高分衛星應用模式創新研究及在交通領域的實踐

中國公路工程咨詢集團有限公司 上官甦

研究情況概述

高分專項（高分辨率對地觀測系統重大專項的簡稱，是《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006-2020年）》確定的十六個重大科技專項之一）實施以來，在抓總負責我國高分衛星應用推廣的任務背景下，以“切實支撐國家治理體系和治理能力現代化建設，保障各級政府日常管理所需的遙感服務能力，使高分應用進入重點行業主體業務和地方綜合治理體系”為目標，筆者提出設計由應用產品體系和技術體系、產業體系組成的高分應用推廣理論架構和組織架構，形成政府建規則、統資源、搭平臺、做監管，應用機構（各行業應用部門、各省級高分中心）出產品，區域應用建模式，企業為主做服務，協會培訓與評價的新體系。

在應用技術體系和產業體系方面，創新主要體現在：（1）創新應用模式，提出信息提取和信息承載相結合的應用模式，前者即為傳統的遙感應用模式，是指通過對遙感數據進行定標、反演、分析、識別、真實性檢驗等解譯處理，提取目標的相關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濟信息的基底和平臺，以位置和時間為要素，關聯和承載其他不同層級各類信息，采用大數據的分析方法，得到新的綜合性的分析結果。兩種模式相結合，引領空間信息產業發展新業態，快速走向定量化、產業化發展新階段。（2）組織共性產品研發，降低應用門檻。按照優勢統籌、重點突破、標準統一、產品實用、共享服務、降低門檻的原則，充分利用各行業部門、高校和研究機構在我國遙感應用領域的技術基礎或技術儲備，組織開展了高分衛星數據應用共性關鍵技術的研發，以衛星用戶需求為導向，以降低應用門檻為目標，提出了成果要產品化、工程化、標準化和可共享的要求，已經形成一批共性產品軟件工具。

在產品體系方面，創新主要體現在：（1）創新提出“三個清單”（產品清單、服務清單和標準規范清單）的研發成果目標，保障交付的成果可復制、可推廣應用，為行業、區域應用示范系統建設和應用推廣提供技術支持與服務能力。（2）將超過2個行業專題產品生產所需要的輸入，并且可利用同步實測數據進行真實性檢驗的產品定義為共性產品。基于各單位目前研制的446種高分專題產品進行回溯，梳理出39種共性產品，未來將實現所有共性產品統一標準化生產，提供相關單位共享。（3）建設高分國家級真實性檢驗系統，為共性產品提供真實性檢驗服務，確保定量遙感產品的精度，為行業應用提供更豐富、精確的產品和服務。

在高分應用技術體系和產品體系的指導和引領下，18個行業面向本行業的業務需求，共研制了446種專題產品。下面以高分在交通領域的業務應用為例，結合當前正在部署的高分共性產品研制與生產，探討高分交通領域應用新模式和新業態。

高分交通領域應用方向

綜合交通行業的縱向應用推廣和30個省級高分中心的橫向應用推廣，高分遙感在交通領域的應用可以概括為如下7個方向：

（1）交通路網規劃方向。具備道路網（主要指國道等級以上的公路）監測、交通量監測等專題產品的生產能力；

（2）道路勘察設計方向。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品的生產能力；

（3）路網監控與應急方向。具備道路地質災害調查專題產品、災后路段運行評估、道路損毀應急評估等專題產品的生產能力；

（4）交通出行服務方向。具備路網運行監測、居民出行密度分布等專題產品的生產能力；

（5）航道環境監測與航運輔助管理方向。具備航道邊界線、航道洲灘監測、水面關鍵目標（水面船舶、靠岸的船舶）等專題產品的生產能力；

（6）機場規劃建設方向。具備機場基礎設施信息（機場跑道、機場滑行道）、機場熱溫反演專題產品、機場建設用地變化檢測等專題產品的生產能力；

（7）農村道路普查與安保方向。具備農村道路普查產品、農村道路安保監測產品、農村道路竣工核查產品監測專題產品生產能力。

圖1 高分交通領域應用方向

面向交通強國建設的應用模式創新研究

圖1所示19種專題產品，即為采用高分信息提取模式和高分信息承載模式生成的，結合高分正在建設的真實性檢驗場站網系統和共性產品，支撐交通強國建設的更廣泛應用，未來高分交通領域及技術流程可進一步拓展，應用模式和技術流程如下：

（1）0級-2級標準產品生成。主要指從高分衛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，得到輻射校正產品，消除幾何畸變的稱為幾何校正，得到幾何校正產品；

（2）3級-5級共性產品生成。針對交通領域的應用，未來主要專題產品可基于土地覆蓋/土地利用、植被指數、地表溫度等共性產品來生產。所有共性產品成果基于“高分共享平臺”（http：//gfplatform.cnsa.gov.cn）共享分發。針對交通專題產品生產的需求，對土地覆蓋/土地利用產品矢量化，疊加到原始影像上，進行專題信息分割，得到交通運輸用地、水域及水利設施用地和公共管理與公共服務用地等產品。這些產品是高分交通領域專題產品生產中的過程數據。

圖2 高分交通領域應用模式及技術流程圖

（3）6級專題產品生成。結合道路網矢量數據、工程地質、基礎地理信息等其他數據，對上一步得到的專題產品進行專題信息提取，如基于交通運輸用地專題產品，疊加城鄉區劃矢量圖，確定屬于農村范圍的道路，并按照農村道路判別特征，南方寬度≥1.0m、≤8.0m，北方寬度≥2.0m、≤8.0m，可進一步提取得到農村道路專題產品。基于水域及水利設施專題產品，可以進一步提取得到水上關鍵目標專題產品和航道邊界線專題產品。

（4）7級專題產品生成。上述兩個步驟都屬于信息提取應用模式，此步驟屬于信息承載應用模式，即基于通過信息提取得到的專題產品，疊加土地利用屬性、居民出行調查數據以及其他地面實測數據，采用大數據的分析方法，得到的綜合性專題產品。如道路勘察設計中，基于道路勘察信息專題產品，疊加社會調查數據、生態調查數據等，進行環境影響評價，綜合公路路線方案經濟費用評價模型，對不同方案進行比選，最終生成道路選線輔助決策專題產品。

基于典型應用案例的應用模式分析

高分交通領域的專題產品目前在公路、水運等重點交通領域發揮了重要作用，下面結合應用實例探討“高分專項”助力“交通強國”建設的應用模式以及技術流程分析，探索基于高分應用模式和技術流程的應用效率提升。

基于高分數據的道路勘察設計技術流程

基于高分衛星遙感影像，在某跨境高速公路勘測設計任務中，高分交通中心只用了一個月左右的時間，就拿出了方案報告，較傳統手段縮短約60%周期，充分體現了高分衛星應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品；

（2）總體線路選擇。結合項目區域現狀資料（交通量、社會經濟及產業布局、人口分布、社會環境）、發展規劃資料（社會經濟發展戰略、綜合交通運輸及公路網規劃、城市總體規劃）、建設條件資料（地形地貌、水文氣象、工程地質、環境敏感區、筑路材料及運輸條件）、測繪及設計資料（各種比例尺地形圖、DEM、航攝像片、已有勘測設計資料）等基礎調查資料生成公路選線輔助決策專題產品，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，從技術指標、安全、環境、經濟等幾個方面，對K線走廊帶方案和A線走廊帶方案進行多因素比較，確定推薦方案。

當國家共性產品庫建成后，流程第一步可以基于高分共性產品來生產，行業應用的重心可以聚焦到第二步和第三步，進一步提高勘察的效率，創造出更多更實用的專題產品，進一步豐富產品體系。

圖3 道路勘察設計方案對比

基于高分數據的農村公路安保監測技術流程

基于高分衛星數據，進行路網提取，實現了農村公路數據的路網核查和綜合分析，提供農村公路在規劃、建設、養護等各個環節上的資金、資源配比參考，為各級業務人員的決策提供信息支撐。以農村公路安保監測為例，其技術流程如下：

（1）內業隱患排查。基于高分衛星影像，采用信息提取應用模式，提取農村道路專題圖，并進一步按照道路隱患規則，提取道路隱患點，如圖4（a）為對臨水和臨崖的路段隱患點進行排查。

（2）施工設計。根據隱患的類型和隱患處理的相關規定，以高分衛星影像為底圖，進行施工設計。

（3）現場數據采集、復核和驗收。將影像圖、施工設計圖和其他相關數據集成到手機App中，在隱患點現場，基于App完成外業數據采集、內業施工設計復核和驗收，如圖4（b）所示。

當國家共性產品庫建成后，業務部門可以直接從高分共享平臺中獲取農村道路專題圖，從而可以將應用重心集中到隱患排查及后續工作中。

圖4 農村公路安保監測及施工設計

圖5 九寨溝災后路段運行評估圖

基于高分數據的路網監控應急技術流程

基于高分衛星遙感影像，已形成對公路地質災害監測、預警、評估的長效機制。

在2017年8月8日九寨溝地震中，按照我們發布的應急工作機制和流程，災后第二天即將高分二號數據推送至交通等相關行業部門和省級中心，其應用流程為：

（1）生成道路專題產品。基于高分衛星影像，疊加九寨溝地區的矢量圖，對影像進行矢量分割后，采用信息提取模式生成道路專題產品。

（2）生成災后路段運行評估等專題產品，如圖5為震后第二天生成的災后路段運行評估圖，圖中黑色為道路阻斷點，紅色為嚴重阻塞道路，經評估，震區周邊道路阻斷有23處，為搶通保通、應急救援提供了有效的輔助決策信息。

結語

高分創新的應用推廣模式為行業遙感應用帶來了質的飛躍，高分數據專題產品與交通行業的專業模型結合在一起，形成了強大的生產力，支撐了交通行業的業務化應用，在行業和地方治理能力和治理體系現代化方面起到了重要作用，在十九大報告“交通強國”建設的總體要求下，伴隨著國家共性產品庫的建設，交通專題產品將進一步豐富，高分專項將助力交通運輸行業進入綜合交通運輸基礎設施加速成網、交通運輸業加快轉型升級、現代治理能力持續提升、現代綜合交通運輸體系加快構建的快車道。