高分卫星应用模式创新研究及在交通领域的实践

中国公路工程咨询集团有限公司 上官甦

研究情况概述

高分专项（高分辨率对地观测系统重大专项的简称，是《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020年）》确定的十六个重大科技专项之一）实施以来，在抓总负责我国高分卫星应用推广的任务背景下，以“切实支撑国家治理体系和治理能力现代化建设，保障各级政府日常管理所需的遥感服务能力，使高分应用进入重点行业主体业务和地方综合治理体系”为目标，笔者提出设计由应用产品体系和技术体系、产业体系组成的高分应用推广理论架构和组织架构，形成政府建规则、统资源、搭平台、做监管，应用机构（各行业应用部门、各省级高分中心）出产品，区域应用建模式，企业为主做服务，协会培训与评价的新体系。

在应用技术体系和产业体系方面，创新主要体现在：（1）创新应用模式，提出信息提取和信息承载相结合的应用模式，前者即为传统的遥感应用模式，是指通过对遥感数据进行定标、反演、分析、识别、真实性检验等解译处理，提取目标的相关光谱信息和几何信息；后者是指将遥感影像作为一切社会经济信息的基底和平台，以位置和时间为要素，关联和承载其他不同层级各类信息，采用大数据的分析方法，得到新的综合性的分析结果。两种模式相结合，引领空间信息产业发展新业态，快速走向定量化、产业化发展新阶段。（2）组织共性产品研发，降低应用门槛。按照优势统筹、重点突破、标准统一、产品实用、共享服务、降低门槛的原则，充分利用各行业部门、高校和研究机构在我国遥感应用领域的技术基础或技术储备，组织开展了高分卫星数据应用共性关键技术的研发，以卫星用户需求为导向，以降低应用门槛为目标，提出了成果要产品化、工程化、标准化和可共享的要求，已经形成一批共性产品软件工具。

在产品体系方面，创新主要体现在：（1）创新提出“三个清单”（产品清单、服务清单和标准规范清单）的研发成果目标，保障交付的成果可复制、可推广应用，为行业、区域应用示范系统建设和应用推广提供技术支持与服务能力。（2）将超过2个行业专题产品生产所需要的输入，并且可利用同步实测数据进行真实性检验的产品定义为共性产品。基于各单位目前研制的446种高分专题产品进行回溯，梳理出39种共性产品，未来将实现所有共性产品统一标准化生产，提供相关单位共享。（3）建设高分国家级真实性检验系统，为共性产品提供真实性检验服务，确保定量遥感产品的精度，为行业应用提供更丰富、精确的产品和服务。

在高分应用技术体系和产品体系的指导和引领下，18个行业面向本行业的业务需求，共研制了446种专题产品。下面以高分在交通领域的业务应用为例，结合当前正在部署的高分共性产品研制与生产，探讨高分交通领域应用新模式和新业态。

高分交通领域应用方向

综合交通行业的纵向应用推广和30个省级高分中心的横向应用推广，高分遥感在交通领域的应用可以概括为如下7个方向：

（1）交通路网规划方向。具备道路网（主要指国道等级以上的公路）监测、交通量监测等专题产品的生产能力；

（2）道路勘察设计方向。具备公路勘察信息提取、公路选线辅助决策、公路选线三维展示等专题产品的生产能力；

（3）路网监控与应急方向。具备道路地质灾害调查专题产品、灾后路段运行评估、道路损毁应急评估等专题产品的生产能力；

（4）交通出行服务方向。具备路网运行监测、居民出行密度分布等专题产品的生产能力；

（5）航道环境监测与航运辅助管理方向。具备航道边界线、航道洲滩监测、水面关键目标（水面船舶、靠岸的船舶）等专题产品的生产能力；

（6）机场规划建设方向。具备机场基础设施信息（机场跑道、机场滑行道）、机场热温反演专题产品、机场建设用地变化检测等专题产品的生产能力；

（7）农村道路普查与安保方向。具备农村道路普查产品、农村道路安保监测产品、农村道路竣工核查产品监测专题产品生产能力。

图1 高分交通领域应用方向

面向交通强国建设的应用模式创新研究

图1所示19种专题产品，即为采用高分信息提取模式和高分信息承载模式生成的，结合高分正在建设的真实性检验场站网系统和共性产品，支撑交通强国建设的更广泛应用，未来高分交通领域及技术流程可进一步拓展，应用模式和技术流程如下：

（1）0级-2级标准产品生成。主要指从高分卫星影像中消除畸变的过程，消除辐射量失真的称为辐射校正，得到辐射校正产品，消除几何畸变的称为几何校正，得到几何校正产品；

（2）3级-5级共性产品生成。针对交通领域的应用，未来主要专题产品可基于土地覆盖/土地利用、植被指数、地表温度等共性产品来生产。所有共性产品成果基于“高分共享平台”（http：//gfplatform.cnsa.gov.cn）共享分发。针对交通专题产品生产的需求，对土地覆盖/土地利用产品矢量化，叠加到原始影像上，进行专题信息分割，得到交通运输用地、水域及水利设施用地和公共管理与公共服务用地等产品。这些产品是高分交通领域专题产品生产中的过程数据。

图2 高分交通领域应用模式及技术流程图

（3）6级专题产品生成。结合道路网矢量数据、工程地质、基础地理信息等其他数据，对上一步得到的专题产品进行专题信息提取，如基于交通运输用地专题产品，叠加城乡区划矢量图，确定属于农村范围的道路，并按照农村道路判别特征，南方宽度≥1.0m、≤8.0m，北方宽度≥2.0m、≤8.0m，可进一步提取得到农村道路专题产品。基于水域及水利设施专题产品，可以进一步提取得到水上关键目标专题产品和航道边界线专题产品。

（4）7级专题产品生成。上述两个步骤都属于信息提取应用模式，此步骤属于信息承载应用模式，即基于通过信息提取得到的专题产品，叠加土地利用属性、居民出行调查数据以及其他地面实测数据，采用大数据的分析方法，得到的综合性专题产品。如道路勘察设计中，基于道路勘察信息专题产品，叠加社会调查数据、生态调查数据等，进行环境影响评价，综合公路路线方案经济费用评价模型，对不同方案进行比选，最终生成道路选线辅助决策专题产品。

基于典型应用案例的应用模式分析

高分交通领域的专题产品目前在公路、水运等重点交通领域发挥了重要作用，下面结合应用实例探讨“高分专项”助力“交通强国”建设的应用模式以及技术流程分析，探索基于高分应用模式和技术流程的应用效率提升。

基于高分数据的道路勘察设计技术流程

基于高分卫星遥感影像，在某跨境高速公路勘测设计任务中，高分交通中心只用了一个月左右的时间，就拿出了方案报告，较传统手段缩短约60%周期，充分体现了高分卫星应用所带来的效率提升。其步骤可以概述为：

（1）道路勘察信息提取。采用信息提取应用模式，提取全线路域因子，包括城市、道路、耕地、森林等，生成公路勘察信息提取专题产品；

（2）总体线路选择。结合项目区域现状资料（交通量、社会经济及产业布局、人口分布、社会环境）、发展规划资料（社会经济发展战略、综合交通运输及公路网规划、城市总体规划）、建设条件资料（地形地貌、水文气象、工程地质、环境敏感区、筑路材料及运输条件）、测绘及设计资料（各种比例尺地形图、DEM、航摄像片、已有勘测设计资料）等基础调查资料生成公路选线辅助决策专题产品，得到K线方案和A线方案（如图3所示）；

（3）局部线路选择。采用交通专用模型，从技术指标、安全、环境、经济等几个方面，对K线走廊带方案和A线走廊带方案进行多因素比较，确定推荐方案。

当国家共性产品库建成后，流程第一步可以基于高分共性产品来生产，行业应用的重心可以聚焦到第二步和第三步，进一步提高勘察的效率，创造出更多更实用的专题产品，进一步丰富产品体系。

图3 道路勘察设计方案对比

基于高分数据的农村公路安保监测技术流程

基于高分卫星数据，进行路网提取，实现了农村公路数据的路网核查和综合分析，提供农村公路在规划、建设、养护等各个环节上的资金、资源配比参考，为各级业务人员的决策提供信息支撑。以农村公路安保监测为例，其技术流程如下：

（1）内业隐患排查。基于高分卫星影像，采用信息提取应用模式，提取农村道路专题图，并进一步按照道路隐患规则，提取道路隐患点，如图4（a）为对临水和临崖的路段隐患点进行排查。

（2）施工设计。根据隐患的类型和隐患处理的相关规定，以高分卫星影像为底图，进行施工设计。

（3）现场数据采集、复核和验收。将影像图、施工设计图和其他相关数据集成到手机App中，在隐患点现场，基于App完成外业数据采集、内业施工设计复核和验收，如图4（b）所示。

当国家共性产品库建成后，业务部门可以直接从高分共享平台中获取农村道路专题图，从而可以将应用重心集中到隐患排查及后续工作中。

图4 农村公路安保监测及施工设计

图5 九寨沟灾后路段运行评估图

基于高分数据的路网监控应急技术流程

基于高分卫星遥感影像，已形成对公路地质灾害监测、预警、评估的长效机制。

在2017年8月8日九寨沟地震中，按照我们发布的应急工作机制和流程，灾后第二天即将高分二号数据推送至交通等相关行业部门和省级中心，其应用流程为：

（1）生成道路专题产品。基于高分卫星影像，叠加九寨沟地区的矢量图，对影像进行矢量分割后，采用信息提取模式生成道路专题产品。

（2）生成灾后路段运行评估等专题产品，如图5为震后第二天生成的灾后路段运行评估图，图中黑色为道路阻断点，红色为严重阻塞道路，经评估，震区周边道路阻断有23处，为抢通保通、应急救援提供了有效的辅助决策信息。

结语

高分创新的应用推广模式为行业遥感应用带来了质的飞跃，高分数据专题产品与交通行业的专业模型结合在一起，形成了强大的生产力，支撑了交通行业的业务化应用，在行业和地方治理能力和治理体系现代化方面起到了重要作用，在十九大报告“交通强国”建设的总体要求下，伴随着国家共性产品库的建设，交通专题产品将进一步丰富，高分专项将助力交通运输行业进入综合交通运输基础设施加速成网、交通运输业加快转型升级、现代治理能力持续提升、现代综合交通运输体系加快构建的快车道。