空間技術在災害交通應急的應用

文|劉三超 高懋芳

1.交通運輸部規劃研究院 2.中國農科院農業資源與農業區劃研究所

一、前言

交通運輸作為基礎性、先導性、戰略性和服務性行業，是經濟發展、社會管理和改善民生的重要支撐，也是穩增長、促投資、防風險的重點領域。我國是世界上自然災害危害最嚴重的國家之一[1]，地震、洪澇、滑坡、泥石流等破壞性災害頻繁發生，往往對交通基礎設施造成不同程度損毀，并給災區應急救援、物資調度、人員轉移、信息溝通等造成嚴重影響。黨的十九大提出建設交通強國的決策部署，科學技術作為交通運輸行業創新驅動發展的核心動力，是新時代交通強國建設體系的重要支撐。

2015年，國家發布《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015年—2025年）》[2]，提出建立一星多用、多星組網、多網協同、數據集成服務的相關機制，分階段建成技術先進、自主可控、布局合理、全球覆蓋的國家民用空間基礎設施。交通運輸在國民經濟社會發展中具有重要支撐引領作用，是以遙感技術、衛星通信、衛星導航為代表的空間技術的重點應用領域。

二、應用于災害交通應急的通導遙空間技術

《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃》高度重視空間技術應用，以滿足行業和區域重大應用需求、支撐現代化建設和民生改善為出發點和落腳點。近年來，空間技術發展非常迅速，在自然資源、生態環境、農業水利、林業草原、應急管理等方面進行了較廣泛應用。重大自然災害發生后，由于不受地面條件限制，空間技術在災區通信保障、災情評估、應急救援、救災決策等方面具有重要應用潛力。公路、鐵路、機場、港口等關鍵基礎設施，是保障災后應急救援的人員、物資、信息流通的重要生命線，因此，準確掌握交通運行狀態和保障災區交通暢通，成為保證應急工作成效的重要基礎。

1.遙感技術

遙感技術具有宏觀、動態、持續和周期性觀測的優勢，可連續和定期獲取地表或目標信息，根據搭載平臺不同，可分為衛星遙感、航空遙感，根據電磁波波長和成像模式的不同，衛星遙感又可分為衛星光學遙感、衛星微波遙感。衛星光學遙感雖然受云雨霧等不良天氣條件影響較大，但其具有空間分辨率較高、幾何輻射信息豐富、數據解譯相對容易等特點，是應用最多的遙感數據類型[3-6]。在災害應急中，利用存檔的衛星光學遙感數據，可快速開展公路、鐵路、港口、機場及周邊環境制圖，為盡快掌握災區基本情況提供第一手資料，利用災后的衛星光學遙感數據，可較精確地開展交通線損毀評估、洪水淹沒交通線評估、災區交通運行狀態監測等應用；合成孔徑雷達（SAR）數據等衛星微波遙感具有全天時、全天候觀測能力，此外，差分干涉SAR（Differential Interferometric SAR，簡稱D-InSAR）還可獲取地表三維信息，利用衛星微波遙感，可提高災害應急觀測能力，及時開展洪水淹沒范圍、交通線損毀評估，以及鐵路、公路、橋梁、隧道形變監測等方面應用；航空及無人機遙感具有機動靈活、分辨率高、調查周期短等特點，災害發生后，可針對重點區域、重點路段、重點目標的交通運輸保障要求，更精確、更及時地開展重要交通設施評估、重點路段交通監測等應用。

2.衛星通信廣播

衛星通信廣播具有傳輸距離遠、覆蓋區域廣、投送容量大、業務類型多、抗毀能力強等優勢，已成為社會經濟、文化生活不可缺少的部分，是國家空間基礎設施的重要組成。重大自然災害及次生災害發生后，往往對地面通信廣播設施造成不同程度的破壞，在此情況下，衛星通信廣播對于保持災區正常通信具有不可替代的作用。因此，在災害應急中，衛星通信廣播能重點保障災區應急通信鏈路暢通，通過以衛星固定通信、衛星移動通信、衛星移動廣播為主要手段，結合應急車、應急終端等地面裝備設備，及時建立天地一體化的交通應急衛星通信廣播網絡，為災害交通應急的語音、數據、視頻等信息傳輸應用提供保障。

3.衛星導航定位

衛星導航定位是利用衛星發射的無線電信號，由用戶自主完成非詢問應答式連續高精度定時、空間三維定位及運動速度矢量確定的無線電定位系統。目前，衛星導航定位已成為國家戰略性新興產業的重要組成部分，特別是北斗作為我國自主規劃建設的衛星導航定位系統，已成為發展我國新一代信息技術的重要基礎。衛星導航定位能提供全天時、全天候、高精度的定位、導航和授時服務，因此，災害發生后，利用衛星導航定位及相關裝備，結合物聯網、移動互聯網等技術，可以實現移動信息采集報送、應急車輛監控調度、應急交通指揮聯動等應用，此外，在通信臨時中斷情況下，利用北斗衛星導航定位系統的短報文功能，還可及時報送災區交通相關信息。

三、典型應用案例

近年來，我國發生了一系列歷史罕見的重特大自然災害，四川汶川特大地震、青海玉樹地震、甘肅舟曲山洪泥石流災害、四川蘆山地震、云南魯甸地震接連發生，造成了巨大人員傷亡和重大財產損失。災害發生后，利用空間技術具有快速反應能力、不受地面環境影響的優勢，及時開展災區交通應急應用服務，為救災救援工作提供支持。

1.交通基礎設施快速制圖

2010年4月14日，青海玉樹藏族自治州發生里氏7.1級地震。地震發生當天，利用災前環境減災小衛星光學數據，快速制作了玉樹機場及周邊地區遙感分析產品，空間分辨率30m，結果表明，震中距州府所在地結古鎮約30km，距玉樹機場約43km，機場可為結古鎮及周邊物資運送提供重要保障（見圖1）。

圖1 玉樹地震玉樹機場及周邊快速制圖

2.交通干線影響評估

四川汶川地震后，災區又多次發生滑坡、泥石流等次生地質災害，2010年5月29日，汶川縣雁門鄉發生山體滑坡災害，圖2(a)為利用災前災后SAR數據對比分析，結果顯示，滑坡體造成國道213汶川段部分交通中斷。圖2(b)為玉樹地震發生后，利用快鳥（Quickbird）衛星光學遙感數據，對結古鎮附近次生災害對交通干線影響進行監測，結果表明，圖幅范圍內存在大型滑坡，對國道214部分路段造成了損毀。

3.農村公路損毀評估

圖2 交通干線影響評估

2014年8月3日，云南魯甸發生里氏6.5級地震，由于此次地震震級較大，加上災區自然條件惡劣、社會經濟發展水平較低，地震給災區交通造成了一定影響。圖3為利用昴宿星（Pleiades）衛星遙感數據，開展地震災區農村公路損毀評估應用，圖幅范圍內發生了滑坡，造成了當地多處農村公路損毀。

圖3 魯甸地震農村公路損毀評估

4.道路淹沒監測

2010年8月8日凌晨，甘肅舟曲發生特大山洪泥石流，這次是新中國成立以來破壞性最強、死亡人數最多、救災難度最大的山洪泥石流災害之一。利用航空遙感數據監測堰塞湖淹沒情況，結果表明，泥石流在縣城附近白龍江形成了較大的堰塞湖，導致城區部分地區和大范圍道路被淹，對應急工作產生了一定影響（見圖4）。

圖4 舟曲山洪泥石流災害堰塞湖道路監測

5.移動終端應用

隨著移動互聯網、物聯網、人工智能等技術發展，利用智能手機、掌上電腦（PDA）等移動終端開展空間信息應用，已成為天地一體化監測體系的重要組成部分。現在使用的地震移動終端集成了數據管理、導航定位、通信廣播等功能，可實現災區電子地圖、遙感數據的加載顯示，及時掌握現場人員的位置信息及運動軌跡，支持道路、房屋等災害重要目標信息采集分析，實現采集數據的標準化預處理、存檔備份，以及報表、文檔、圖片、音頻、視頻的及時報送。

6.信息應用服務

圖5為空間信息服務平臺原型系統示意圖，系統可實現高分辨率衛星及航空遙感數據、地形數據、災區矢量數據的整合、分類、處理和入庫，快速接入現場采集的有關數據，監測評估公路、鐵路、港口、機場等交通設施損毀情況，實現遙感數據、現場數據和信息產品的二三維展示，可為交通應急指揮、人員物資調度、現場災情調查等工作提供支撐。

圖5 空間信息服務平臺示意圖

四、展望

交通運輸是經濟社會發展的先行官，建設綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通已成為行業可持續發展的重要方向。當前，科技創新成為驅動應用服務變革的重要力量，交通行業管理日益標準化、規范化、精細化，公眾出行服務更加定制化、個性化、多樣化。如何有效利用現代信息技術，已成為提升交通運輸行業管理能力的迫切需要。

未來，圍繞交通運輸需求特點，實現通信、導航、遙感的集成已成為行業應用重要趨勢：平臺層面，衛星搭載能力不斷增強，構建衛星通信、導航、遙感一體的信息實時服務系統成為可能，在天基平臺上將逐步實現通信、導航、遙感的一體化集成；載荷層面，視頻相機等新型載荷不斷涌現，時空數據獲取能力持續增強，可能對基礎設施監測、交通運行動態監控、位置實時服務帶來重大影響；應用層面，結合大數據、人工智能、移動互聯網等新技術，通信、導航、遙感一體化集成應用將更加順暢，應用廣度可覆蓋交通建設、管理、運營、養護全過程，應用深度可在交通規劃設計、交通施工監測、交通運營監管、交通應急指揮、交通養護等業務輔助決策方面取得突破，應用形式將可能在共享服務等方面催生更多的新技術、新產品、新業態、新模式。