高分衛(wèi)星應(yīng)用模式創(chuàng)新研究及在交通領(lǐng)域的實(shí)踐

中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司 上官甦

研究情況概述

高分專項(xiàng)（高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)的簡稱，是《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》確定的十六個(gè)重大科技專項(xiàng)之一）實(shí)施以來，在抓總負(fù)責(zé)我國高分衛(wèi)星應(yīng)用推廣的任務(wù)背景下，以“切實(shí)支撐國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化建設(shè)，保障各級政府日常管理所需的遙感服務(wù)能力，使高分應(yīng)用進(jìn)入重點(diǎn)行業(yè)主體業(yè)務(wù)和地方綜合治理體系”為目標(biāo)，筆者提出設(shè)計(jì)由應(yīng)用產(chǎn)品體系和技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系組成的高分應(yīng)用推廣理論架構(gòu)和組織架構(gòu)，形成政府建規(guī)則、統(tǒng)資源、搭平臺、做監(jiān)管，應(yīng)用機(jī)構(gòu)（各行業(yè)應(yīng)用部門、各省級高分中心）出產(chǎn)品，區(qū)域應(yīng)用建模式，企業(yè)為主做服務(wù)，協(xié)會培訓(xùn)與評價(jià)的新體系。

在應(yīng)用技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系方面，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：（1）創(chuàng)新應(yīng)用模式，提出信息提取和信息承載相結(jié)合的應(yīng)用模式，前者即為傳統(tǒng)的遙感應(yīng)用模式，是指通過對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)、反演、分析、識別、真實(shí)性檢驗(yàn)等解譯處理，提取目標(biāo)的相關(guān)光譜信息和幾何信息；后者是指將遙感影像作為一切社會經(jīng)濟(jì)信息的基底和平臺，以位置和時(shí)間為要素，關(guān)聯(lián)和承載其他不同層級各類信息，采用大數(shù)據(jù)的分析方法，得到新的綜合性的分析結(jié)果。兩種模式相結(jié)合，引領(lǐng)空間信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)，快速走向定量化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展新階段。（2）組織共性產(chǎn)品研發(fā)，降低應(yīng)用門檻。按照優(yōu)勢統(tǒng)籌、重點(diǎn)突破、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、產(chǎn)品實(shí)用、共享服務(wù)、降低門檻的原則，充分利用各行業(yè)部門、高校和研究機(jī)構(gòu)在我國遙感應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)或技術(shù)儲備，組織開展了高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，以衛(wèi)星用戶需求為導(dǎo)向，以降低應(yīng)用門檻為目標(biāo)，提出了成果要產(chǎn)品化、工程化、標(biāo)準(zhǔn)化和可共享的要求，已經(jīng)形成一批共性產(chǎn)品軟件工具。

在產(chǎn)品體系方面，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：（1）創(chuàng)新提出“三個(gè)清單”（產(chǎn)品清單、服務(wù)清單和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范清單）的研發(fā)成果目標(biāo)，保障交付的成果可復(fù)制、可推廣應(yīng)用，為行業(yè)、區(qū)域應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用推廣提供技術(shù)支持與服務(wù)能力。（2）將超過2個(gè)行業(yè)專題產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的輸入，并且可利用同步實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)的產(chǎn)品定義為共性產(chǎn)品?；诟鲉挝荒壳把兄频?46種高分專題產(chǎn)品進(jìn)行回溯，梳理出39種共性產(chǎn)品，未來將實(shí)現(xiàn)所有共性產(chǎn)品統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提供相關(guān)單位共享。（3）建設(shè)高分國家級真實(shí)性檢驗(yàn)系統(tǒng)，為共性產(chǎn)品提供真實(shí)性檢驗(yàn)服務(wù)，確保定量遙感產(chǎn)品的精度，為行業(yè)應(yīng)用提供更豐富、精確的產(chǎn)品和服務(wù)。

在高分應(yīng)用技術(shù)體系和產(chǎn)品體系的指導(dǎo)和引領(lǐng)下，18個(gè)行業(yè)面向本行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，共研制了446種專題產(chǎn)品。下面以高分在交通領(lǐng)域的業(yè)務(wù)應(yīng)用為例，結(jié)合當(dāng)前正在部署的高分共性產(chǎn)品研制與生產(chǎn)，探討高分交通領(lǐng)域應(yīng)用新模式和新業(yè)態(tài)。

高分交通領(lǐng)域應(yīng)用方向

綜合交通行業(yè)的縱向應(yīng)用推廣和30個(gè)省級高分中心的橫向應(yīng)用推廣，高分遙感在交通領(lǐng)域的應(yīng)用可以概括為如下7個(gè)方向：

（1）交通路網(wǎng)規(guī)劃方向。具備道路網(wǎng)（主要指國道等級以上的公路）監(jiān)測、交通量監(jiān)測等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（2）道路勘察設(shè)計(jì)方向。具備公路勘察信息提取、公路選線輔助決策、公路選線三維展示等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（3）路網(wǎng)監(jiān)控與應(yīng)急方向。具備道路地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查專題產(chǎn)品、災(zāi)后路段運(yùn)行評估、道路損毀應(yīng)急評估等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（4）交通出行服務(wù)方向。具備路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測、居民出行密度分布等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（5）航道環(huán)境監(jiān)測與航運(yùn)輔助管理方向。具備航道邊界線、航道洲灘監(jiān)測、水面關(guān)鍵目標(biāo)（水面船舶、靠岸的船舶）等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（6）機(jī)場規(guī)劃建設(shè)方向。具備機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施信息（機(jī)場跑道、機(jī)場滑行道）、機(jī)場熱溫反演專題產(chǎn)品、機(jī)場建設(shè)用地變化檢測等專題產(chǎn)品的生產(chǎn)能力；

（7）農(nóng)村道路普查與安保方向。具備農(nóng)村道路普查產(chǎn)品、農(nóng)村道路安保監(jiān)測產(chǎn)品、農(nóng)村道路竣工核查產(chǎn)品監(jiān)測專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

圖1 高分交通領(lǐng)域應(yīng)用方向

面向交通強(qiáng)國建設(shè)的應(yīng)用模式創(chuàng)新研究

圖1所示19種專題產(chǎn)品，即為采用高分信息提取模式和高分信息承載模式生成的，結(jié)合高分正在建設(shè)的真實(shí)性檢驗(yàn)場站網(wǎng)系統(tǒng)和共性產(chǎn)品，支撐交通強(qiáng)國建設(shè)的更廣泛應(yīng)用，未來高分交通領(lǐng)域及技術(shù)流程可進(jìn)一步拓展，應(yīng)用模式和技術(shù)流程如下：

（1）0級-2級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生成。主要指從高分衛(wèi)星影像中消除畸變的過程，消除輻射量失真的稱為輻射校正，得到輻射校正產(chǎn)品，消除幾何畸變的稱為幾何校正，得到幾何校正產(chǎn)品；

（2）3級-5級共性產(chǎn)品生成。針對交通領(lǐng)域的應(yīng)用，未來主要專題產(chǎn)品可基于土地覆蓋/土地利用、植被指數(shù)、地表溫度等共性產(chǎn)品來生產(chǎn)。所有共性產(chǎn)品成果基于“高分共享平臺”（http：//gfplatform.cnsa.gov.cn）共享分發(fā)。針對交通專題產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，對土地覆蓋/土地利用產(chǎn)品矢量化，疊加到原始影像上，進(jìn)行專題信息分割，得到交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和公共管理與公共服務(wù)用地等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品是高分交通領(lǐng)域?qū)ｎ}產(chǎn)品生產(chǎn)中的過程數(shù)據(jù)。

圖2 高分交通領(lǐng)域應(yīng)用模式及技術(shù)流程圖

（3）6級專題產(chǎn)品生成。結(jié)合道路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)、基礎(chǔ)地理信息等其他數(shù)據(jù)，對上一步得到的專題產(chǎn)品進(jìn)行專題信息提取，如基于交通運(yùn)輸用地專題產(chǎn)品，疊加城鄉(xiāng)區(qū)劃矢量圖，確定屬于農(nóng)村范圍的道路，并按照農(nóng)村道路判別特征，南方寬度≥1.0m、≤8.0m，北方寬度≥2.0m、≤8.0m，可進(jìn)一步提取得到農(nóng)村道路專題產(chǎn)品?；谒蚣八O(shè)施專題產(chǎn)品，可以進(jìn)一步提取得到水上關(guān)鍵目標(biāo)專題產(chǎn)品和航道邊界線專題產(chǎn)品。

（4）7級專題產(chǎn)品生成。上述兩個(gè)步驟都屬于信息提取應(yīng)用模式，此步驟屬于信息承載應(yīng)用模式，即基于通過信息提取得到的專題產(chǎn)品，疊加土地利用屬性、居民出行調(diào)查數(shù)據(jù)以及其他地面實(shí)測數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)的分析方法，得到的綜合性專題產(chǎn)品。如道路勘察設(shè)計(jì)中，基于道路勘察信息專題產(chǎn)品，疊加社會調(diào)查數(shù)據(jù)、生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)等，進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)，綜合公路路線方案經(jīng)濟(jì)費(fèi)用評價(jià)模型，對不同方案進(jìn)行比選，最終生成道路選線輔助決策專題產(chǎn)品。

基于典型應(yīng)用案例的應(yīng)用模式分析

高分交通領(lǐng)域的專題產(chǎn)品目前在公路、水運(yùn)等重點(diǎn)交通領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，下面結(jié)合應(yīng)用實(shí)例探討“高分專項(xiàng)”助力“交通強(qiáng)國”建設(shè)的應(yīng)用模式以及技術(shù)流程分析，探索基于高分應(yīng)用模式和技術(shù)流程的應(yīng)用效率提升。

基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的道路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)流程

基于高分衛(wèi)星遙感影像，在某跨境高速公路勘測設(shè)計(jì)任務(wù)中，高分交通中心只用了一個(gè)月左右的時(shí)間，就拿出了方案報(bào)告，較傳統(tǒng)手段縮短約60%周期，充分體現(xiàn)了高分衛(wèi)星應(yīng)用所帶來的效率提升。其步驟可以概述為：

（1）道路勘察信息提取。采用信息提取應(yīng)用模式，提取全線路域因子，包括城市、道路、耕地、森林等，生成公路勘察信息提取專題產(chǎn)品；

（2）總體線路選擇。結(jié)合項(xiàng)目區(qū)域現(xiàn)狀資料（交通量、社會經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)布局、人口分布、社會環(huán)境）、發(fā)展規(guī)劃資料（社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、綜合交通運(yùn)輸及公路網(wǎng)規(guī)劃、城市總體規(guī)劃）、建設(shè)條件資料（地形地貌、水文氣象、工程地質(zhì)、環(huán)境敏感區(qū)、筑路材料及運(yùn)輸條件）、測繪及設(shè)計(jì)資料（各種比例尺地形圖、DEM、航攝像片、已有勘測設(shè)計(jì)資料）等基礎(chǔ)調(diào)查資料生成公路選線輔助決策專題產(chǎn)品，得到K線方案和A線方案（如圖3所示）；

（3）局部線路選擇。采用交通專用模型，從技術(shù)指標(biāo)、安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等幾個(gè)方面，對K線走廊帶方案和A線走廊帶方案進(jìn)行多因素比較，確定推薦方案。

當(dāng)國家共性產(chǎn)品庫建成后，流程第一步可以基于高分共性產(chǎn)品來生產(chǎn)，行業(yè)應(yīng)用的重心可以聚焦到第二步和第三步，進(jìn)一步提高勘察的效率，創(chuàng)造出更多更實(shí)用的專題產(chǎn)品，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品體系。

圖3 道路勘察設(shè)計(jì)方案對比

基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的農(nóng)村公路安保監(jiān)測技術(shù)流程

基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行路網(wǎng)提取，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村公路數(shù)據(jù)的路網(wǎng)核查和綜合分析，提供農(nóng)村公路在規(guī)劃、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)上的資金、資源配比參考，為各級業(yè)務(wù)人員的決策提供信息支撐。以農(nóng)村公路安保監(jiān)測為例，其技術(shù)流程如下：

（1）內(nèi)業(yè)隱患排查。基于高分衛(wèi)星影像，采用信息提取應(yīng)用模式，提取農(nóng)村道路專題圖，并進(jìn)一步按照道路隱患規(guī)則，提取道路隱患點(diǎn)，如圖4（a）為對臨水和臨崖的路段隱患點(diǎn)進(jìn)行排查。

（2）施工設(shè)計(jì)。根據(jù)隱患的類型和隱患處理的相關(guān)規(guī)定，以高分衛(wèi)星影像為底圖，進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。

（3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、復(fù)核和驗(yàn)收。將影像圖、施工設(shè)計(jì)圖和其他相關(guān)數(shù)據(jù)集成到手機(jī)App中，在隱患點(diǎn)現(xiàn)場，基于App完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)施工設(shè)計(jì)復(fù)核和驗(yàn)收，如圖4（b）所示。

當(dāng)國家共性產(chǎn)品庫建成后，業(yè)務(wù)部門可以直接從高分共享平臺中獲取農(nóng)村道路專題圖，從而可以將應(yīng)用重心集中到隱患排查及后續(xù)工作中。

圖4 農(nóng)村公路安保監(jiān)測及施工設(shè)計(jì)

圖5 九寨溝災(zāi)后路段運(yùn)行評估圖

基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的路網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急技術(shù)流程

基于高分衛(wèi)星遙感影像，已形成對公路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、評估的長效機(jī)制。

在2017年8月8日九寨溝地震中，按照我們發(fā)布的應(yīng)急工作機(jī)制和流程，災(zāi)后第二天即將高分二號數(shù)據(jù)推送至交通等相關(guān)行業(yè)部門和省級中心，其應(yīng)用流程為：

（1）生成道路專題產(chǎn)品?；诟叻中l(wèi)星影像，疊加九寨溝地區(qū)的矢量圖，對影像進(jìn)行矢量分割后，采用信息提取模式生成道路專題產(chǎn)品。

（2）生成災(zāi)后路段運(yùn)行評估等專題產(chǎn)品，如圖5為震后第二天生成的災(zāi)后路段運(yùn)行評估圖，圖中黑色為道路阻斷點(diǎn)，紅色為嚴(yán)重阻塞道路，經(jīng)評估，震區(qū)周邊道路阻斷有23處，為搶通保通、應(yīng)急救援提供了有效的輔助決策信息。

結(jié)語

高分創(chuàng)新的應(yīng)用推廣模式為行業(yè)遙感應(yīng)用帶來了質(zhì)的飛躍，高分?jǐn)?shù)據(jù)專題產(chǎn)品與交通行業(yè)的專業(yè)模型結(jié)合在一起，形成了強(qiáng)大的生產(chǎn)力，支撐了交通行業(yè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，在行業(yè)和地方治理能力和治理體系現(xiàn)代化方面起到了重要作用，在十九大報(bào)告“交通強(qiáng)國”建設(shè)的總體要求下，伴隨著國家共性產(chǎn)品庫的建設(shè)，交通專題產(chǎn)品將進(jìn)一步豐富，高分專項(xiàng)將助力交通運(yùn)輸行業(yè)進(jìn)入綜合交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施加速成網(wǎng)、交通運(yùn)輸業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級、現(xiàn)代治理能力持續(xù)提升、現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系加快構(gòu)建的快車道。