空间技术在灾害交通应急的应用

文|刘三超 高懋芳

1.交通运输部规划研究院 2.中国农科院农业资源与农业区划研究所

一、前言

交通运输作为基础性、先导性、战略性和服务性行业，是经济发展、社会管理和改善民生的重要支撑，也是稳增长、促投资、防风险的重点领域。我国是世界上自然灾害危害最严重的国家之一[1]，地震、洪涝、滑坡、泥石流等破坏性灾害频繁发生，往往对交通基础设施造成不同程度损毁，并给灾区应急救援、物资调度、人员转移、信息沟通等造成严重影响。党的十九大提出建设交通强国的决策部署，科学技术作为交通运输行业创新驱动发展的核心动力，是新时代交通强国建设体系的重要支撑。

2015年，国家发布《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015年—2025年）》[2]，提出建立一星多用、多星组网、多网协同、数据集成服务的相关机制，分阶段建成技术先进、自主可控、布局合理、全球覆盖的国家民用空间基础设施。交通运输在国民经济社会发展中具有重要支撑引领作用，是以遥感技术、卫星通信、卫星导航为代表的空间技术的重点应用领域。

二、应用于灾害交通应急的通导遥空间技术

《国家民用空间基础设施中长期发展规划》高度重视空间技术应用，以满足行业和区域重大应用需求、支撑现代化建设和民生改善为出发点和落脚点。近年来，空间技术发展非常迅速，在自然资源、生态环境、农业水利、林业草原、应急管理等方面进行了较广泛应用。重大自然灾害发生后，由于不受地面条件限制，空间技术在灾区通信保障、灾情评估、应急救援、救灾决策等方面具有重要应用潜力。公路、铁路、机场、港口等关键基础设施，是保障灾后应急救援的人员、物资、信息流通的重要生命线，因此，准确掌握交通运行状态和保障灾区交通畅通，成为保证应急工作成效的重要基础。

1.遥感技术

遥感技术具有宏观、动态、持续和周期性观测的优势，可连续和定期获取地表或目标信息，根据搭载平台不同，可分为卫星遥感、航空遥感，根据电磁波波长和成像模式的不同，卫星遥感又可分为卫星光学遥感、卫星微波遥感。卫星光学遥感虽然受云雨雾等不良天气条件影响较大，但其具有空间分辨率较高、几何辐射信息丰富、数据解译相对容易等特点，是应用最多的遥感数据类型[3-6]。在灾害应急中，利用存档的卫星光学遥感数据，可快速开展公路、铁路、港口、机场及周边环境制图，为尽快掌握灾区基本情况提供第一手资料，利用灾后的卫星光学遥感数据，可较精确地开展交通线损毁评估、洪水淹没交通线评估、灾区交通运行状态监测等应用；合成孔径雷达（SAR）数据等卫星微波遥感具有全天时、全天候观测能力，此外，差分干涉SAR（Differential Interferometric SAR，简称D-InSAR）还可获取地表三维信息，利用卫星微波遥感，可提高灾害应急观测能力，及时开展洪水淹没范围、交通线损毁评估，以及铁路、公路、桥梁、隧道形变监测等方面应用；航空及无人机遥感具有机动灵活、分辨率高、调查周期短等特点，灾害发生后，可针对重点区域、重点路段、重点目标的交通运输保障要求，更精确、更及时地开展重要交通设施评估、重点路段交通监测等应用。

2.卫星通信广播

卫星通信广播具有传输距离远、覆盖区域广、投送容量大、业务类型多、抗毁能力强等优势，已成为社会经济、文化生活不可缺少的部分，是国家空间基础设施的重要组成。重大自然灾害及次生灾害发生后，往往对地面通信广播设施造成不同程度的破坏，在此情况下，卫星通信广播对于保持灾区正常通信具有不可替代的作用。因此，在灾害应急中，卫星通信广播能重点保障灾区应急通信链路畅通，通过以卫星固定通信、卫星移动通信、卫星移动广播为主要手段，结合应急车、应急终端等地面装备设备，及时建立天地一体化的交通应急卫星通信广播网络，为灾害交通应急的语音、数据、视频等信息传输应用提供保障。

3.卫星导航定位

卫星导航定位是利用卫星发射的无线电信号，由用户自主完成非询问应答式连续高精度定时、空间三维定位及运动速度矢量确定的无线电定位系统。目前，卫星导航定位已成为国家战略性新兴产业的重要组成部分，特别是北斗作为我国自主规划建设的卫星导航定位系统，已成为发展我国新一代信息技术的重要基础。卫星导航定位能提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，因此，灾害发生后，利用卫星导航定位及相关装备，结合物联网、移动互联网等技术，可以实现移动信息采集报送、应急车辆监控调度、应急交通指挥联动等应用，此外，在通信临时中断情况下，利用北斗卫星导航定位系统的短报文功能，还可及时报送灾区交通相关信息。

三、典型应用案例

近年来，我国发生了一系列历史罕见的重特大自然灾害，四川汶川特大地震、青海玉树地震、甘肃舟曲山洪泥石流灾害、四川芦山地震、云南鲁甸地震接连发生，造成了巨大人员伤亡和重大财产损失。灾害发生后，利用空间技术具有快速反应能力、不受地面环境影响的优势，及时开展灾区交通应急应用服务，为救灾救援工作提供支持。

1.交通基础设施快速制图

2010年4月14日，青海玉树藏族自治州发生里氏7.1级地震。地震发生当天，利用灾前环境减灾小卫星光学数据，快速制作了玉树机场及周边地区遥感分析产品，空间分辨率30m，结果表明，震中距州府所在地结古镇约30km，距玉树机场约43km，机场可为结古镇及周边物资运送提供重要保障（见图1）。

图1 玉树地震玉树机场及周边快速制图

2.交通干线影响评估

四川汶川地震后，灾区又多次发生滑坡、泥石流等次生地质灾害，2010年5月29日，汶川县雁门乡发生山体滑坡灾害，图2(a)为利用灾前灾后SAR数据对比分析，结果显示，滑坡体造成国道213汶川段部分交通中断。图2(b)为玉树地震发生后，利用快鸟（Quickbird）卫星光学遥感数据，对结古镇附近次生灾害对交通干线影响进行监测，结果表明，图幅范围内存在大型滑坡，对国道214部分路段造成了损毁。

3.农村公路损毁评估

图2 交通干线影响评估

2014年8月3日，云南鲁甸发生里氏6.5级地震，由于此次地震震级较大，加上灾区自然条件恶劣、社会经济发展水平较低，地震给灾区交通造成了一定影响。图3为利用昴宿星（Pleiades）卫星遥感数据，开展地震灾区农村公路损毁评估应用，图幅范围内发生了滑坡，造成了当地多处农村公路损毁。

图3 鲁甸地震农村公路损毁评估

4.道路淹没监测

2010年8月8日凌晨，甘肃舟曲发生特大山洪泥石流，这次是新中国成立以来破坏性最强、死亡人数最多、救灾难度最大的山洪泥石流灾害之一。利用航空遥感数据监测堰塞湖淹没情况，结果表明，泥石流在县城附近白龙江形成了较大的堰塞湖，导致城区部分地区和大范围道路被淹，对应急工作产生了一定影响（见图4）。

图4 舟曲山洪泥石流灾害堰塞湖道路监测

5.移动终端应用

随着移动互联网、物联网、人工智能等技术发展，利用智能手机、掌上电脑（PDA）等移动终端开展空间信息应用，已成为天地一体化监测体系的重要组成部分。现在使用的地震移动终端集成了数据管理、导航定位、通信广播等功能，可实现灾区电子地图、遥感数据的加载显示，及时掌握现场人员的位置信息及运动轨迹，支持道路、房屋等灾害重要目标信息采集分析，实现采集数据的标准化预处理、存档备份，以及报表、文档、图片、音频、视频的及时报送。

6.信息应用服务

图5为空间信息服务平台原型系统示意图，系统可实现高分辨率卫星及航空遥感数据、地形数据、灾区矢量数据的整合、分类、处理和入库，快速接入现场采集的有关数据，监测评估公路、铁路、港口、机场等交通设施损毁情况，实现遥感数据、现场数据和信息产品的二三维展示，可为交通应急指挥、人员物资调度、现场灾情调查等工作提供支撑。

图5 空间信息服务平台示意图

四、展望

交通运输是经济社会发展的先行官，建设综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通已成为行业可持续发展的重要方向。当前，科技创新成为驱动应用服务变革的重要力量，交通行业管理日益标准化、规范化、精细化，公众出行服务更加定制化、个性化、多样化。如何有效利用现代信息技术，已成为提升交通运输行业管理能力的迫切需要。

未来，围绕交通运输需求特点，实现通信、导航、遥感的集成已成为行业应用重要趋势：平台层面，卫星搭载能力不断增强，构建卫星通信、导航、遥感一体的信息实时服务系统成为可能，在天基平台上将逐步实现通信、导航、遥感的一体化集成；载荷层面，视频相机等新型载荷不断涌现，时空数据获取能力持续增强，可能对基础设施监测、交通运行动态监控、位置实时服务带来重大影响；应用层面，结合大数据、人工智能、移动互联网等新技术，通信、导航、遥感一体化集成应用将更加顺畅，应用广度可覆盖交通建设、管理、运营、养护全过程，应用深度可在交通规划设计、交通施工监测、交通运营监管、交通应急指挥、交通养护等业务辅助决策方面取得突破，应用形式将可能在共享服务等方面催生更多的新技术、新产品、新业态、新模式。