GEOVIS iData空天大數據助力災害監測

文 | 劉繼東 李春鋒 李雁飛 朱立博 宋啟帆 王樂

中科星圖股份有限公司

一、引言

我國自然災害種類多、分布廣、影響大，每年都會給各地帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，是制約社會和經濟可持續發展的重要因素。中科星圖股份有限公司（以下簡稱中科星圖）總結多年來在自然災害監測、預警及專項應急示范應用等方面的研究成果，基于GEOVIS數字地球產品，自主研制了多款防災減災產品，進一步提高了我國綜合防災減災信息服務的完備性、時效性和科學性。

二、“空天地一體化”監測網絡體系構建

中科星圖充分利用國家高分辨率對地觀測系統，統籌特種遙感數據、高分衛星數據和商業遙感數據多種數據源，構建穩定、可持續、低成本的數據獲取體系。隨著北斗等國家空間基礎設施建設不斷完善，空天大數據資源日益豐富，或將實現“高分+北斗”的融合以及面向用戶提供高分數據及其增值產品運營，并有望成為服務于數字中國、智慧城市建設的空天大數據基礎設施。

GEOVIS iData空天大數據產品綜合應用衛星遙感數據產品、無人機遙感數據產品、基礎空間數據產品、行業數據等多源數據，構建“空天地一體化”的監測網絡體系，基于GEOVIS數字地球基礎軟件平臺形成空天地對地監測服務平臺，實現發現隱患、監測隱患、發布預警、災情分析評估、災后重建、輔助決策的全流程應用，推動自然災害監測向專業化、精準化方向邁進。圖1為西藏自治區G318沿線易發崩塌災害專題圖。

圖1 西藏自治區G318沿線易發崩塌災害專題圖

1.系統架構

中科星圖充分發揮“GEOVIS/GEOVIS+”戰略優勢，通過衛星遙感、無人機遙感、大數據、云計算、傳感器監測終端、人工智能等先進技術建立了“空天地一體化”監管體系，構建“數據+平臺+應用”的核心壁壘，形成“一網、一平臺、多應用”的完整服務模式（圖2），以數據為驅動，空天地對地監測服務平臺為核心，形成面向自然災害監測的完整解決方案。

圖2 “一網、一平臺、多應用”的服務模式

2.建設思路

GEOVIS iData空天大數據產品依托特種遙感數據、國產高分系列、國內外商業衛星等衛星數據資源構建高頻率、高分辨率、多譜段、全覆蓋的對地觀測資源體系，基于時空統一基準，融合北斗衛星導航系統，綜合應用地圖數據、地形數據、人口數據、地質數據、降水數據、災害業務數據等多源數據，打造“空天地一體化”的監測網絡體系（圖3）。

同時，通過GEOVIS空天大數據共享服務云平臺，對海量空天大數據進行接入、儲存、管理和分發，實現了數據資源的精細化、實時化管理，將為災害監測工作提供可靠數據服務保障。

圖3 “空天地一體化”的監測網絡體系

三、災害監測應用

1. GEOVIS iData衛星影像助力災害隱患點普查

借助多種分辨率、多波段、多時相的光學影像和合成孔徑雷達（SAR）影像，GEOVIS iData通過多時序分析、變化監測、智能提取、合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等技術可實現對災害隱患點的大面積災害普查，發現隱蔽性隱患點，監測隱患區域，為后期精細化調查提供基礎。

2020年7月，受持續強降雨和上游來水疊加影響，江西境內河流水位暴漲，已致521萬余人受災，43萬余人被緊急轉移安置，455千公頃農作物被毀。GEOVIS iData選取南昌市青嵐湖受災前（2019年12月27日）、受災期間（2020年7月31日）兩個時相的高分一號衛星遙感數據，快速提取了受災前后水體的分布信息，如圖4（a）和圖4（b）中的藍色區域所示；通過結果疊加對比發現，受災后青嵐湖水域范圍擴大了約1/3，面積至少增加了2972公頃，如圖4（c）中的紅色區域所示。

圖4 南昌市青嵐湖洪澇災害監測

此外，SAR數據具備全天時、全天候對地觀測能力，非常適合于對各種類型的地質災害影響進行監測和評估。InSAR技術對SAR復圖像共軛相乘得到干涉圖，根據相位值，計算出區域地形、地貌及表面的微小變化，實現形變監測，輔助判斷隱患發生災害的可能。選取災害發生前后的哨兵一號（Sentinel-1）衛星的雷達數據，對數據進行基線估算、干涉生成、濾波和相干性計算、重去平、地理編碼等操作，得到干涉圖像（圖5），經過成果分析為形變監測、災害識別提供依據。

圖5 地質災害形變監測

2. GEOVIS iData融合大數據助力災害預警模型構建

基于GEOVIS iData海量多源數據，提取坡度、坡向、水系、植被覆蓋率、降水、地表粗糙度、土壤含水量、巖土類型、斷裂構造等致災因子（圖6），構建災害預測模型，提取災害隱患高危點進行重點調查。

圖6 災害預警模型構建

3. GEOVIS iData航空遙感服務三維場景還原助力精細化調查

GEOVIS iData航空遙感服務，利用無人機遙感技術對災害隱患點實施地物分布、地形地貌等的精細化調查。通過傾斜攝影測量系統對現場進行真實三維還原，根據無人機影像中地物的結構特征和波譜特征實現對建筑物、道路、水系等的自動提取；與歷史衛星影像對比分析建筑物及設施損失情況；通過地形分析、淹沒分析、通視分析等功能，實現對周圍安全隱患點的分析，助力災情分析、災后重建的輔助決策（圖7）。

4. GEOVIS+北斗助力精準實時監控

在自然災害方面，通過將北斗接收機終端設備部署在災害風險點，監測數據通過5G網絡傳輸至監測中心服務器進行實時解算，網絡中斷時可利用北斗短報文進行應急處理。實時監測該位置的平面與高程細微變化情況，超過閾值將進行預警，并發送至調度中心（圖8）。

除此之外，北斗系統的衛星無線電測定業務（RDSS）服務，是區別于其他導航系統的重要特色，可為中國本土及周邊區域提供快速定位、位置報告、短報文通信和高精度授時服務。該服務在預警發布、災情分析評估等方面勢必會發揮非常重要的作用。

圖7 三維場景還原實現精細化調查

圖8 北斗災害監測應用

四、結語

中科星圖打造“數據+平臺+應用”的數字地球服務模式，在數據方面，GEOVIS iData空天大數據產品不斷拓展數據獲取體系，豐富空天大數據資源，逐步實現“高分+北斗”的融合。依托GEOVIS數字地球平臺，實現發現隱患、監測隱患、發布預警、災情分析評估、災后重建、輔助決策的全流程應用，推動自然災害監測向專業化、精準化方向邁進，助力全國自然災害綜合風險評估，提升自然災害防治能力。