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        空間技術(shù)在災(zāi)害交通應(yīng)急的應(yīng)用

        2019-10-22 11:23:16劉三超高懋芳
        衛(wèi)星應(yīng)用 2019年9期
        關(guān)鍵詞:災(zāi)區(qū)災(zāi)害交通

        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、社會管理和改善民生的重要支撐,也是穩(wěn)增長、促投資、防風(fēng)險的重點領(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)動發(fā)展的核心動力,是新時代交通強(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)點和落腳點。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、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、動態(tài)、持續(xù)和周期性觀測的優(yōu)勢,可連續(xù)和定期獲取地表或目標(biāo)信息,根據(jù)搭載平臺不同,可分為衛(wèi)星遙感、航空遙感,根據(jù)電磁波波長和成像模式的不同,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)解譯相對容易等特點,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估、洪水淹沒交通線評估、災(zāi)區(qū)交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等應(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、全天候觀測能力,此外,差分干涉SAR(Differential Interferometric SAR,簡稱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)急觀測能力,及時開展洪水淹沒范圍、交通線損毀評估,以及鐵路、公路、橋梁、隧道形變監(jiān)測等方面應(yīng)用;航空及無人機(jī)遙感具有機(jī)動靈活、分辨率高、調(diào)查周期短等特點,災(zāi)害發(fā)生后,可針對重點區(qū)域、重點路段、重點目標(biāo)的交通運(yùn)輸保障要求,更精確、更及時地開展重要交通設(shè)施評估、重點路段交通監(jiān)測等應(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,已成為社會經(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)星移動通信、衛(wèi)星移動廣播為主要手段,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,由用戶自主完成非詢問應(yīng)答式連續(xù)高精度定時、空間三維定位及運(yùn)動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、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(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)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),可以實現(xiàn)移動信息采集報送、應(yīng)急車輛監(jiān)控調(diào)度、應(yīng)急交通指揮聯(lián)動等應(yīng)用,此外,在通信臨時中斷情況下,利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的短報文功能,還可及時報送災(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,及時開展災(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)場約43km,機(jī)場可為結(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)場及周邊快速制圖

        2.交通干線影響評估

        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),對結(jié)古鎮(zhèn)附近次生災(zāi)害對交通干線影響進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果表明,圖幅范圍內(nèi)存在大型滑坡,對國道214部分路段造成了損毀。

        3.農(nóng)村公路損毀評估

        圖2 交通干線影響評估

        2014年8月3日,云南魯?shù)榘l(fā)生里氏6.5級地震,由于此次地震震級較大,加上災(zāi)區(qū)自然條件惡劣、社會經(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)村公路損毀評估

        4.道路淹沒監(jiān)測

        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

        5.移動終端應(yīng)用

        隨著移動互聯(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)等移動終端開展空間信息應(yīng)用,已成為天地一體化監(jiān)測體系的重要組成部分?,F(xiàn)在使用的地震移動終端集成了數(shù)據(jù)管理、導(dǎo)航定位、通信廣播等功能,可實現(xiàn)災(zāi)區(qū)電子地圖、遙感數(shù)據(jù)的加載顯示,及時掌握現(xiàn)場人員的位置信息及運(yùn)動軌跡,支持道路、房屋等災(zāi)害重要目標(biāo)信息采集分析,實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理、存檔備份,以及報表、文檔、圖片、音頻、視頻的及時報送。

        6.信息應(yīng)用服務(wù)

        圖5為空間信息服務(wù)平臺原型系統(tǒng)示意圖,系統(tǒng)可實現(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)場采集的有關(guān)數(shù)據(jù),監(jiān)測評估公路、鐵路、港口、機(jī)場等交通設(shè)施損毀情況,實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(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)場災(zāi)情調(diào)查等工作提供支撐。

        圖5 空間信息服務(wù)平臺示意圖

        四、展望

        交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)社會發(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,實現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感的集成已成為行業(yè)應(yīng)用重要趨勢:平臺層面,衛(wèi)星搭載能力不斷增強(qiáng),構(gòu)建衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感一體的信息實時服務(wù)系統(tǒng)成為可能,在天基平臺上將逐步實現(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),時空數(shù)據(jù)獲取能力持續(xù)增強(qiáng),可能對基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測、交通運(yùn)行動態(tài)監(jiān)控、位置實時服務(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、交通施工監(jiān)測、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。

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