氣象遙感服務(wù)賦能公路應(yīng)急管理

文/圖 航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司 熊亮 周少飛

高分遙感技術(shù)作為公路氣象監(jiān)測(cè)的手段之一，發(fā)揮著搜集公路基礎(chǔ)設(shè)施信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路氣象情況等作用。

2019年，我國交通氣象災(zāi)害應(yīng)急體系構(gòu)建完成；2020年，中國氣象局綜合觀測(cè)司、應(yīng)急減災(zāi)與公共服務(wù)司聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)公路交通氣象觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)的通知》……地質(zhì)、氣象災(zāi)害影響下的公路交通運(yùn)行和應(yīng)急保通保暢工作，一直被各級(jí)交通運(yùn)輸主管部門、運(yùn)營(yíng)管理單位，以及工程與科研技術(shù)人員高度重視。

氣象監(jiān)測(cè)和高分遙感技術(shù)（簡(jiǎn)稱“氣象遙感”）基于數(shù)字化手段，能有力支撐公路管理部門精準(zhǔn)決策。例如，呈現(xiàn)直觀、實(shí)時(shí)的公路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)信息；評(píng)估不同公路段不同災(zāi)害類型的危險(xiǎn)等級(jí)、災(zāi)毀情況，在災(zāi)害發(fā)生后監(jiān)測(cè)公路的通達(dá)率恢復(fù)情況；分鐘級(jí)監(jiān)測(cè)公路氣象實(shí)況，并提供氣象預(yù)警。

呈現(xiàn)直觀動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)信息

智能遙感技術(shù)利用高分遙感影像，能快速、準(zhǔn)確地提取大范圍公路基礎(chǔ)設(shè)施的地理信息數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。針對(duì)不同建設(shè)階段定期更新路網(wǎng)，為公路管理部門提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、直觀的信息。

公路基礎(chǔ)設(shè)施的地理信息主要包括路線、路基、路面、橋梁、涵洞、隧道、交安機(jī)電設(shè)施、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等，統(tǒng)計(jì)信息包括公路及高速公路里程、路段、管理處、空間及資產(chǎn)設(shè)施信息數(shù)據(jù)、檢測(cè)評(píng)定數(shù)據(jù)、道路損毀數(shù)據(jù)等內(nèi)容。針對(duì)特定路網(wǎng)，氣象遙感能在開工建設(shè)前不定時(shí)更新道路規(guī)劃信息，在建設(shè)過程中更新道路完工進(jìn)度，在建設(shè)后期更新路網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)信息。

雪季，氣象遙感服務(wù)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路結(jié)冰的情況。（供圖：閆洪君）

多源道路基礎(chǔ)設(shè)施信息高精度融合展示

基于時(shí)序INSAR的路基地面沉降監(jiān)測(cè)

當(dāng)前，利用國內(nèi)分辨率最高可達(dá)0.2米的高分遙感影像，采用人工智能技術(shù)豐富PIE-EngineAI軟件，能自動(dòng)化檢測(cè)公路、橋梁等公路基礎(chǔ)設(shè)施——利用ResNet50+Unet網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得模型，采用逐像素預(yù)測(cè)算法自動(dòng)提取道路，在北京地區(qū)分辨率為2米的高分遙感影像檢測(cè)實(shí)例中，召回率和準(zhǔn)確率均達(dá)到90%以上；采用以RetinaNet為基礎(chǔ)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橋梁的精確定位和識(shí)別，在北京市局部地區(qū)分辨率為1米的高分遙感影像檢測(cè)實(shí)例中，召回率和準(zhǔn)確率分別達(dá)到80%和90%以上。

此外，氣象遙感利用時(shí)序InSAR技術(shù)、北斗差分技術(shù)，以多時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)、北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等相關(guān)輔助數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，還能常態(tài)化高精度監(jiān)測(cè)公路路基、邊坡、橋梁等公路基礎(chǔ)設(shè)施的形變。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)災(zāi)害發(fā)生全過程

在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的全過程中，氣象遙感依據(jù)多期高分遙感影像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公路路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境的變化，以及滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的特征。結(jié)合地形、地貌、周邊用地類型等信息，評(píng)估不同公路段不同地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性等級(jí)。在災(zāi)害發(fā)生后期，依據(jù)災(zāi)害等級(jí)和周邊地質(zhì)、人文環(huán)境等信息，評(píng)估公路的災(zāi)毀情況，并監(jiān)測(cè)公路通達(dá)性恢復(fù)情況。

路網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境滑坡遙感監(jiān)測(cè)

基于時(shí)序INSAR的橋梁形變監(jiān)測(cè)

水毀災(zāi)害前公路大橋的遙感影像基準(zhǔn)

水毀災(zāi)害后公路災(zāi)害損毀評(píng)估

基于高分遙感地圖，氣象遙感能對(duì)當(dāng)前和歷史的遙感影像進(jìn)行智能對(duì)比分析，結(jié)合當(dāng)前氣象數(shù)據(jù)，以及未來一段時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)信息，疊加歷史滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境變化中滑坡、泥石流、崩塌、冰雪等災(zāi)害的精準(zhǔn)表征，生成公路災(zāi)毀損失和搶通情況月度統(tǒng)計(jì)。依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將危險(xiǎn)性等級(jí)分為極高、高、中、低，分別以紅、橙、黃、綠四色表現(xiàn)。表達(dá)災(zāi)害損毀情況的數(shù)據(jù)有災(zāi)害影響范圍、受災(zāi)交通設(shè)施規(guī)模、恢復(fù)所需資源及時(shí)長(zhǎng)等。表達(dá)公路通達(dá)性應(yīng)用充分研究城市通達(dá)性空間分布變化規(guī)律、城市化人口變化規(guī)律、人口加權(quán)時(shí)間距離倒數(shù)、高速公路通車?yán)锍淘鲩L(zhǎng)率等。

目前，氣象遙感已應(yīng)用在湖北全省范圍內(nèi)農(nóng)村公路災(zāi)毀情況的評(píng)估中，針對(duì)水毀、滑坡、泥石流、冰雪災(zāi)害等災(zāi)害類型評(píng)估災(zāi)害危險(xiǎn)性。

公路氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

氣象遙感能滿足精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)、分鐘級(jí)氣象預(yù)警、公路周邊環(huán)境與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)等需求。

氣象遙感能精細(xì)化網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)，精細(xì)化網(wǎng)格實(shí)況和數(shù)據(jù)空間的分辨率可達(dá)1公里，定制化開發(fā)的實(shí)況數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)更新，實(shí)時(shí)同步任意位置的天氣信息。結(jié)合溫度、降水、能見度等氣象要素和交通橫斷面、交通流等專業(yè)交通要素，氣象遙感可以專業(yè)應(yīng)用于泛交通領(lǐng)域；結(jié)合CMA、GFS、EC等氣象數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)公路信息，氣象遙感能讓數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析交通運(yùn)行狀況。

氣象遙感通過開展各種氣象因素、基礎(chǔ)地理?xiàng)l件、交通條件對(duì)公路安全行駛影響的分析，基于不同尺度的氣象觀測(cè)資料及基礎(chǔ)地理資料，分析歷史公路氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源氣象資料在公路管理上的快速綜合應(yīng)用，建立基于公路物理特性及統(tǒng)計(jì)規(guī)律的公路預(yù)報(bào)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象基礎(chǔ)要素、公路氣象要素、公路氣象高影響氣象條件、公路決策氣象信息的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警。

道路凍結(jié)成冰概率氣象信息預(yù)警分級(jí)示意圖

基于道路精準(zhǔn)預(yù)報(bào)模式的道路氣象服務(wù)

面向滬杭甬高速公路精細(xì)化道路氣象服務(wù)

氣象遙感能以網(wǎng)頁和App等多種形式，提供臨近期（6小時(shí)以內(nèi)）、短期（1天至3天）和中長(zhǎng)期的“逐時(shí)次、逐公里”精細(xì)化交通氣象預(yù)警，例如道路溫度、降水、能見度、道路大風(fēng)、道路降水類型、道路高溫預(yù)警、道路結(jié)冰、大霧等的預(yù)警以輔助公路管理部門決策。能針對(duì)霧、雷雨、雪等氣象要素設(shè)定公路危險(xiǎn)等級(jí)；能結(jié)合實(shí)時(shí)交通信息，生成公路網(wǎng)絡(luò)沿線的氣象預(yù)報(bào)和路況預(yù)報(bào)。

目前，氣象遙感服務(wù)已經(jīng)在浙江高速公路管理上應(yīng)用，并生成實(shí)時(shí)檢驗(yàn)報(bào)告。總體檢驗(yàn)結(jié)果顯示，近一年數(shù)據(jù)反饋1973例，平均絕對(duì)誤差1.10，小于2攝氏度準(zhǔn)確率為88.55%。

未來，如何降低擁擠、事故對(duì)公路交通的影響，提高公路的服務(wù)水平，將成為行業(yè)的重要課題。國家正大力推進(jìn)交通道路氣象觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)，多源高分遙感及氣象衛(wèi)星等大尺度的觀測(cè)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)將充分融合小尺度的高精度氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，可為管理部門開展道路災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估、災(zāi)后公路損毀評(píng)估及通達(dá)性恢復(fù)監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確的決策支撐。