高分遙感技術在交通運輸行業的應用及展望

● 文|航天恒星科技有限公司 宋晨曦 鄒同元 王劍 汪紅強 孫知文 王文亮

高分遙感技術在交通運輸行業的應用及展望

● 文|航天恒星科技有限公司 宋晨曦 鄒同元 王劍 汪紅強 孫知文 王文亮

交通運輸作為國民經濟和社會發展的基礎性和服務性產業，在國家整體規劃中占據不可或缺的重要地位。一直以來，利用新型科技力量提高交通運輸各類應用水平和效率，是交通運輸行業關心的熱點。本文在充分調研現今交通運輸行業的應用需求以及其信息化水平的基礎上，結合分析高分辨率遙感數據特點，綜合概述了高分辨率遙感數據在交通運輸行業中的應用現狀，并提出了若干交通運輸行業高分產業化應用障礙以及對未來的展望設想。

交通運輸 高分辨率 遙感 應用

一、引言

在當今時代背景下，交通運輸行業著力于完善網絡、調整結構、優化管理和提升服務，以構建暢通、高效、安全、綠色的交通運輸體系為目標。隨著遙感和空間信息技術的飛速發展，以及交通運輸應用中對大時空覆蓋感知數據獲取和處理日益迫切的需求，發展面向交通應用的遙感和空間信息技術具有重大意義和巨大潛力。高分辨率遙感數據具有圖像覆蓋范圍大、探測范圍廣、時間性強、信息客觀真實、成本低、獲取方便等優點，在交通基礎設施勘察設計、運營、維護、路域環境保護、以及交通災害監測等領域具有廣闊的應用前景。

伴隨著我國高分辨率遙感衛星技術的發展，國產遙感衛星無論在數量還是圖像質量上都將接近國外先進水平，而且具備不同遙感波段的高分辨率觀測能力。本文首先探討了遙感技術在交通運輸行業中的國內外應用現狀，對高分辨率遙感技術在我國交通運輸行業的應用前景和內容方面進行分析，希望對充分發揮國產衛星應用效能、推進高分辨率遙感數據在我國交通領域的產業化發展進程等方面具有一定的指導意義。

二、國外遙感技術在交通運輸行業的應用現狀

目前遙感衛星向高分辨率、寬幅、多星等趨勢發展，由于具有巨大的應用潛力和經濟效益，高分辨率衛星產業進入了快速發展時期，亞米級光學遙感衛星、米級高分辨率SAR衛星和十米級紅外傳感器均已在道路安全監控領域得到廣泛應用。

發達國家如美國、德國、加拿大、日本、澳大利亞等國從20世紀80年代開始大力發展遙感技術在交通領域的應用，重點支持遙感技術在交通基礎設施規劃建設、交通基礎設施監測與管理、交通災害監測和緊急救助、交通流監測、交通環境保護等幾個方面的應用與方法研究。近10年來，國際上幾個交通大國開展了國家級的大型交通遙感應用研究項目和工程。

在路網災害監測遙感應用中，國外許多使用遙感數據的近實時的路網災害監測技術也正在研發乃至已經投入使用。主要代表有美國的The Qinetiq’s MaST系統、挪威FFI的Eldhuset系統、歐洲The European Community Joint Research Centre（JRC）系統、法國Kerguelen的CLS運行系統等，這些系統主要借助了遙感技術與空間分析技術[1]。美國路網災害監測系統由Ocean Monitoring Workstation（OMW）發展而來，主要依靠其商業衛星拍攝的高分辨率的遙感影像。在路網信息的提取中應用了面向對象的分割技術。加拿大路網系統利用多尺度圖像分割技術、機器學習與模式分類技術、面向對象高分影像分類技術，實現路網信息遙感快速提取。

在交通流監測遙感應用中，美國國家級機構NCRST-F研究利用航空、航天遙感技術獲取交通流信息。該機構是美國應用遙感在交通領域應用研究的國家級機構，隸屬于NASA，專門研究遙感和空間信息技術在交通領域的應用，一共設置了四個分支機構，另外三個是：NCRST-D，利用遙感技術研究各種災害對交通系統影響的評估與應對方案設計；NCRST-E，利用遙感技術研究周圍環境對交通系統的影響；NCRST-I，研究利用遙感技術探測信息、數據庫更新、多尺度建模、特征提取和數據融合等基礎應用技術。德國遙感中心研發了記載光學影像實時傳感系統3K照相系統用于交通監測，利用間隔很短的兩幅影像通過車隊檢測和車輛速度估計獲取到車流密度、平均速度、擁堵路段起止點、擁堵路段長度等信息，以此進行交通擁堵狀況的分析。

在交通規劃管理遙感應用中，各國建立了基于路網監測的信息化管理系統。英國交通遙感應用集中在交通流和公路路網的監測，主要的應用項目有高級交通流理論和非均勻智能交通網絡控制和交通路線的遠程監察。通過采用多種傳感器（如回路探測器，遙感傳感器，手機等）采集到的實時數據，建立一個基于模型的實時智能交通控制系統。

以上各國開展的交通行業遙感應用均是結合了GIS、GPS、三維模擬等其他空間信息技術。

三、國內遙感技術在交通運輸行業的應用現狀

在公路勘測設計遙感應用中，中國煤炭地質總局航測遙感局利用日本ALOS衛星遙感影像對公路G56中的云南宣威至曲靖段進行前期選線研究，對工程區進行地貌、巖性、構造、不良地質條件等解譯，初步查明線路走廊帶不良地質的分布情況，提出推薦線路[2]。陜西省公路勘察設計院遙感信息中心利用Landsat衛星ETM和QuickBird數據結合野外GPS實地調查完成了對榆林至神木公路的工程地質調查，查明了路線走廊帶的工程地質環境和不良地質現象，為榆神公路線路方案選擇、工程地質評價提供了充分的科學依據[3]。周賢斌、陳楚江等人利用3S技術在西藏S306線路勘察設計中，針對該線地形陡峻、地質復雜、資料空白等典型困難，研究了高分辨率IKONOS衛星圖像的多尺度工程地質遙感進行地質選線，填補了測區基礎資料的空白[4]。

在公路交通制圖遙感應用中，陜西省公路勘察設計院2003年開發的交通遙感信息系統利用豐富的衛星遙感影像資料（西安、咸陽等地還有SPOT、SAR、航片等分辨率較高的影像）充分反映各個等級公路、規劃公路、鐵路的交通信息，同時還反映了經濟、人文、資源及環境等資料[5]。新疆交通通信信息中心采用遙感技術對新疆農村公路的基本信息進行提取，通過自動提取與人工相結合的方法，為農村公路的規劃、計劃、建設、養護、管理等提供了準確的基礎數據[6]。國內的武漢大學、中科院遙感與數字地球研究所等從不同角度對遙感圖像的公路網信息提取進行了深入研究[7]，提出了許多有意義的方法和模型，例如利用高分辨率影像自動提取交通樞紐信息[8]、車流信息等[9]。

在公路災害監測遙感應用中，河南省地質調查員利用Landsat衛星ETM+數據結合1∶6萬黑白航片，對鹽井至芒康段沿線的地質災害和構造體系進行全面、宏觀的調研，為公路維護和治理提供科學依據[10]。煤航遙感應用研究院采用1∶4萬～1∶5萬的彩紅外航空像片對藏區的國道317和214線進行地質環境和地質災害調查，確定了線路上滑坡、崩塌、泥石流的位置，解析了對公路的危害程度，為藏區公路災害整治提供地質依據。利用中國資源衛星影像和航空像片結合GIS對川藏公路西藏境內的公路病害進行調查，確定了崩塌、坍塌和錯落的分布，并研究其發展趨勢和危害程度，為新的公路設計和決策以及現有路段的管理、整治提供詳實可靠的資料[11-12]。

開展農作物病蟲害發生流行的氣候背景及其影響機制的研究，在掌握病蟲氣象規律的基礎上，研究重大農業病蟲害的監測和預警技術，對病蟲害的發生發展及時跟蹤，同時對未來動態加以準確預報。

在公路損毀遙感應用中，中科院等單位利用遙感技術對1998年全國特大水災中長江、嫩江流域遭受水毀的公路和鐵路災情進行了監測和評價[13]。中科院遙感所對1999年臺灣南投地震、2003年新疆伽師地震進行公路損毀監測。此外，對2008年初我國南方雪災凍害造成的交通擁堵，交通科學研究院、民政部減災中心等利用雷達衛星數據對京珠高速湖南郴州段進行了監測試驗；中科院遙感與數字地球研究所、交通科學院等對2008年“5·12”汶川地震導致的公路損毀情況進行了重災區公路受損干道的詳細損毀遙感評估分析，為公路應急救災搶通保修及災后重建及時提供了科學依據[14-15]。

我國已經建立了一些交通遙感應用系統，部分省市已經利用遙感數據開展了遙感應用并取得了很好的效果，但是與國外綜合應用高分辨率遙感技術手段相比仍具有較大差距，并且基于高分辨率的交通遙感應用在實際系統中的應用推廣不足。

四、高分辨率遙感技術在我國交通運輸行業的應用

交通運輸行業包括公路、水路、民航。以公路為例，從施工到后期維護主要包括路網規劃、建設、運維、環境評估等幾個重要階段。高分辨率遙感數據所具有的宏觀性、全面性、客觀性以及豐富的地物、地質信息，能夠快速提供可靠的地形地貌、地質構造和地物判別的信息，因此在交通運輸業中具有廣泛應用前景。

高分辨率遙感在我國公路交通運輸行業中的應用主要表現在以下幾個方面：路網規劃設計、路網運行維護、路網交通調查、路域環境監測與評估。

1.在路網規劃設計方面的應用

針對高速公路影響力大、涉及面廣、工程量重等特點，高分辨率遙感影像數據能為公路規劃應用中的功能分區圖制作、地質調查、占地分析、以及施工圖制作等任務提供基礎、直觀、豐富的信息。其在路網規劃設計方面的應用主要表現為：1）制作功能分區圖和交通施工圖：高分遙感影像的宏觀性能夠反映待建設路段區域的全局全貌，以及各類自然因素和人文因素的影響布局；另一方面，其高空間分辨率能夠使制圖實現精細化生產，信息量大、涵蓋內容豐富，因此高分數據成為高速公路建設前期的勘察設計規劃的主要資料。2）進行地質調查：高分辨率遙感影像的高空間分辨率具有對斷裂段進行標注，對地面上的大型滑坡、橋梁、隧道等進行解譯地質構造，對水域沖淤積、岸態變遷趨勢等信息分析的優勢。另一方面，高分數據能夠用于提取地形、地貌、地質構造和地物信息，以識別不良地質現象、隱藏地質現象、特殊性巖土和水文地質、環境地質等，為路線方案的選擇、橋梁和隧道的選址提供依據。3）進行占地分析與工程量估算：高速公路的施工階段，規劃者可以通過高分辨率遙感影像與其他資料進行動態對比分析，從而對高速公路的占地情況分析；另一方面，高分數據為高速公路規劃應用提供內容全面、影像清晰、定位準確的空間信息，結合地形圖，根據擬建公路的寬度、長度等信息，利用遙感信息可以對擬建公路的土石方、橋梁、隧道建設等施工量進行估算，并掌握施工進度情況。

加強對公路及其相關交通設施災害監測與道路損毀評估，及時發現道路及周邊環境的“細微”變化，對公路進行日常管理和災害預警，對于確保交通要道和“生命線”的暢通，提高其通行能力，具有非常緊迫的意義。路網運維管理主要包括公路的日常運行維護管理和交通設施公路災害監測與道路損毀評估兩個方面，具體應用包括：1）制作交通一張圖：從高分辨率遙感影像圖中獲取土地利用、道路網絡、交通流量、交叉口、主干道路等信息，結合GIS和地面采集數據，以直觀、生動、形象的方式予以描述。2）進行路網變化檢測：定期獲取特定區域高分辨率遙感影像，通過不同時相的高分辨率遙感影像變化分析，及時提取新增道路、新增交通樞紐信息，實現路網更新。3）進行路面健康狀況監測：主要采用高光譜分辨率數據或高空間分辨率數據，配合地面手段，對不同健康情況下的路面光譜反射率的差異進行識別，獲取路基結構、路面裂縫、變形等信息，以及進行不均與沉降監測，實現路面健康狀況調查。4）進行高速路網地質災害監測：利用遙感技術結合相關監測模型，對現有道路的周邊進行地質調查，獲取道路周邊的地形、地貌、不良地質現象和水文等信息，預防道路地質災害的發生，減小損害程度。5）進行山體滑坡監測：利用遙感影像實現滑坡體坡度、坡向、形態及高程等的識別，同時對滑坡造成的周邊環境的變化、引發的次生災害進行監測，具體應用過程中可能需要結合地面GPS沉降監測儀開展應用。6）進行路網災害損毀評估：利用遙感技術快速獲取地表信息，對災后公路沿線地質災害、次生災害對公路造成的斷道、掩埋等損毀情況進行評估，能夠為指揮決策和應急響應提供依據。

3.在路網交通調查方面的應用

交通擁堵現象以及由此引發的交通事故與交通環境污染等社會問題已極其嚴重，路網交通調查是指通過遙感影像及相關地面交通檢測設備對當前交通路網、交通基礎設施、交通流量等方面進行分析。遙感手段具有能夠高效、準確地獲取地面信息的特點。隨著空間科技的發展，綜合利用遙感技術開展路網交通調查能夠大大節省人力和物力，為交通管理和規劃提供基礎數據。具體應用包括：1）交通路網和基礎設施調查：通過高分辨率遙感影像對當前路網狀態、道路網絡、車輛保有量與構成、交通信號、交叉口類型、交叉口形式、交叉口坐標、交通標志等信息進行識別提取。2）交通調查分析：利用高分遙感影像數據，對國省干線、重點高速公路路網上交通狀態進行評估，具體包含兩個方面：一是利用高分遙感影像數據對路網上車流量、車流密度、車流速度等信息進行提取，對區域或者特定路段的交通狀態評估，分析路網的運行效率，分析路網投資的合理性；二是利用遙感影像數據，區分路網上運行的各種車輛類型，區分重卡、輕卡、客車、小車等，分析區域路網或者重點路段的貨運變化情況，該數據可以作為國家經濟指標的重要參考依據，同時也可為當地交通投資和基礎設施建設提供決策支持。3）路網交通狀態評估與變化趨勢分析：基于高分遙感影像，并結合其他交通檢測設備，對車流量、車流密度、車流速度、車型等道路交通信息進行提取，從而對當前交通狀態進行評估以及其變化趨勢進行分析。

4.在路域環境監測與評估方面應用

隨著公路交通運輸業的蓬勃發展及機動車保有量的迅猛增加，公路交通對環境的破壞，例如空氣污染、植被破壞、水土流失等已經到了十分嚴重的地步。高分辨率衛星遙感數據不但包含地物的幾何結構和紋理信息，而且蘊含準確、精細的自然環境信息與生態背景信息，因此能夠針對上述環境影響因素對公路周邊環境影響進行有效監測與評估。具體應用包括：1）公路域空氣污染監測：通過衛星所攜高光譜分辨率大氣成分探測儀探測到的數據計算公路域周邊的空氣組成成分，對公路周邊的空氣情況進行監測，監測有害氣體含量是否超標，并結合路面尾氣排放探測器實際測量的數據估算公路車輛每天的尾氣排放量，從而評估高速公路是否會給自然保護區環境及其他環境帶來負面影響。2）公路域植被破壞監測：采用高光譜數據或高空間分辨率數據，配合地面手段，對不同健康情況下的植被光譜反射率的差異進行識別，獲取植被健康狀況信息并生成植被覆蓋度產品。3）水土流失監測：高速公路的建設需要開挖大量的土石，從而使得植被破壞和大量土壤裸露于地表，造成公路周邊的水土保持系統極為脆弱。利用高分辨率遙感影像定期監測公路域周邊地表裸露程度和典型地形地貌，并結合數字高程模型（DEM）數據，估算水土流失量。

五、交通運輸行業高分產業化應用障礙及未來展望

目前各行業包括交通運輸行業都大力引進遙感、GIS等信息技術，提升行業由內而外的信息化管理水平，但是相較于其他諸如農林業、氣象、測繪等行業來說，交通運輸行業對于遙感尤其是高分辨率遙感技術的應用乃至產業化進程是稍顯落后的，這其中不僅有其應用需求因素，還有該行業自身特點的原因。那么如何打破制約其飛速發展的瓶頸，首先需要了解其制約障礙，并且以高分辨率遙感特點為出發點，以交通運輸行業信息應用為落腳點，發現并研究交通運輸行業高分辨率遙感應用的關鍵環節。以公路為例，交通運輸行業當前呈現出以下幾點關鍵問題：

1）公路網遙感特征判讀與識別。公路網在遙感影像上的判讀既具有其優勢又有劣勢，公路具有一定的寬度，其形狀類似于帶狀線或窄的矩形，并且公路網絡具有一定的規則，幾何特征明顯又固定，這是其優勢；而劣勢之一是公路的寬度及周邊設施難以精確的提取，之二則是農村公路的隨意性和未開發性。由此產生對圖像處理、模式識別等遙感技術的高要求、新需求。從高分辨率遙感圖像，尤其是在高分辨率SAR圖像中提取公路網絡，隨著圖像分辨率的提高，各種細節特征也更豐富，公路目標也更多，許多較窄的在低分辨率圖像中難以辨別的公路也能分辨出來，但同時圖像中非目標噪聲也越來越多。因此，提取高分辨率圖像中的公路特征比較困難。

2）多源數據的信息融合。交通運輸行業已經不滿足單一依靠遙感數據源的信息化發展，實際中，該行業可以利用路段監控的攝像頭視頻、浮動車、定點埋設的傳感器來實現路段的交通流監控、路網災害監測等業務。雖然隨著各種不同傳感器相繼開展應用，利用這些遙感器可以獲得越來越多的大面積的同一區域的對地觀測數據；但是這些數據之間存在一定的冗余性和互補性，如何有機的融合各種不同傳感器數據，準確完整地提取公路網絡是一個亟待解決并且需要不斷完善的方向。

3）大部制改革所帶來的機遇與挑戰。交通體系又好又快的可持續發展是新時期我國交通發展的戰略目標，國家大部制改革帶來了中國交通行政管理體系組織結構上的進步，但同時在設施普查中需要航拍來清點設施，而大部制改革所帶來的交通基礎資料大量缺失、重新整理“清單”所帶來的大量勞動、以及城市交通管理的混亂，就迫切需要高效、迅速、便捷的信息化手段彌補行業大部制改革中出現的信息斷層問題，從而彌補缺失信息，優化已有信息，積極配合國家政策，引導和支持交通行業行政管理與技術管理各層面上的順利過渡。

4）基于交通一張圖的政務和民用。目前我國測繪行業推出了“天地圖”等國家授權的測繪地圖，但是與人民“衣食住行”中的“行”最密切相關的交通行業卻缺乏這類將遙感資源、交通資源融入一起的“交通一張圖”。而它的開發應用是存在極大的部內政務應用和強大的民用需求的。因此，在基于對高分辨率遙感影像的充分使用和基于對多源數據的信息融合基礎上，將這些資源以圖層、切片的形式展現給不同的用戶使用，是一個為人民謀福利、增進人民福祉的方向。

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