空間技術(shù)在災(zāi)害交通應(yīng)急的應(yīng)用

文|劉三超 高懋芳

1.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院 2.中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所

一、前言

交通運(yùn)輸作為基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性和服務(wù)性行業(yè)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)管理和改善民生的重要支撐，也是穩(wěn)增長(zhǎng)、促投資、防風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國是世界上自然災(zāi)害危害最嚴(yán)重的國家之一[1]，地震、洪澇、滑坡、泥石流等破壞性災(zāi)害頻繁發(fā)生，往往對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施造成不同程度損毀，并給災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援、物資調(diào)度、人員轉(zhuǎn)移、信息溝通等造成嚴(yán)重影響。黨的十九大提出建設(shè)交通強(qiáng)國的決策部署，科學(xué)技術(shù)作為交通運(yùn)輸行業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的核心動(dòng)力，是新時(shí)代交通強(qiáng)國建設(shè)體系的重要支撐。

2015年，國家發(fā)布《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015年—2025年）》[2]，提出建立一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)協(xié)同、數(shù)據(jù)集成服務(wù)的相關(guān)機(jī)制，分階段建成技術(shù)先進(jìn)、自主可控、布局合理、全球覆蓋的國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施。交通運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要支撐引領(lǐng)作用，是以遙感技術(shù)、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的空間技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。

二、應(yīng)用于災(zāi)害交通應(yīng)急的通導(dǎo)遙空間技術(shù)

《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》高度重視空間技術(shù)應(yīng)用，以滿足行業(yè)和區(qū)域重大應(yīng)用需求、支撐現(xiàn)代化建設(shè)和民生改善為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。近年來，空間技術(shù)發(fā)展非常迅速，在自然資源、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)水利、林業(yè)草原、應(yīng)急管理等方面進(jìn)行了較廣泛應(yīng)用。重大自然災(zāi)害發(fā)生后，由于不受地面條件限制，空間技術(shù)在災(zāi)區(qū)通信保障、災(zāi)情評(píng)估、應(yīng)急救援、救災(zāi)決策等方面具有重要應(yīng)用潛力。公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、港口等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是保障災(zāi)后應(yīng)急救援的人員、物資、信息流通的重要生命線，因此，準(zhǔn)確掌握交通運(yùn)行狀態(tài)和保障災(zāi)區(qū)交通暢通，成為保證應(yīng)急工作成效的重要基礎(chǔ)。

1.遙感技術(shù)

遙感技術(shù)具有宏觀、動(dòng)態(tài)、持續(xù)和周期性觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可連續(xù)和定期獲取地表或目標(biāo)信息，根據(jù)搭載平臺(tái)不同，可分為衛(wèi)星遙感、航空遙感，根據(jù)電磁波波長(zhǎng)和成像模式的不同，衛(wèi)星遙感又可分為衛(wèi)星光學(xué)遙感、衛(wèi)星微波遙感。衛(wèi)星光學(xué)遙感雖然受云雨霧等不良天氣條件影響較大，但其具有空間分辨率較高、幾何輻射信息豐富、數(shù)據(jù)解譯相對(duì)容易等特點(diǎn)，是應(yīng)用最多的遙感數(shù)據(jù)類型[3-6]。在災(zāi)害應(yīng)急中，利用存檔的衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，可快速開展公路、鐵路、港口、機(jī)場(chǎng)及周邊環(huán)境制圖，為盡快掌握災(zāi)區(qū)基本情況提供第一手資料，利用災(zāi)后的衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，可較精確地開展交通線損毀評(píng)估、洪水淹沒交通線評(píng)估、災(zāi)區(qū)交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用；合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)等衛(wèi)星微波遙感具有全天時(shí)、全天候觀測(cè)能力，此外，差分干涉SAR（Differential Interferometric SAR，簡(jiǎn)稱D-InSAR）還可獲取地表三維信息，利用衛(wèi)星微波遙感，可提高災(zāi)害應(yīng)急觀測(cè)能力，及時(shí)開展洪水淹沒范圍、交通線損毀評(píng)估，以及鐵路、公路、橋梁、隧道形變監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用；航空及無人機(jī)遙感具有機(jī)動(dòng)靈活、分辨率高、調(diào)查周期短等特點(diǎn)，災(zāi)害發(fā)生后，可針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)路段、重點(diǎn)目標(biāo)的交通運(yùn)輸保障要求，更精確、更及時(shí)地開展重要交通設(shè)施評(píng)估、重點(diǎn)路段交通監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。

2.衛(wèi)星通信廣播

衛(wèi)星通信廣播具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣、投送容量大、業(yè)務(wù)類型多、抗毀能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化生活不可缺少的部分，是國家空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成。重大自然災(zāi)害及次生災(zāi)害發(fā)生后，往往對(duì)地面通信廣播設(shè)施造成不同程度的破壞，在此情況下，衛(wèi)星通信廣播對(duì)于保持災(zāi)區(qū)正常通信具有不可替代的作用。因此，在災(zāi)害應(yīng)急中，衛(wèi)星通信廣播能重點(diǎn)保障災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信鏈路暢通，通過以衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動(dòng)通信、衛(wèi)星移動(dòng)廣播為主要手段，結(jié)合應(yīng)急車、應(yīng)急終端等地面裝備設(shè)備，及時(shí)建立天地一體化的交通應(yīng)急衛(wèi)星通信廣播網(wǎng)絡(luò)，為災(zāi)害交通應(yīng)急的語音、數(shù)據(jù)、視頻等信息傳輸應(yīng)用提供保障。

3.衛(wèi)星導(dǎo)航定位

衛(wèi)星導(dǎo)航定位是利用衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，由用戶自主完成非詢問應(yīng)答式連續(xù)高精度定時(shí)、空間三維定位及運(yùn)動(dòng)速度矢量確定的無線電定位系統(tǒng)。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航定位已成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，特別是北斗作為我國自主規(guī)劃建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已成為發(fā)展我國新一代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位能提供全天時(shí)、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，因此，災(zāi)害發(fā)生后，利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位及相關(guān)裝備，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)信息采集報(bào)送、應(yīng)急車輛監(jiān)控調(diào)度、應(yīng)急交通指揮聯(lián)動(dòng)等應(yīng)用，此外，在通信臨時(shí)中斷情況下，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的短報(bào)文功能，還可及時(shí)報(bào)送災(zāi)區(qū)交通相關(guān)信息。

三、典型應(yīng)用案例

近年來，我國發(fā)生了一系列歷史罕見的重特大自然災(zāi)害，四川汶川特大地震、青海玉樹地震、甘肅舟曲山洪泥石流災(zāi)害、四川蘆山地震、云南魯?shù)榈卣鸾舆B發(fā)生，造成了巨大人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。災(zāi)害發(fā)生后，利用空間技術(shù)具有快速反應(yīng)能力、不受地面環(huán)境影響的優(yōu)勢(shì)，及時(shí)開展災(zāi)區(qū)交通應(yīng)急應(yīng)用服務(wù)，為救災(zāi)救援工作提供支持。

1.交通基礎(chǔ)設(shè)施快速制圖

2010年4月14日，青海玉樹藏族自治州發(fā)生里氏7.1級(jí)地震。地震發(fā)生當(dāng)天，利用災(zāi)前環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星光學(xué)數(shù)據(jù)，快速制作了玉樹機(jī)場(chǎng)及周邊地區(qū)遙感分析產(chǎn)品，空間分辨率30m，結(jié)果表明，震中距州府所在地結(jié)古鎮(zhèn)約30km，距玉樹機(jī)場(chǎng)約43km，機(jī)場(chǎng)可為結(jié)古鎮(zhèn)及周邊物資運(yùn)送提供重要保障（見圖1）。

圖1 玉樹地震玉樹機(jī)場(chǎng)及周邊快速制圖

2.交通干線影響評(píng)估

四川汶川地震后，災(zāi)區(qū)又多次發(fā)生滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，2010年5月29日，汶川縣雁門鄉(xiāng)發(fā)生山體滑坡災(zāi)害，圖2(a)為利用災(zāi)前災(zāi)后SAR數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果顯示，滑坡體造成國道213汶川段部分交通中斷。圖2(b)為玉樹地震發(fā)生后，利用快鳥（Quickbird）衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)古鎮(zhèn)附近次生災(zāi)害對(duì)交通干線影響進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，圖幅范圍內(nèi)存在大型滑坡，對(duì)國道214部分路段造成了損毀。

3.農(nóng)村公路損毀評(píng)估

圖2 交通干線影響評(píng)估

2014年8月3日，云南魯?shù)榘l(fā)生里氏6.5級(jí)地震，由于此次地震震級(jí)較大，加上災(zāi)區(qū)自然條件惡劣、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，地震給災(zāi)區(qū)交通造成了一定影響。圖3為利用昴宿星（Pleiades）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，開展地震災(zāi)區(qū)農(nóng)村公路損毀評(píng)估應(yīng)用，圖幅范圍內(nèi)發(fā)生了滑坡，造成了當(dāng)?shù)囟嗵庌r(nóng)村公路損毀。

圖3 魯?shù)榈卣疝r(nóng)村公路損毀評(píng)估

4.道路淹沒監(jiān)測(cè)

2010年8月8日凌晨，甘肅舟曲發(fā)生特大山洪泥石流，這次是新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、死亡人數(shù)最多、救災(zāi)難度最大的山洪泥石流災(zāi)害之一。利用航空遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)堰塞湖淹沒情況，結(jié)果表明，泥石流在縣城附近白龍江形成了較大的堰塞湖，導(dǎo)致城區(qū)部分地區(qū)和大范圍道路被淹，對(duì)應(yīng)急工作產(chǎn)生了一定影響（見圖4）。

圖4 舟曲山洪泥石流災(zāi)害堰塞湖道路監(jiān)測(cè)

5.移動(dòng)終端應(yīng)用

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)發(fā)展，利用智能手機(jī)、掌上電腦（PDA）等移動(dòng)終端開展空間信息應(yīng)用，已成為天地一體化監(jiān)測(cè)體系的重要組成部分?，F(xiàn)在使用的地震移動(dòng)終端集成了數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航定位、通信廣播等功能，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)電子地圖、遙感數(shù)據(jù)的加載顯示，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)人員的位置信息及運(yùn)動(dòng)軌跡，支持道路、房屋等災(zāi)害重要目標(biāo)信息采集分析，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理、存檔備份，以及報(bào)表、文檔、圖片、音頻、視頻的及時(shí)報(bào)送。

6.信息應(yīng)用服務(wù)

圖5為空間信息服務(wù)平臺(tái)原型系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高分辨率衛(wèi)星及航空遙感數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、災(zāi)區(qū)矢量數(shù)據(jù)的整合、分類、處理和入庫，快速接入現(xiàn)場(chǎng)采集的有關(guān)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)評(píng)估公路、鐵路、港口、機(jī)場(chǎng)等交通設(shè)施損毀情況，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品的二三維展示，可為交通應(yīng)急指揮、人員物資調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查等工作提供支撐。

圖5 空間信息服務(wù)平臺(tái)示意圖

四、展望

交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的先行官，建設(shè)綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通已成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。當(dāng)前，科技創(chuàng)新成為驅(qū)動(dòng)應(yīng)用服務(wù)變革的重要力量，交通行業(yè)管理日益標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化，公眾出行服務(wù)更加定制化、個(gè)性化、多樣化。如何有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)，已成為提升交通運(yùn)輸行業(yè)管理能力的迫切需要。

未來，圍繞交通運(yùn)輸需求特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感的集成已成為行業(yè)應(yīng)用重要趨勢(shì)：平臺(tái)層面，衛(wèi)星搭載能力不斷增強(qiáng)，構(gòu)建衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感一體的信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)成為可能，在天基平臺(tái)上將逐步實(shí)現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感的一體化集成；載荷層面，視頻相機(jī)等新型載荷不斷涌現(xiàn)，時(shí)空數(shù)據(jù)獲取能力持續(xù)增強(qiáng)，可能對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控、位置實(shí)時(shí)服務(wù)帶來重大影響；應(yīng)用層面，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，通信、導(dǎo)航、遙感一體化集成應(yīng)用將更加順暢，應(yīng)用廣度可覆蓋交通建設(shè)、管理、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)全過程，應(yīng)用深度可在交通規(guī)劃設(shè)計(jì)、交通施工監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)營監(jiān)管、交通應(yīng)急指揮、交通養(yǎng)護(hù)等業(yè)務(wù)輔助決策方面取得突破，應(yīng)用形式將可能在共享服務(wù)等方面催生更多的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式。