全生命周期交通基礎設施普查監管系統建設

肖巖平 張普珩 張 雷 賈培哲 柯映明

(1. 后勤科學與技術研究所, 北京 100166; 2. 中科星圖股份有限公司, 北京 101399)

0 引言

隨著我國交通運輸能力的不斷增長,城市機動化水平飛速發展,城市交通壓力與日俱增,交通擁堵、事故頻發,交通基礎設施普查、路網優化、道路工程建設監管等任務量與難度也隨之增加,依靠傳統人工標記等方法已不能滿足其管理需要[1-2],且人工處理工作量大、人力成本高。通過各級公路管理部門逐級上報的方式進行交通基礎設施普查、監管,具有一定的主觀性、局限性[3]。當前我國交通基礎設施建設、監管、養護、運輸等業務還存在“不能管”“管得慢”等問題。同時,目前的交通基礎設施普查、監管業務中主要采用被動的、粗放的管理模式,缺乏對信息的主動探測核對,缺乏多源數據融合交互印證。交通基礎設施監管系統建設主要依賴地理信息系統(Geographic Information System,GIS)技術,為數據統一管理和服務、數據共享等方面帶來了極大的便利[4],但缺乏對基礎設施從前期統計到后期維護保養的統一監察與管理。

全生命周期管理研究源于美國“計算機輔助后勤支援”(Computer Aided Logistic Support, CALS)計劃[5],旨在深入發掘項目系統、產品在不同階段之間的內在聯系,實現多個維度的集成與統一[6],對于促進項目的高效化與精細化管理有著重要意義。

隨著我國高分辨率對地觀測系統的建設以及空間信息產業的發展,國產遙感影像數據分辨率和質量已經接近國外水平[7]。現代遙感技術的時空一體、多維探測能力[8]以及較高的分辨率和穩定的圖像質量,能夠為交通基礎設施普查、監管提供有效的監測方法,從而提高工作效率,降低交通基礎設施管理成本[9],減少普查、監管過程中人的主觀影響。

在高分衛星應用推廣的任務背景下[10],本文基于全生命周期管理思想,設計并實現了集交通基礎設施普查統計、交通用地高分監測、工程建設管理、維護保養與監管預警和全生命周期信息管理與輔助分析等功能于一體的交通基礎設施普查監管系統。

通過系統研制,可以變看不見為看得清,實現重要區域、設施和目標等高分辨率真實影像觀測;變不能管為能管,實現對路橋設施狀態、機場跑道沉降、國防交通用地侵占等監控難點問題進行有效監測;變管得慢為管得快,縮短到按天、按需進行管理,提升應急突發事件處理能力;變被動等報送為主動核對,升級交通基礎設施管理模式;變粗放到精細化管理,基于高分影像的對象提取、環境評估、災害監測等技術,運用多元數據融合交互印證,推進管理精細化。

1 系統設計

1.1 總體技術架構

本系統采用分層架構設計[11],主要分為設施層、數據層、服務層、功能層和應用層,各層可以單獨動態擴展,支持按需調用。系統總體技術架構如圖1所示。

圖1 總體技術架構

1.1.1設施層

設施層主要包含計算設施、存儲設施、網絡設施、基礎軟件和安全設施等,主要為系統運行提供基礎支撐。

1.1.2數據層

數據層主要提供系統運行所需要的各類數據,支持中國資源衛星應用中心、天繪數據中心等外部數據源單位的數據接入,提供國產高分遙感數據、國外遙感數據、境內基礎地理信息數據、境內交通基礎數據、工程項目數據等。

1.1.3服務層

服務層主要提供全鏈條支撐服務,并新增高分數據批量處理服務集,為業務系統的建設提供基礎性的支撐。

1.1.4功能層

主要實現交通基礎設施普查統計、交通用地高分監測、工程建設進度監管、設施維護保養與預警、全生命周期信息管理與輔助分析決策等,為普查、監管提供基礎支撐。

1.1.5應用層

針對實際業務應用需求,開展交通基礎設施普查監管應用,在功能層基礎上建設應用系統,并圍繞實際交通應用場景,開展相關應用。

1.2 系統功能設計

基于全生命周期管理思想,結合實際的工作應用需求,利用高分技術手段,建設交通基礎設施普查監管系統。系統主要功能模塊如圖2所示。

圖2 系統功能模塊示意圖

1.2.1交通基礎設施普查統計

包括普查交通工程設施與普查交通基礎設施建設項目等。

1.2.2交通用地高分監測

基于多源高分影像數據,結合交通用地區域的基礎地理信息數據,利用高分遙感相關技術手段,周期性開展交通用地高分遙感監測。

1.2.3工程建設管理

針對公路、碼頭等的建設監管,按照預設檢查節點,通過高分監測,判斷在建工程是否按圖施工、按計劃施工,提供交通基礎設施建設監管手段。

1.2.4設施維護保養與預警

針對交通基礎設施現狀及防災減災情況進行監測,對發現問題的對象進行預警,支持設施維護保養決策。

1.2.5全生命周期信息管理與輔助分析決策

通過采集匯總交通基礎設施建、管、養、運等全生命周期信息,統籌建立大數據資源體系和標準模型,開展海量交通數據的深度挖掘,實現基礎設施的智能化管控、資產精細化管理、狀態可視化展現。

2 系統實現

本文基于全生命周期管理思想,利用高分技術手段,構建了交通基礎設施普查監管系統。

2.1 交通基礎設施普查統計分系統

該分系統引接全國公路網管理與應急處置平臺,實現針對交通基礎設施的多來源交通基礎信息的注入融合,在現有交通基礎設施數據的基礎上實現缺失位置的補查與問題位置的核查。通過接入高分遙感數據、輔助數據、交通基礎數據等基礎數據,以及公路、機場、港口、設施普查數據等普查數據,將基礎數據與普查數據進行疊加綜合展示并進行統計分析。

交通基礎設施普查統計分系統業務流程如圖3所示。

圖3 交通基礎設施普查統計分系統流程圖

2.2 交通用地高分監測分系統

基于多源高分影像數據,結合交通用地區域的基礎地理信息數據,利用高分遙感相關技術手段,周期性開展交通用地高分遙感監測,實施交通用地高時效性、高空間性、高精度的精準控制。

交通用地高分監測分系統業務流程如圖4所示。

2.3 工程建設管理分系統

工程建設管理分系統具備工程現狀監測、變化監測、進度分析和合規性分析等工程建設管理功能。該分系統通過對高分二號、高分八號等高分系列遙感數據、工程建設信息等基礎數據的收集、整理并入庫,開展定期監測,然后根據監測結果進行建成里程和建成面積等指標的計算分析,從而利用工程現狀監測成果和工程建設規劃信息,對公路、機場等分別開展工程變化監測、工程建設進度監測和工程建設合規性分析。

工程建設管理分系統業務流程如圖5所示。

圖5 工程建設管理分系統流程圖

2.4 維護保養與監管預警分系統

維護保養與監管預警分系統以高分二號、高分八號、高分五號等為主要數據源,針對重要區域交通基礎設施現狀及防災減災情況進行監測。分系統通過對高分遙感數據、交通信息基礎數據以及激光雷達傳感器等數據的收集、整理與入庫,開展定期監測與數據分析,可對發現重大缺陷與問題的對象進行預警信息發布,并提供服務,還可支持設施維護保養決策。

維護保養與監管預警分系統業務流程如圖6所示。

圖6 維護保養與監管預警分系統流程圖

2.5 全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統

全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統具有以下3項基本功能。

2.5.1交通基礎設施全生命周期信息錄入

通過數據逐條錄入、批量錄入的方式,提供道路、橋梁、隧道、涵洞等交通基礎設施信息的錄入功能,包括建設信息、維護信息、技術參數及路基標識等。

2.5.2 交通基礎設施全生命周期信息綜合管理

實現道路、橋梁、隧道、涵洞等交通基礎設施全生命周期信息的綜合管理,包括對建設信息、維護信息、技術參數及路基標識等的查詢檢索、修改更新、統計分析等。

2.5.3全生命周期管理與輔助分析決策

基于數據庫中的交通基礎設施全生命周期信息生成地圖并發布,并提供相關信息的查詢和展示,包括地圖發布與綜合展示兩個功能模塊。

全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統業務流程如圖7所示。

圖7 全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統流程圖

3 系統關鍵技術

3.1 多源多式交通數據資源的集成融合技術

項目系統建設中使用的不同來源的數據在空間覆蓋、分辨率、空間數據模型、坐標系統和地圖投影、分類等級和屬性編碼等方面存在差異,給交通基礎設施的普查監管工作開展帶來了一定的困難。因此,通過突破跨系統數據標識與關聯、時空關聯數據的高效搜索與表達等技術,可實現多源高分遙感影像數據、多源矢量數據(交通路網、重點目標)、多源對象數據以及引接信息系統數據的集成融合。

3.2 基于InSAR的交通基礎設施形變監測技術

開展基于干涉合成孔徑雷達(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的交通基礎設施形變監測技術研究,旨在滿足各研究對象形變監測需求,主要用于支撐陸路交通設施潛在風險評估分系統的建設,提升道路邊坡、橋梁等形變監測精度,主要包含3方面技術內容。

3.2.1地表形變監測研究

使用約30景合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)衛星數據,選擇重點形變監測區域,利用準永久散射體干涉測量(Quasi Permanent Scattering,QPS)-InSAR和衛星增強系統(Space Based Augmentation Systems,SBAS)等時序形變監測算法,分析研究區域內的路域和自然地表的季節性形變特征。時序分析關鍵的技術流程如圖8所示。其中SRTM指Shuttle Radar Topography Mission,即航天雷達地形測繪任務;DEM指Digital Elevation Model,即數字高程模型。

圖8 InSAR時序分析關鍵技術流程圖

3.2.2公路邊坡三維形變信息提取研究

選擇路域邊坡區域,聯合日本ALOS-2衛星、歐洲Sentinel-1A/B衛星和SAR等多源遙感數據,以減少植被覆蓋的影響,使用QPS-InSAR時序監測算法,增加PS點的密度。同時,使用升降軌數據,增加遙感數據的入射角度,實現邊坡的三維形變信息提取。

3.2.3高精度橋梁形變監測

基于高分辨率的SAR數據,使用經典的永久散射體干涉測量(Permanent Scattering,PS)-InSAR時序干涉算法,重點突破橋梁PS點定位技術和InSAR結果精度的可靠性驗證算法,進一步與橋梁管理養護業務結合,分析車載、風載和溫度等因素對橋梁關鍵點形變的影響。

4 結束語

本文基于全生命周期管理思想,圍繞交通基礎設施設計、建設、日常監管、維護保養等過程活動的需求,以多源高分遙感數據、基礎地理信息數據以及交通業務數據等為數據基礎,結合高分數據處理技術、多元數據集成融合技術與交通基礎設施形變監測技術等技術手段,建立了基于全生命周期的交通基礎設施普查監管系統。該系統具備交通基礎設施普查統計、交通用地高分監測、工程建設管理、維護保養與監管預警和全生命周期信息管理與輔助分析等功能,為交通基礎設施基本建設情況的摸查,以及建設、監管、維護、保障等全周期信息管理與決策提供了支撐,為交通規劃建設提供了數據支持。該系統的建設不僅可以實現對機場、港口等重點交通基礎設施的有效監測,提高交通基礎設施監管的應急突發事件響應與處理能力,同時,還可實現交通基礎設施的智能化管控、資產的精細化管理、狀態的可視化展現。