亞米級時代[12]。

3. 高分三號

GF-3于2016年8月10日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌，是我國首顆優(yōu)于1m分辨率的C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星。GF-3可實現(xiàn)不同應(yīng)用模式下1—500m分辨率、10—650km幅寬的微波遙感數(shù)據(jù)獲取，是目前世界上工作模式最多的在軌衛(wèi)星，GF-3將為我國陸地資源監(jiān)測和應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐[13]。

三、基于光學(xué)與雷達影像的交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測方法

1. 基于高分光學(xué)影像的交通基礎(chǔ)設(shè)施信息提取

在快速發(fā)展的城市和地區(qū)，路網(wǎng)信息要求精度準(zhǔn)確，需要及時更新，未及時更新路網(wǎng)信息而導(dǎo)致的交通事故及二次事故頻發(fā)是發(fā)達國家和發(fā)展中國家普遍面臨的問題。及時更新路網(wǎng)信息對地區(qū)的宏觀管理、交通運輸、出行導(dǎo)航、應(yīng)急事務(wù)處理等具有非常重要的意義?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得交通路網(wǎng)信息的提取技術(shù)和提取算法發(fā)展迅速。隨著空間分辨率的不斷提高，遙感信息為地理信息庫的更新帶來了便利，高分辨率遙感影像開始廣泛應(yīng)用于路網(wǎng)信息的提取。下面介紹典型的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路網(wǎng)提取思路[14]。

（1） 典型道路材質(zhì)特征庫的建立

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的路網(wǎng)提取技術(shù)，通常需要使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)模型的建立。道路典型特征庫的建立首先是利用其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、連通性等特征進行典型遙感樣本的提取、分類與統(tǒng)計分析，然后根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果盡可能多地涵蓋全部典型的道路特征單元，道路特征庫的數(shù)量將直接影響算法的識別與提取精度（見表1）。

表1 典型道路特征庫樣例

（2） 路網(wǎng)自動識別算法

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，自主學(xué)習(xí)特征已成為可能，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加也使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類能力更強。通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像區(qū)域進行分類，可得到像素的分類結(jié)果，然后將分類結(jié)果看作是二值圖像，通過分析二值圖像聯(lián)通區(qū)域的大小對識別結(jié)果進行篩選便可得到最終的提取結(jié)果。圖1為應(yīng)用上述方法進行路網(wǎng)提取的結(jié)果示意圖。

通過自動化算法，可以快速從大范圍區(qū)域中提取路網(wǎng)，并從中尋找到因滑坡、泥石流等自然災(zāi)害導(dǎo)致的路網(wǎng)中斷、路面損傷，快速判斷路面狀況，為應(yīng)急響應(yīng)提供有效支持。但是，在具體應(yīng)用時，簡單采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的路網(wǎng)往往是不規(guī)則的點集，在實際的工程應(yīng)用中，往往還需要對提取結(jié)果做進一步的處理，完成最終的道路提取，如常見的形態(tài)學(xué)方法、統(tǒng)計學(xué)方法等。

2. 基于雷達影像的路基監(jiān)測與預(yù)警

利用SAR影像獲取地表特征信息的原理在于不同地物的后向散射差異，當(dāng)?shù)乇韮?nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，其衛(wèi)星傳感器接收到的信息也會隨之變化?；谶@一原理，多時相的SAR影像可廣泛用于交通基礎(chǔ)設(shè)施的形變調(diào)查研究中。

（1）基于InSAR技術(shù)的地表形變分析

合成孔徑雷達干涉技術(shù)（InSAR）是主動微波成像傳感器的一種干涉測量模式，通過對同一區(qū)域具有一定角度差和相關(guān)性的影像進行干涉處理，檢測其相位差，并按照一定的幾何關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)對觀測區(qū)域地形高度數(shù)據(jù)的獲取[15]。為保障數(shù)據(jù)精度，所基于的雷達影像通常要達到空間分辨率3m以上，多時相影像數(shù)量7景以上。在工程測量中，為保障數(shù)據(jù)精度一般還可采用永久散射（PSInSAR）技術(shù)。PSInSAR技術(shù)對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，如果研究區(qū)域自然永久散射點較少，可人為架設(shè)角反射器作為補充。如圖2所示，當(dāng)雷達電磁波掃描到角反射器后，電磁波在金屬角上形成很強的雷達反射回波信號。在PSInSAR中，角反射器可以起到骨干控制網(wǎng)的作用，并且在修正大氣效應(yīng)誤差、提高干涉相位計算精度，以及關(guān)鍵算法研究和驗證中發(fā)揮重要價值。圖3為基于InSAR技術(shù)的地表形變結(jié)果圖，其中，不同顏色代表地表的沉降速度，紅色表示形變速度快的區(qū)域[16]。

（2）影像重采樣及匹配處理

區(qū)別于光學(xué)遙感影像的灰度信息，InSAR的分析結(jié)果能夠提供直觀的地表形變信息，但SAR遙感數(shù)據(jù)的可視化效果遠(yuǎn)不如光學(xué)影像，即雖然能獲取某一空間坐標(biāo)點的形變量，但是無法直觀地看到這一點是什么地物。所以，通常需要將基于光學(xué)遙感影像所提取的道路影像和InSAR結(jié)果進行匹配融合，實現(xiàn)二者信息的疊加互補。然而，由于光學(xué)遙感影像和雷達影像在觀測時間、成像模式上存在差異，在進行數(shù)據(jù)融合時，首先需要對兩種影像進行空間匹配，而匹配的精度也將直接影響最終的數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)挖掘的合理與準(zhǔn)確性。針對這一問題，一種有效的融合方法是：1）以多尺度遙感影像作為參考，建立獨立于影像的標(biāo)準(zhǔn)地理坐標(biāo)格網(wǎng)；2）對兩種不同空間尺度的遙感影像進行雙線性插值，得到其位于標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)位置的灰度信息，然后實現(xiàn)對不同空間尺度影像的配準(zhǔn)工作。3）將InSAR結(jié)果中的低置信度觀測點剔除，按照上一步的配準(zhǔn)映射關(guān)系，完成InSAR結(jié)果到光學(xué)影像數(shù)據(jù)間的匹配融合。如圖4所示。

（3）基于道路區(qū)域的路基狀態(tài)監(jiān)測

完成影像間的信息融合后，利用歸一化后的道路影像進行掩膜生成，并結(jié)合歸一化形變數(shù)據(jù)提取出目標(biāo)道路區(qū)域的地基形變信息，進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與挖掘，從而實現(xiàn)對道路的提取與設(shè)施狀態(tài)的監(jiān)測，如道路使用損耗情況、災(zāi)后可通行能力以及區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)連通性的分析等方面。

四、總結(jié)

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率遙感數(shù)據(jù)為大范圍、高時效地獲取地面信息提供了可能。相比傳統(tǒng)人工手段，遙感數(shù)據(jù)不僅能夠極大地縮減人力和物力成本，而且還可以進行大尺度下的數(shù)據(jù)分析與挖掘，極大地促進了相關(guān)研究的發(fā)展。對于交通行業(yè)來說，與遙感技術(shù)的融合研究也正在成為科研學(xué)者的研究熱點，尤其是在交通應(yīng)急領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)應(yīng)用。有效利用遙感技術(shù)服務(wù)交通安全應(yīng)急，是遙感應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。本文從技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了融合高分辨率光學(xué)遙感與雷達遙感技術(shù)的道路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測方法。本文雖然僅以道路設(shè)施為例，但其思路同樣適用于其他基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測，如機場跑道、軌道交通、橋梁等。本文所提出的技術(shù)應(yīng)用不僅能夠?qū)A(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)進行有效監(jiān)測，同時也可為日常維護管理提供有力的科學(xué)依據(jù)，為交通通行安全提供有效保障，促進交通行業(yè)的健康發(fā)展。

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