應用衛星系統助力品質工程

文/圖 中國交通建設集團有限公司 崔銀秋

中交星宇科技有限公司 劉玲

詳解：空間信息走廊

經過60年自主發展，我國已建立起較為完善的航天科技工業體系，初步建成了以通信、導航和對地觀測衛星為主體的應用衛星系統。2016年我國出臺《關于加快推進“一帶一路”空間信息走廊建設與應用的指導意見》，提出要充分利用已有和規劃發展的遙感、通信、導航等衛星資源，補充建設地面信息服務網絡，開展空間信息在“一帶一路”核心支點的應用示范，在空間信息領域為“一帶一路”沿線國家和地區貢獻了“中國方案”。

空間信息走廊建設的總體目標是經過10年左右的努力，基本建成以東南亞、南亞、西亞、中亞、北非為重點，輻射大洋洲、中東歐、非洲等區域，設施齊全、服務高效的“一帶一路”空間信息走廊，成為我國與沿線國家共建“一帶一路”的嶄新亮點，使我國空間信息產業在走廊區域的市場化、國際化達到世界先進水平，為走向世界奠定堅實基礎，惠及“一帶一路”沿線國家經濟社會發展。正在組織論證的“天地一體化信息網絡”重大專項，將實現天地互聯、協同使用，衛星數據實時獲取、安全可控、隨遇接入、按需服務，未來將大幅提升我國全球衛星通信能力。

隨著“一帶一路”倡議、西部大開發的不斷深入，我國公路建設的中心已逐步從東部發達地區向西部山區、邊遠荒漠地區延伸，從國內公路建設向國際大通道方向輻射，對于“品質工程”的建設也提出了越來越高的要求。自主空間信息技術，可為“品質工程”建設提供先進技術保障。

空間信息技術是“品質工程”的“大腦”“眼睛”和“胃”

在“品質工程”的創建過程中，“四新技術”的應用，是打造“品質公路”的重要支撐之一。“四新技術”離不開衛星通信、定位導航、高分遙感、地理信息系統及高性能云計算、深度學習等技術。其中，遙感和導航定位技術相當于“眼睛”和神經末稍，洞察現在，預知未來；地理信息系統及各種機器學習和深度學習算法，相當于“大腦”，具有精準判斷能力，理解數據信息究竟代表什么意義，如何更好地實現其價值；高性能云計算相當于“胃”，它必須擁有強大的消化功能，才能夠消化掉海量的數據，通信技術相當于毛細血管，打通了數據采集、傳輸的各個環節，不斷輸送新鮮血液。

衛星通信、北斗人員定位、通信、預警系統示意圖

空間信息技術是“品質工程”建設的重要支撐體系，通過空間信息技術將人類活動及其自然環境的各類信息以空間數據為平臺，進行采集、量測、分析、存儲、管理顯示、傳播和應用整合，極大拓展和提升了人類認知自然、探索世界的能力。

數字化公路建設是品質公路建設的重要組成部分，通過數字化公路建設，將公路、空間信息和屬性信息數字化、可視化、網絡化、智能化，構成公路信息模型，實現從規劃、勘察、設計、施工、監控、收費、養護、運營和服務等環節上，對高速公路進行數字化建設、管理、養護和可持續發展。

規劃與勘察設計。在項目規劃、科研和投標階段，急需項目區域測繪基準、地形和地質等資料，但是傳統手段耗時長、投入大，困難地區人員無法到達、儀器設備出關難，無法滿足生產需要，而衛星綜合技術可給予補充，獲取速度快、精度高、投入少、頻次高、現勢性強，在宏觀方面可滿足交通規劃、勘察、設計的需求。北斗的高精度導航定位，滿足設計、規劃、運營、監測等需要高精度坐標基準服務的用戶需求。高分遙感衛星影像，為預可行性研究和選線、選址輔助決策提供依據，相關土地信息可為后期征地拆遷賠償等提供第一手資料，可支撐掌握項目區域的基礎交通網絡數據信息。

施工與運營監控。利用自主通導一體化手持終端主動報警和被動報警模式，可實現施工人員全員安全監管。而數字化施工技術，是在施工機械上加裝自動控制系統，配合北斗/GPS（全球定位系統）或全站儀進行施工的自動控制作業，不需要人員在機械周圍監測，避免重復作業，保障了施工安全。

數字化施工示意圖

北斗應急救援示意圖

地質災害演化和潛在地質災害，對項目建設及將來的安全運營造成潛在威脅。高分遙感技術可對項目區域范圍內的地質災害類型、等級進行分區、分類，形成公路地質災害基礎數據庫，結合區域內的水文、氣象、地質構造等歷史數據，及時觀測分析，可評估預警地質災害的危險性，通過長期動態監測，預測地質災害的發展發育情況。在高危區域布置數據采集終端，實時傳輸災害信息，及時掌握發生災害時間、位置，可提高工程應急救援實時性和救援效率。利用衛星移動通信，構建重點施工區域內局域通信網絡，結合手持終端與傳感器，能夠輔助工程各階段巡檢工作，實現工程現場隱患數據的采集、處理反饋、復查、預警預報，以及隱患點規避等功能，達到提前預警作用。

應急救援。可以有效利用現有通信衛星資源，結合局域網通信技術化手段，提高現有救助力量的救援效率。應急條件下，利用手持終端，通過衛星鏈路，實現終端之間、終端與公網用戶間的雙向通信，匯報現場情況、位置信息、拍攝上傳現場視頻及圖像信息，指揮機關及時指令、實時監控、實時信息交互，實現高效可靠的應急救援通信、定位導航保障。

某大橋橋位1：10000影像圖和地形

體系化和全球化的空間信息技術

空間信息技術作為不受國界限制獲取、傳輸和實時快速實現全球通信、導航定位授時和多尺度（包括高分辨率）觀測的空間基礎設施，其應用滲透到國民經濟與社會發展的各個領域，已經成為“一帶一路”基礎設施和新興產業產能合作的重要組成部分，對于支撐我國企業拓展國際市場、推進“品質工程”建設具有特別重要的作用。

目前，空間信息走廊建設已進入體系化發展和全球化服務的新階段。衛星遙感向地球整體觀測和多星組網觀測發展，逐步形成立體、多維、高中低分辨率結合的全球綜合觀測能力，基于全球高精度地面控制點網和高分遙感動態監測信息深度融入天地一體化的寬帶網絡互聯、物聯網、云計算應用，正在開啟面向各類終端用戶的網絡在線時空大數據服務新模式；衛星通信廣播各類業務趨于融合并向寬帶多媒體方向發展，下一代移動通信衛星星座正在加緊部署；衛星導航從美國主導的單一GPS時代邁向美國、俄羅斯、中國、歐洲四大全球系統和日本、印度兩大區域系統競相發展的新時代。全球衛星及應用產業快速增長，進入21世紀以來，年均增長率保持10%以上。發展和完善自主的空間基礎設施，日益成為發達國家和地區追求空間領域領先、搶占經濟科技競爭制高點、發展新興產業、維護安全利益的戰略選擇。在這一背景下，完善空間信息走廊建設，建立多層次自主可控的全球空間基礎設施及其應用體系，促進“一帶一路”空間信息技術共建共享機制和應用，不但是我國建設覆蓋全球的現代化空間信息走廊，提升空間信息產業國際競爭能力的客觀需要，也是“規劃”中我國與沿線國家在高新技術領域合作的重要組成部分。

隨著空間信息技術的發展，呈現需求不斷擴大（向產能合作、資源環境、文化交流、旅游、減災等領域擴展），應用不斷深化（與業務融合水平不斷提升），逐步形成對一些重要行業（如交通）主導業務的全面信息支撐，通導遙與天空地一體化綜合應用正在成為主要應用方式。這些應用項目在支撐我國與沿線國家開展交通、能源、水利、港口等重大基礎設施建設與產能合作、人文遺址保護與旅游等人文交流，以及自然資源開發與環境保護、防災減災救災、邊防安全與反恐等合作領域發揮了越來越重要的作用。國家鼓勵空間信息技術采用市場化運作，遵循國際慣例，納入工程項目規劃，由骨干企業組織實施；國家通過實施鼓勵高技術成果轉化和促進戰略新興產業的政策，通過政策性貸款等市場模式予以扶持。

基于通信衛星、北斗導航和高分遙感的自主空間信息技術

在交通建設方面，通過北斗地基增強系統為交通建設提供空間參考基準，在此基礎上通過高分遙感、北斗導航等多種數據采集手段，提供1：50000 到 1：10000 甚 至 1：5000 大 區域衛星遙感圖像或地形圖，特別是在基礎資料嚴重匱乏區域，不僅可提供規劃、勘察、設計、施工等業務領域所需的地形、地物、地質信息，加快方案比選的速度，還可通過影像解譯和分析，對走廊帶的地質、生態環境進行區域性、周期性動態監測，大大降低野外工作量，提高勘察效率。

公路三維設計環境

利用空間信息技術，可對景觀生態環境進行分析和可視化評估，指導對自然生態環境的保護，充分體現“在設計上最大限度地保護生態”的先進理念。在新的技術體系下，可采用三維地理信息建模方法構建一個高精度、可量測的真實交通地理信息環境，從地形、地質、生態環境等多個方面全面評估和優化設計方案，進一步保證了公路勘察設計的質量，提高勘察設計效率，極大降低建設成本。

在“品質工程”建設中，質量和進度是重要考查指標。在工程建設過程中，衛星綜合技術為工程提供實時動態周期性監測數據，從影像上可直接獲取建設區內工程的形象進度，以及周邊的耕地、農田、林地、居民地、建筑用地等土地利用分布信息，可為征地拆遷賠償等提供第一手資料。

基于遙感影像的公路形象進度展示

例如，基于遙感影像進度核查數據處理結果與建設計劃、上報比對分析，實現了基于遙感的進度核查和GIS可視化進展展示，輔助于公路建設宏觀、動態監管和決策分析。

在交通工程運營及養護方面，高分遙感技術在災害發生前，可連續提供有關自然災害發生背景、條件的大量信息，有助于圈定某些災害可能發生的地區、時段及危害程度，從而采取必要的措施，減輕災害造成的損失；在成災以后可在大范圍內迅速、準確地對災害造成的損失進行評估分級，以便及時組織救災、恢復生產、重建家園。同時，利用高分衛星遙感影像與地面無線傳感網、北斗等現代信息技術進行有效結合對施工及運營期間高邊坡、橋梁等區域進行動態監管，對大型構造物進行監測，并利用終端設備及時將信息傳輸到各級管理人員及施工人員，達到有效地組織應急救援活動的目的。

衛星綜合技術在災害監測應急中的應用

高速地質災害分布專題圖

例如，在高速公路地質災害的危險性評估預警中，通過長時期動態監測，可對地質災害的發展發育情況進行預測。還可以在易發生災害區域，通過布置數據采集終端，定時向指揮監控機關傳輸災害信息，實現災害精度定位，實時上報，從而及時掌握發生災害時間、位置，縮短災害定位所需時間，提高救援效率。

在應急救援方面，利用現有北斗導航和通信衛星資源，結合局域網通信技術化手段，同時滿足廣域通信和定位功能，應急救助人員在天通一號移動通信模式下，通過S頻段衛星鏈路，實現終端之間，或終端通過關口站與公網用戶間的雙向通信，匯報現場情況、拍攝上傳現場視頻及圖像信息，同時將位置信息自動一并上報；指揮機關通過公網用戶終端或通導一體化終端下達指揮命令、實時監控回傳的視頻、圖像等救援現場實況，掌握災害位置信息、區域等。

例如，在隧道內部，通過北斗終端可在最短時間內將現場情況以語音、數據等形式報送上級，并可與其它終端進行實時的信息交互，實現高效可靠工程應急救援通信、定位導航保障，構建點-線-面結合的綜合應急保障體系。

隧道內部北斗監測預警

空間信息技術讓公路更智能

2018年，交通運輸部提出加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點，包括基礎設施數字化、路運一體化車路協同、北斗高精度定位綜合應用、基于大數據的路網綜合管理、“互聯網+”路網綜合服務和新一代國家交通控制網六個方向。新一代國家交通控制網和智慧公路將對未來的“品質工程”建設提供思路和方向，未來的交通“品質工程”也將朝著更加數字化、智能化、智慧化的方向發展。

空間信息技術可為未來品質公路建設提供主動式、持續性的服務保障能力，主要體現在數字化設施、智能管控、智慧決策、高效服務等方面。

數字化設施方面，基于高分辨率衛星遙感和自主北斗導航技術，實現公路、橋梁、附屬設施等公路交通基礎設施具備多維感知能力，能夠實現彼此間的信息互聯互通和自動控制，并與交通工具、交通參與者的協同聯動，為公路交通安全和高效通行提供數據支撐。未來的民用空間分辨率達到0.3米，可以精確識別表面積為0.1平方米的地物，實現基礎設施的感知和監測。結合高分遙感和北斗導航技術，針對橋梁、邊坡，以及道路路面構建點面結合的沉降監測系統，可極大提高路面、橋梁、邊坡等基礎設施的沉降監測精度(毫米級)。

智能管控方面，基于5G、衛星通信等技術，打造天地一體的公路通信網絡，實現路網運行的全面感知能力，實現人、車、路的一體化運行監測，第一時間發現公路通行異常，實現區域路網協同管理、出行信息服務等智能應用。基于北斗衛星技術，整合浮動車、報警手機定位等，可實現道路流量監測、路況預判，還可實現報警車輛與視頻監控系統的聯動，實現應急救援指揮調度、分流預案、應急信息提示等，快速處置交通事故。

智慧決策方面，以云計算、GIS技術、大數據、物聯網、移動互聯網等信息化新技術與公路行業的深度融合，實現路網海量數據匯聚，提升公路行業的精細化管理水平。圍繞公路交通安全、舒適、高效的通行能力，以及日常運維管理的智能化，實現主動預測、自動處置、快速響應、服務高效，全面提升以人為本的智慧公路決策水平。

高效服務方面，通過人、車、路互聯互通，及時聯網發布跨區域交通信息及事故信息，提高公路信息服務水平和質量，包括動態路徑導航、實時路況發布、個性化出行、交通分析等。同時，綜合應用北斗地基增強、北斗衛星短報文、VAST寬帶衛星通信等技術，結合手機App定位、高精度地圖、4G視頻、移動應急指揮車等手段，搭建綜合應急指揮調度體系，實現人員、應急救援車輛的快速調配，以及事件現場與指揮調度中心的信息共享和聯動，提升應急救援效率。