基于高分遙感的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)設(shè)計

張國興 王銳

摘? 要：本文提出利用高分遙感觀測技術(shù)，對海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)的總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程和子系統(tǒng)進行了設(shè)計，提供統(tǒng)一的“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測數(shù)據(jù)信息管理與服務(wù)，解決了航行保障信息化建設(shè)相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統(tǒng)支撐的問題，實現(xiàn)了海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標涂色和結(jié)構(gòu)巡檢、航道能見度監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞：區(qū)域協(xié)同觀測;海上航行保障;海岸帶測繪;航標巡檢;航道能見度

0 引 言

我們分析海上航行安全保障和高分遙感應(yīng)用現(xiàn)狀，認識到：海岸帶地形測繪、特殊區(qū)域測繪存在成本、技術(shù)等方面的制約;航標常規(guī)巡檢周期長、費用高;VTS探測范圍有限，能見度不良導(dǎo)致大型船舶停航或滯航，影響港口生產(chǎn);高分遙感技術(shù)在航行保障中廣泛應(yīng)用，等等。因此，高分遙感技術(shù)在海事測繪、海事管理中具有廣泛的應(yīng)用潛力，充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的價值，可以提高航海保障能力和海事監(jiān)管水平。

在海岸帶地形測繪方面，本系統(tǒng)建設(shè)利用多平臺、多種傳感器聯(lián)合協(xié)同作業(yè)，充分發(fā)揮高分衛(wèi)星遙感攝影、合成孔徑雷達、激光雷達、無人機等先進技術(shù)的優(yōu)勢，采用新的數(shù)據(jù)處理手段及流程，實現(xiàn)海岸帶地形“天、空、地”一體化的快速智能型測繪新模式。

在海上航標巡檢方面，本應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)需利用高分遙感衛(wèi)星和無人機通過對海上航標進行視頻圖像采集并及時傳回，能夠使航標管理部門掌握海上航標位置、顏色和結(jié)構(gòu)實時情況，對情況的分析更加全面、準確，可有效提高航標管理效率。

在航道能見度監(jiān)測方面，本系統(tǒng)建設(shè)需利用“風(fēng)云三號”衛(wèi)星或航標能見度儀來獲取航道的能見度信息，并通過航標北斗和AIS基站向各船載應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，進一步提升船舶的霧航能力。

總之，基于高分遙感的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)將提供新手段和途徑實現(xiàn)海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標立體巡檢及航道能見度實時監(jiān)測，對提升海上航行保障服務(wù)水平具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

從總體架構(gòu)圖可以看出，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成。

（1）數(shù)據(jù)層：包括高分遙感數(shù)據(jù)、海事遙感多源輔助數(shù)據(jù)（無人機、北斗、AIS、GIS等）。

（2）系統(tǒng)層：包括海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)、航標巡檢增強子系統(tǒng)和航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)等三大應(yīng)用系統(tǒng)，以及衛(wèi)星通信信息處理平臺（含遙感衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星和AIS衛(wèi)星）、無人機通信信息處理平臺、AIS通信信息處理平臺、電子海圖平臺和數(shù)據(jù)交換平臺等五大應(yīng)用支撐平臺。

（3）應(yīng)用層：包括海事測繪中心、航標處、VTS等。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體框架

海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)：主要面向東海航海保障中心，提供統(tǒng)一的“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測數(shù)據(jù)信息管理與服務(wù)，主要解決航行保障信息化建設(shè)相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統(tǒng)支撐的問題，主要實現(xiàn)海岸帶地形多平臺和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標涂色和結(jié)構(gòu)巡檢、航道能見度監(jiān)測等業(yè)務(wù)增強功能，如圖2所示。

2.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程

根據(jù)現(xiàn)有海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，結(jié)合海事測繪中心、航標處等單位的法定職責(zé)，確定總體業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.3 海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)

2.3.1 功能設(shè)計

海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)獲得海區(qū)的高分辨率衛(wèi)星影像和航攝影像原始數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)的輻射糾正、傳感器的姿態(tài)引起的誤差糾正、幾何校正、正射校正、地圖投影、坐標轉(zhuǎn)換以及多源影像融合等一系列處理，制作海岸帶地形測繪基礎(chǔ)空間專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品。能通過產(chǎn)品服務(wù)共享平臺，為海事測繪中心提供轄區(qū)內(nèi)各類直接涉及船舶航行安全的地理信息數(shù)據(jù)、應(yīng)急海圖專項海圖、工程圖;提供各類專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品的瀏覽、檢索及下載等海岸帶地形測繪信息服務(wù)能力;提供各種常態(tài)化信息產(chǎn)品需求的收集、處理、分發(fā)等信息產(chǎn)品分發(fā)服務(wù)能力，助其進行相應(yīng)的港口航道測量、應(yīng)急掃海測量、專項測量、計劃外工程測量工作。

2.3.2 流程設(shè)計

海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)具體流程如圖4所示：

利用無人機航空攝影測繪和高分辨率遙感衛(wèi)星測繪分別經(jīng)過無人機通信信息處理平臺和衛(wèi)星通信信息處理平臺接收的航攝影像和高分辨率遙感圖像，轉(zhuǎn)發(fā)至海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)進行處理，通過開發(fā)基于海量數(shù)據(jù)交互提取技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、并行計算技術(shù)等強大的遙感數(shù)據(jù)處理平臺軟件，把處理后的結(jié)果在電子海圖平臺上進行綜合顯示，以及通過產(chǎn)品服務(wù)共享平臺為用戶提供產(chǎn)品服務(wù)支持。

2.3.3 接口設(shè)計

根據(jù)海岸帶地形測繪增強子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下4個接口：

（1）與數(shù)據(jù)交換平臺之間的接口，獲取海岸帶地形的基本信息，包括：區(qū)域、位置等;

（2）與無人機通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高清影像信息;

（3）與衛(wèi)星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高分辨率遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實現(xiàn)海岸帶地形信息的集成展示。

2.4 航標巡檢增強子系統(tǒng)

2.4.1 功能設(shè)計

航標巡檢增強子系統(tǒng)通過高分遙感衛(wèi)星和無人機搭載可見光或多光譜載荷采集航標的高分遙感圖像或視頻，并將拍攝的圖像或視頻通過圖傳設(shè)備及時傳輸至地面站，可使航標巡檢部門實時掌握航標結(jié)構(gòu)狀態(tài)和顏色狀態(tài)情況，分析航標狀態(tài)更加準確，提高航標巡檢部門的巡檢效率。采用高分遙感衛(wèi)星和無人機完成海上航標立體巡檢任務(wù)，形成“空、天、地、海”立體監(jiān)管模式，并最終實現(xiàn)全覆蓋、全方位的航標巡檢管理的綜合助航服務(wù)體系，為水運經(jīng)濟發(fā)展和船舶安全航行提供航海保障服務(wù)。

2.4.2 流程設(shè)計（見圖5）

航標位置巡檢通過無人機航空攝影和高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝的方式來實現(xiàn)。一方面，對于無人機航空攝影方式，如同航標顏色和結(jié)構(gòu)巡檢，無人機按照規(guī)劃路線飛往任務(wù)執(zhí)行區(qū)，對航道內(nèi)的航標進行連續(xù)的拍攝，并將航標航攝影像通過無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路發(fā)送給無人機通信信息處理平臺，無人機通信信息處理平臺同時將航標信息轉(zhuǎn)發(fā)給航標處指揮中心，航標處指揮中心對接收的航標航攝原始影像進行處理，并判斷航標移位或漂失、顏色或結(jié)構(gòu)有問題后，指揮調(diào)度航標船到該區(qū)域進行維護;另一方面，對于高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝方式，高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝任務(wù)區(qū)的航標遙感圖像，衛(wèi)星通信信息處理平臺接收到航標遙感圖像后轉(zhuǎn)發(fā)給航標處指揮中心，航標處指揮中心對航標遙感原始影像進行處理，并判斷航標移位或漂失、顏色或結(jié)構(gòu)有問題后，指揮調(diào)度航標船到該區(qū)域進行維護。

2.4.3 接口設(shè)計

根據(jù)航標巡檢增強子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下4個接口：

（1）與數(shù)據(jù)交換平臺之間的接口，獲取航標基本信息，包括：區(qū)域、位置等;

（2）與無人機通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉(zhuǎn)發(fā)無人機拍攝的航標顏色和結(jié)構(gòu)航攝影像信息;

（3）與衛(wèi)星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝的航標遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實現(xiàn)航標位置、顏色和結(jié)構(gòu)信息的集成展示。

2.5 航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)

2.5.1 功能設(shè)計

航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)一方面，航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)通過“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測航道能見度信息并轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星通信信息處理平臺進行處理;另一方面航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)通過在港口VTS中心管轄區(qū)域的海上航標上安裝前向散射能見度儀來獲取港口航道的能見度信息，并通過航標上的北斗短消息轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星通信信息處理平臺進行處理。衛(wèi)星通信信息處理平臺能夠及時判斷接收的能見度信息是否異常和及時掌握港口航道內(nèi)能見度狀態(tài)，如有異常，則自動顯示并告警，并通過對能見度告警級別、告警方式、發(fā)送方式等設(shè)置，能夠及時提醒駕駛員或值班員船舶即將或已經(jīng)進入霧區(qū)，進而提升船舶霧航能力，減少應(yīng)霧引起的航班延誤造成的經(jīng)濟損失，預(yù)防應(yīng)霧引起的海上突發(fā)事故的發(fā)生。

2.5.2 流程設(shè)計（見圖6）

航道能見度監(jiān)測增強系統(tǒng)，包括“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)、航標信息采集與傳輸子系統(tǒng)、衛(wèi)星通信信息處理平臺、北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)和AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng);其中，航標信息采集與傳輸子系統(tǒng)與衛(wèi)星通信信息處理平臺之間通過北斗衛(wèi)星鏈路進行通訊，衛(wèi)星通信信息處理平臺與北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)之間通過北斗衛(wèi)星鏈路進行通訊，衛(wèi)星通信信息處理平臺與AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)之間通過AIS基站鏈路進行通訊。

首先，“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)將探測到的能見度信息轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信信息處理平臺;航標信息采集與傳輸子系統(tǒng)通過在海上航標上安裝能見度儀來采集港口航道的能見度信息，通過在海上航標上安裝北斗通信設(shè)備來采集港口觀測位置，將港口觀測位置及其所在位置的能見度信息打包成可供衛(wèi)星通信信息處理平臺接收的北斗短報文，并經(jīng)北斗衛(wèi)星向衛(wèi)星通信信息處理平臺傳輸。

其次，衛(wèi)星通信信息處理平臺接收“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)和航標信息采集與傳輸子系統(tǒng)發(fā)送的能見度信息，經(jīng)過處理分別打包成可供北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收的北斗短報文和可供AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收的AIS報文，并經(jīng)北斗衛(wèi)星和AIS基站分別向各應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。

再次，北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收衛(wèi)星通信信息處理平臺經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的北斗消息，并經(jīng)過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

最后，AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收衛(wèi)星通信信息處理平臺轉(zhuǎn)發(fā)的AIS消息，并經(jīng)過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

2.5.3 接口設(shè)計

根據(jù)航道能見度監(jiān)測增強子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下2個接口：

（1）與衛(wèi)星通信信息處理平臺之間的接口，及時獲取或轉(zhuǎn)發(fā)港口航道的能見度信息;

（2）與電子海圖之間的接口，實現(xiàn)航道的能見度信息的集成展示和告警。

3 展 望

本文開展了面向海事部門的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強系統(tǒng)研究，業(yè)務(wù)范圍涵蓋針對沿海及周邊領(lǐng)海及毗連區(qū)為主的海域大范圍海上航行安全保障的軍民兩用需求，利用“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測手段實現(xiàn)海事部門關(guān)心的海上航行保障服務(wù)水平，為海上航行保障提供信息支撐，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

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