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(xù)發(fā)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(jiān)測、預警及專項應急示范應用等方面的研究成果，基于GEOVIS數(shù)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(jiān)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(tǒng)，統(tǒng)籌特種遙感數(shù)據、高分衛(wèi)星數(shù)據和商業(yè)遙感數(shù)據多種數(shù)據源，構建穩(wěn)定、可持續(xù)、低成本的數(shù)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(shù)據資源日益豐富，或將實現(xiàn)“高分+北斗”的融合以及面向用戶提供高分數(shù)據及其增值產品運營，并有望成為服務于數(shù)字中國、智慧城市建設的空天大數(shù)據基礎設施。

GEOVIS iData空天大數(shù)據產品綜合應用衛(wèi)星遙感數(shù)據產品、無人機遙感數(shù)據產品、基礎空間數(shù)據產品、行業(yè)數(shù)據等多源數(shù)據，構建“空天地一體化”的監(jiān)測網絡體系，基于GEOVIS數(shù)字地球基礎軟件平臺形成空天地對地監(jiān)測服務平臺，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患、發(fā)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(jiān)測向專業(yè)化、精準化方向邁進。圖1為西藏自治區(qū)G318沿線易發(fā)崩塌災害專題圖。

圖1 西藏自治區(qū)G318沿線易發(fā)崩塌災害專題圖

1.系統(tǒng)架構

中科星圖充分發(fā)揮“GEOVIS/GEOVIS+”戰(zhàn)略優(yōu)勢，通過衛(wèi)星遙感、無人機遙感、大數(shù)據、云計算、傳感器監(jiān)測終端、人工智能等先進技術建立了“空天地一體化”監(jiān)管體系，構建“數(shù)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(shù)據為驅動，空天地對地監(jiān)測服務平臺為核心，形成面向自然災害監(jiān)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(shù)據產品依托特種遙感數(shù)據、國產高分系列、國內外商業(yè)衛(wèi)星等衛(wèi)星數(shù)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(tǒng)一基準，融合北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，綜合應用地圖數(shù)據、地形數(shù)據、人口數(shù)據、地質數(shù)據、降水數(shù)據、災害業(yè)務數(shù)據等多源數(shù)據，打造“空天地一體化”的監(jiān)測網絡體系（圖3）。

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

圖3 “空天地一體化”的監(jiān)測網絡體系

三、災害監(jiān)測應用

1. GEOVIS iData衛(wèi)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(jiān)測、智能提取、合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等技術可實現(xiàn)對災害隱患點的大面積災害普查，發(fā)現(xiàn)隱蔽性隱患點，監(jiān)測隱患區(qū)域，為后期精細化調查提供基礎。

2020年7月，受持續(xù)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(wèi)星遙感數(shù)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(qū)域所示；通過結果疊加對比發(fā)現(xiàn)，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(qū)域所示。

圖4 南昌市青嵐湖洪澇災害監(jiān)測

此外，SAR數(shù)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(jiān)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(qū)域地形、地貌及表面的微小變化，實現(xiàn)形變監(jiān)測，輔助判斷隱患發(fā)生災害的可能。選取災害發(fā)生前后的哨兵一號（Sentinel-1）衛(wèi)星的雷達數(shù)據，對數(shù)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(jiān)測、災害識別提供依據。

圖5 地質災害形變監(jiān)測

2. GEOVIS iData融合大數(shù)據助力災害預警模型構建

基于GEOVIS iData海量多源數(shù)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(tǒng)對現(xiàn)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(xiàn)對建筑物、道路、水系等的自動提??；與歷史衛(wèi)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(xiàn)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(jiān)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(jiān)測數(shù)據通過5G網絡傳輸至監(jiān)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(jiān)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(fā)送至調度中心（圖8）。

除此之外，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務（RDSS）服務，是區(qū)別于其他導航系統(tǒng)的重要特色，可為中國本土及周邊區(qū)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(fā)布、災情分析評估等方面勢必會發(fā)揮非常重要的作用。

圖7 三維場景還原實現(xiàn)精細化調查

圖8 北斗災害監(jiān)測應用

四、結語

中科星圖打造“數(shù)據+平臺+應用”的數(shù)字地球服務模式，在數(shù)據方面，GEOVIS iData空天大數(shù)據產品不斷拓展數(shù)據獲取體系，豐富空天大數(shù)據資源，逐步實現(xiàn)“高分+北斗”的融合。依托GEOVIS數(shù)字地球平臺，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患、發(fā)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(jiān)測向專業(yè)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。