基于高分遙感的海上航行保障應用業務增強系統設計

張國興 王銳

摘? 要：本文提出利用高分遙感觀測技術，對海上航行保障應用業務增強系統的總體架構、業務流程和子系統進行了設計，提供統一的“空、天、海、地”各種遙感協同觀測數據信息管理與服務，解決了航行保障信息化建設相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統支撐的問題，實現了海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協同測繪、航標涂色和結構巡檢、航道能見度監測等功能。

關鍵詞：區域協同觀測;海上航行保障;海岸帶測繪;航標巡檢;航道能見度

0 引 言

我們分析海上航行安全保障和高分遙感應用現狀，認識到：海岸帶地形測繪、特殊區域測繪存在成本、技術等方面的制約;航標常規巡檢周期長、費用高;VTS探測范圍有限，能見度不良導致大型船舶停航或滯航，影響港口生產;高分遙感技術在航行保障中廣泛應用，等等。因此，高分遙感技術在海事測繪、海事管理中具有廣泛的應用潛力，充分發揮衛星遙感影像數據的價值，可以提高航海保障能力和海事監管水平。

在海岸帶地形測繪方面，本系統建設利用多平臺、多種傳感器聯合協同作業，充分發揮高分衛星遙感攝影、合成孔徑雷達、激光雷達、無人機等先進技術的優勢，采用新的數據處理手段及流程，實現海岸帶地形“天、空、地”一體化的快速智能型測繪新模式。

在海上航標巡檢方面，本應用示范系統建設需利用高分遙感衛星和無人機通過對海上航標進行視頻圖像采集并及時傳回，能夠使航標管理部門掌握海上航標位置、顏色和結構實時情況，對情況的分析更加全面、準確，可有效提高航標管理效率。

在航道能見度監測方面，本系統建設需利用“風云三號”衛星或航標能見度儀來獲取航道的能見度信息，并通過航標北斗和AIS基站向各船載應用系統轉發，進一步提升船舶的霧航能力。

總之，基于高分遙感的海上航行保障應用業務增強系統將提供新手段和途徑實現海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協同測繪、航標立體巡檢及航道能見度實時監測，對提升海上航行保障服務水平具有重要意義。

1 系統總體架構

海上航行保障應用業務增強系統的總體架構如圖1所示。

從總體架構圖可以看出，本系統由數據層、系統層和應用層組成。

（1）數據層：包括高分遙感數據、海事遙感多源輔助數據（無人機、北斗、AIS、GIS等）。

（2）系統層：包括海岸帶地形測繪增強子系統、航標巡檢增強子系統和航道能見度監測增強子系統等三大應用系統，以及衛星通信信息處理平臺（含遙感衛星、北斗衛星和AIS衛星）、無人機通信信息處理平臺、AIS通信信息處理平臺、電子海圖平臺和數據交換平臺等五大應用支撐平臺。

（3）應用層：包括海事測繪中心、航標處、VTS等。

2 系統設計方案

2.1 系統總體框架

海上航行保障應用業務增強系統：主要面向東海航海保障中心，提供統一的“空、天、海、地”各種遙感協同觀測數據信息管理與服務，主要解決航行保障信息化建設相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統支撐的問題，主要實現海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協同測繪、航標涂色和結構巡檢、航道能見度監測等業務增強功能，如圖2所示。

2.2 業務系統流程

根據現有海上航行保障應用業務流程，結合海事測繪中心、航標處等單位的法定職責，確定總體業務系統流程如圖3所示。

2.3 海岸帶地形測繪增強子系統

2.3.1 功能設計

海岸帶地形測繪增強子系統獲得海區的高分辨率衛星影像和航攝影像原始數據，對原始數據的輻射糾正、傳感器的姿態引起的誤差糾正、幾何校正、正射校正、地圖投影、坐標轉換以及多源影像融合等一系列處理，制作海岸帶地形測繪基礎空間專題數據產品。能通過產品服務共享平臺，為海事測繪中心提供轄區內各類直接涉及船舶航行安全的地理信息數據、應急海圖專項海圖、工程圖;提供各類專題數據產品的瀏覽、檢索及下載等海岸帶地形測繪信息服務能力;提供各種常態化信息產品需求的收集、處理、分發等信息產品分發服務能力，助其進行相應的港口航道測量、應急掃海測量、專項測量、計劃外工程測量工作。

2.3.2 流程設計

海岸帶地形測繪增強子系統具體流程如圖4所示：

利用無人機航空攝影測繪和高分辨率遙感衛星測繪分別經過無人機通信信息處理平臺和衛星通信信息處理平臺接收的航攝影像和高分辨率遙感圖像，轉發至海岸帶地形測繪增強子系統進行處理，通過開發基于海量數據交互提取技術、大數據處理技術、并行計算技術等強大的遙感數據處理平臺軟件，把處理后的結果在電子海圖平臺上進行綜合顯示，以及通過產品服務共享平臺為用戶提供產品服務支持。

2.3.3 接口設計

根據海岸帶地形測繪增強子系統的信息獲取來源，子系統具有以下4個接口：

（1）與數據交換平臺之間的接口，獲取海岸帶地形的基本信息，包括：區域、位置等;

（2）與無人機通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉發高清影像信息;

（3）與衛星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉發高分辨率遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實現海岸帶地形信息的集成展示。

2.4 航標巡檢增強子系統

2.4.1 功能設計

航標巡檢增強子系統通過高分遙感衛星和無人機搭載可見光或多光譜載荷采集航標的高分遙感圖像或視頻，并將拍攝的圖像或視頻通過圖傳設備及時傳輸至地面站，可使航標巡檢部門實時掌握航標結構狀態和顏色狀態情況，分析航標狀態更加準確，提高航標巡檢部門的巡檢效率。采用高分遙感衛星和無人機完成海上航標立體巡檢任務，形成“空、天、地、海”立體監管模式，并最終實現全覆蓋、全方位的航標巡檢管理的綜合助航服務體系，為水運經濟發展和船舶安全航行提供航海保障服務。

2.4.2 流程設計（見圖5）

航標位置巡檢通過無人機航空攝影和高分辨率遙感衛星拍攝的方式來實現。一方面，對于無人機航空攝影方式，如同航標顏色和結構巡檢，無人機按照規劃路線飛往任務執行區，對航道內的航標進行連續的拍攝，并將航標航攝影像通過無線數據傳輸鏈路發送給無人機通信信息處理平臺，無人機通信信息處理平臺同時將航標信息轉發給航標處指揮中心，航標處指揮中心對接收的航標航攝原始影像進行處理，并判斷航標移位或漂失、顏色或結構有問題后，指揮調度航標船到該區域進行維護;另一方面，對于高分辨率遙感衛星拍攝方式，高分辨率遙感衛星拍攝任務區的航標遙感圖像，衛星通信信息處理平臺接收到航標遙感圖像后轉發給航標處指揮中心，航標處指揮中心對航標遙感原始影像進行處理，并判斷航標移位或漂失、顏色或結構有問題后，指揮調度航標船到該區域進行維護。

2.4.3 接口設計

根據航標巡檢增強子系統的信息獲取來源，子系統具有以下4個接口：

（1）與數據交換平臺之間的接口，獲取航標基本信息，包括：區域、位置等;

（2）與無人機通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉發無人機拍攝的航標顏色和結構航攝影像信息;

（3）與衛星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉發高分辨率遙感衛星拍攝的航標遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實現航標位置、顏色和結構信息的集成展示。

2.5 航道能見度監測增強子系統

2.5.1 功能設計

航道能見度監測增強子系統一方面，航道能見度監測增強子系統通過“風云三號”衛星探測航道能見度信息并轉發到衛星通信信息處理平臺進行處理;另一方面航道能見度監測增強子系統通過在港口VTS中心管轄區域的海上航標上安裝前向散射能見度儀來獲取港口航道的能見度信息，并通過航標上的北斗短消息轉發到衛星通信信息處理平臺進行處理。衛星通信信息處理平臺能夠及時判斷接收的能見度信息是否異常和及時掌握港口航道內能見度狀態，如有異常，則自動顯示并告警，并通過對能見度告警級別、告警方式、發送方式等設置，能夠及時提醒駕駛員或值班員船舶即將或已經進入霧區，進而提升船舶霧航能力，減少應霧引起的航班延誤造成的經濟損失，預防應霧引起的海上突發事故的發生。

2.5.2 流程設計（見圖6）

航道能見度監測增強系統，包括“風云三號”衛星探測子系統、航標信息采集與傳輸子系統、衛星通信信息處理平臺、北斗船載應用子系統和AIS船載應用子系統;其中，航標信息采集與傳輸子系統與衛星通信信息處理平臺之間通過北斗衛星鏈路進行通訊，衛星通信信息處理平臺與北斗船載應用子系統之間通過北斗衛星鏈路進行通訊，衛星通信信息處理平臺與AIS船載應用子系統之間通過AIS基站鏈路進行通訊。

首先，“風云三號”衛星探測子系統將探測到的能見度信息轉發至衛星通信信息處理平臺;航標信息采集與傳輸子系統通過在海上航標上安裝能見度儀來采集港口航道的能見度信息，通過在海上航標上安裝北斗通信設備來采集港口觀測位置，將港口觀測位置及其所在位置的能見度信息打包成可供衛星通信信息處理平臺接收的北斗短報文，并經北斗衛星向衛星通信信息處理平臺傳輸。

其次，衛星通信信息處理平臺接收“風云三號”衛星探測子系統和航標信息采集與傳輸子系統發送的能見度信息，經過處理分別打包成可供北斗船載應用子系統接收的北斗短報文和可供AIS船載應用子系統接收的AIS報文，并經北斗衛星和AIS基站分別向各應用系統轉發。

再次，北斗船載應用子系統接收衛星通信信息處理平臺經北斗衛星轉發的北斗消息，并經過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

最后，AIS船載應用子系統接收衛星通信信息處理平臺轉發的AIS消息，并經過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

2.5.3 接口設計

根據航道能見度監測增強子系統的信息獲取來源，子系統具有以下2個接口：

（1）與衛星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取或轉發港口航道的能見度信息;

（2）與電子海圖之間的接口，實現航道的能見度信息的集成展示和告警。

3 展 望

本文開展了面向海事部門的海上航行保障應用業務增強系統研究，業務范圍涵蓋針對沿海及周邊領海及毗連區為主的海域大范圍海上航行安全保障的軍民兩用需求，利用“空、天、海、地”各種遙感協同觀測手段實現海事部門關心的海上航行保障服務水平，為海上航行保障提供信息支撐，具有廣闊的應用推廣前景。

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