航空遥感应急监测任务规划系统的设计与实现

刘洪强，缪 剑

（1.西安测绘总站，陕西 西安 710054）

我国是世界上自然灾害发生频率高、强度最严重的国家之一，灾害种类多、情况复杂。航空遥感技术的新发展为防灾减灾、救灾实施、灾害评估和灾后规划重建提供了强有力的技术支撑。考虑到航空遥感应急监测中体制机构、自然环境、技术特点和人员配置等诸多因素，为了充分发挥航空遥感技术在重大自然灾害和突发事件应急监测中的优势，我们科学合理地选择各类飞行平台和遥感设备，实现了航空遥感资源的共享利用，优化了生产环节和作业流程，研究建立了航空遥感应急监测任务规划系统，提高了航空遥感应急监测的调度控制水平。

1 系统分析与设计

1.1 航空遥感应急监测任务规划内容与特点

灾害发生后，救灾指挥决策机构需要尽快获取现场信息，进行灾情评估，因此获取满足灾情评估需要的遥感数据是首要目标。时效性保证是航空遥感应急监测任务中重点要解决的问题，因此，优化技术方案和作业流程，做好任务规划是首要环节。航空遥感应急监测任务规划的内容包括：

1）确定任务技术要求。根据灾害种类和受灾范围，确定灾情评估所需遥感数据的观测谱段、空间分辨率和目标区域，确定产品类型和格式。

2）传感器的选择。需要考虑的因素包括：①传感器的观测谱段符合任务技术要求；②在符合任务要求的传感器中选择最具优势、最便携的；③能够以最少的架次完成监测任务；④优先选择可见光和近红外传感器，在特殊任务中可有针对性地选择合成孔径雷达、热红外以及高光谱等传感器。

3）飞行平台的选择。需要考虑的因素包括：①飞行平台和传感器之间具备载荷匹配关系；②飞行平台当前位置/任务驻地距离目标区域最近；③飞行平台的实用升限满足目标区域的航高要求。

4）确定起降机场和作业空域。应选择距离目标区域最近的机场作为起降机场，减少往返航程，使飞行作业时间最大化。同时根据目标区域范围向航空管制部门申请作业空域。

5）测姿定位系统的利用。在应急监测中，应优先选择无控或者少控的作业方案，选择合适的机载POS系统和地面GPS基准站测量方案。

6）航线设计。根据任务要求、传感器和飞行平台、目标区域地形条件进行航线设计。航线的旁向重叠可按相关技术规范的下限执行，以增加传感器的监测能力。在应急监测中，很多时候无法按照预定的航线进行飞行作业，此时航线设计的作用更主要体现在对应急监测作业量的预估。

7）数据处理。确定数据处理使用的软硬件系统及流程。

8）确定各环节作业所需的人员。在应急监测中，关键环节的作业人员配备要留有一定余地，保持相应的机动能力。

9）估算应急监测全程所需的时间。

在上述过程中，任务规划人员需要获取并综合分析灾害信息、航空遥感资源（包括传感器、飞行平台、数据处理系统等）及其分布、应急预案、基础地理信息，制定应急监测任务实施预案（如图1所示）。

1.2 系统总体结构和开发工具

航空遥感应急监测任务规划系统采用客户机/服务器体系结构，由应用软件、数据库、基础地理信息数据文件3个部分组成。选用Visual Studio.NET 2008作为开发工具，数据库管理系统采用SQL Server 2005，前后台之间采用ADO.NET技术进行数据库访问和管理，系统基于MapX 5.0组件工具进行地理信息功能的开发。

图1 航空遥感应急监测任务规划的信息支持模型

1.3 系统功能设计

航空遥感应急监测任务规划系统应用软件主要由数据管理、任务规划、预案管理、地图显示、系统维护5个模块组成。各模块的功能为：

1）数据管理模块。其功能是航空遥感资源的数据更新与查询。管理维护的数据包括：飞行平台的技术指标（实用升限、巡航速度、最大航程、载荷匹配等）、堪用状态、数量、所属单位、本场及当前位置；传感器的技术指标（焦距、像幅/阵列大小、像元大小、光谱参数、数据存储器容量等）、堪用状态、数量、所属单位、本场及当前位置；数据处理系统的技术指标（软硬件型号、数据处理种类、数据产品种类/级别等）、堪用状态、数量、所属单位、本场及当前位置；各应急响应节点的负责人、联系方式、应急能力（技术力量、经验专长）等。

2）任务规划模块。其功能包括：灾害信息录入、应急监测任务建立、任务要求分析、传感器和飞行平台选择、确定作业空域、选择起降机场、航线设计、作业方案制定、作业量评估、任务规划方案输出。

3）预案管理模块。其功能是对各应急响应节点的应急预案（包括人员编配、装备编配、基准站架设、数据处理方案与流程、报送方式等）进行管理，可以增加、编辑、删除和查阅。

4）地图显示模块。其功能包括地图显示（放大、缩小、漫游等）、图层控制、距离量算、面积量算、图形导出等。

5）系统维护模块。其功能包括用户管理、数据备份与恢复、系统参数配置等。

1.4 数据库结构设计

系统数据库由应急监测响应节点表、飞行平台型号表、飞行平台表、遥感设备型号表、遥感设备表、地面处理系统型号表、地面处理系统表、载荷方案表、载荷匹配表、应急预案表、灾害信息表、灾害种类表、应急监测任务表、应急监测任务规划表、任务飞机表、任务传感器表、航线敷设表和系统用户表等数据表构成，各数据表之间根据需要设置了约束关系，以保证数据的完整性和规范性。

1.5 地理信息数据设计

航空遥感应急监测任务规划系统中的基础地理信息以MapInfo格式（*.tab）保存在地理信息数据文件中。基础地理信息要素包括行政区划（省、市、县）、机场、公路、铁路干线、国省界。

2 系统实现的关键技术

2.1 航空遥感资源及分布数据库的建立

我们首次汇集整理了目前国内各主要航空遥感部门和单位的飞行平台、遥感设备和数据处理系统的性能指标、数量和主要应用领域等情况，针对航空遥感应急监测任务规划和调度的需要，设计并建立了航空遥感资源及分布数据库，实现了航空遥感资源的信息查询、动态管理和定期更新，并有望在后续的建设中，通过北斗用户机组网实现遥感资源状态信息的实时更新。

2.2 基于MapX组件的地理信息系统

MapX组件是MapInfo公司的地图显示和分析控件。航空遥感应急监测任务规划系统基于MapX组件构建了一个基本的地理信息系统，实现了航空遥感资源及动态分布、机场分布、灾害信息、应急任务信息与基础地理信息的集成叠加（见图2），提供了地图显示、漫游、放大、缩小等功能，并具有简单的空间分析功能，如缓冲区分析、距离和面积量测等，为应急监测任务规划提供了必要的空间决策支持信息。

图2 基于MapX组件的地理信息支持系统

2.3 基于决策支持的应急监测任务快速规划

航空遥感应急监测任务的规划过程是一个连续的决策过程，其目标是为及时高效地完成应急监测任务，寻求一个综合的最优实施方案。系统根据每个决策环节的内容和特点，设计并提供了多种决策支持模型，以帮助有关人员快速完成应急监测任务规划。其主要有：

1）基于规则的模型。比如，在为实施应急监测任务选择传感器和飞行平台时，根据需要考虑的因素，设计了一系列的遴选规则，建立相应的层次分析模型。

2）基于计算的模型。比如，在进行作业量估算时，需要按照特定的公式计算完成目标区域应急监测任务所需的作业飞行时间、总飞行时间以及预计的架次（见图3）。

3）基于预案的模型。比如，人员编组及数据处理方案无法用确定的规则和公式来描述，只能使用文本描述的方式，形成预案，由任务规划人员根据需要选择相应的部分。

4）基于空间分析的模型。比如，在选择应急监测任务进驻的起降机场时，就用到了地理信息系统中缓冲区分析的方法，来搜索距离目标区域最近的机场。

图3 作业量估算模型

3 结 语

本文首次研究并建立了航空遥感资源及分布数据库，创新性地设计并应用了多种决策支持模型，为航空遥感应急监测任务的快速规划提供了强有力的技术支持。系统在舟曲特大山洪泥石流灾害、玉树抗震救灾等一系列应急监测任务中得到了成功应用，促进了航空遥感资源的整合优化，为充分利用各种遥感资源进行高效率的应急监测，提高应对自然灾害和突发事件的快速响应能力发挥了重要作用。

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