淺談3S技術在FAST無線電設施及建設用地監測中的應用

賀 書， 曾 潔

(貴州省第一測繪院信息遙感分院， 貴陽 550025)

0 引 言

近年來以遙感、地理空間信息系統、全球衛星定位相融合的3S技術蓬勃發展，除了在國土測繪、城鄉建設、環境保護等傳統領域扮演重要角色外，其空間信息快速獲取、直觀展現的特點讓其在“多規合一”、自然資源監測、軍民融合發展、智慧出行等領域日益發揮著舉足輕重的作用[1]。

500 m口徑球面射電望遠鏡(以下簡稱FAST)，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮大窩凼的喀斯特洼坑中，是目前世界上最大單口徑、最靈敏、最智能的射電式望遠鏡。作為國之重器，確保“中國天眼”有良好的射電波信號接收環境，保障其安全運行是屬地義不容辭的責任，為此 《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》(貴州省人民政府令2013年第143號)制定一系列措施，充分運用高分遙感、空間地理信息技術、衛星定位等手段，圍繞影響FAST安全運行的固定無線電設施和相關建設用地等方面，開展FAST寧靜區范圍內電磁波無線電設施及建設用地動態變化監測工作。

1 監測范圍及對象

本項目監測范圍為以FAST射電望遠鏡臺址中心為圓心，30 km為半徑的區域，總面積約2 827 km2，共涉及5個縣，其中貴州省境內3個縣、15個鄉鎮；廣西壯族自治區范圍內2個縣共124.7 km2。廣西壯族自治區位于監測區范圍內東南部，FAST射電望遠鏡臺址距離廣西壯族自治區最近距離僅22.76 km。

FAST電磁波寧靜區共劃分為三個區域：核心區、中間區和邊遠區。以射電望遠鏡臺址中心為圓點，半徑5 km范圍內的區域為核心區，面積78.5 km2；5～10 km的環帶區域為中間區，面積235.5 km2；10～30 km的環帶區域為邊遠區，面積為2 512 km2，如圖1所示。

本項目監測對象主要分為兩大類：一類為30 km范圍內固定無線電設施，主要為產生輻射電磁波設施的空間位置，包括無線電臺和電站(雷達臺站、移動業務臺站、航空導航業務臺站、廣電業務臺站、氣象業務臺站)，通信設備(通訊鐵塔、通訊電桿、電視塔)，110 kV以上高壓變電站等。

另一類為30 km范圍內地表建設用地，主要包括城鎮及農村房屋建筑、交通道路、工礦用地、機場場站等。

圖1 500 m口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區區域圖

2 監測總體技術路線

通過收集整理監測區固定無線電設施、建設用地等資料，利用多源多時相遙感影像，采用人機交互方式解譯監測區的固定無線電設施及建設用地；制作核查工作底圖，輔以外業核查監測對象的位置及屬性、建立監測數據庫，開展監測對象的統計及圖件制作；結合專題資料，分析評價FAST電磁波寧靜區固定無線電設施及建設用地的變化狀況。基于監測成果，依托國土資源云平臺，利用GIS技術，開發FAST電磁波寧靜區無線電設施，建設遙感監測系統，實現監測成果的高效管理、分析挖掘、共享應用，為FAST電磁波寧靜區環境保護工作提供決策支撐。總體技術路線如圖2所示。

3 關鍵步驟探索

3.1 資料收集與整理

由于該項目監測范圍較大，絕大多數產生電磁輻射的無線電固定設施位于山頂、密林間，交通不便，所以必須要充分利用和借鑒各行業已有資料，將從各職能部門收集的資料進行整理、篩選、轉換，見表1。

3.2 本底現狀庫建立

基于收集到的影像，疊加監測區行政界線、地名、建筑等要素，對收集整理的無線電設施(移動通信業務臺站、航空導航業務臺站、廣播電視業務臺站、氣象業務臺站、110 kV以上高壓變電站、)和建設用地(城鄉居民點建設用地、交通設施用地、公共設施用地、特殊利用用地、工礦用地、其它建設用地等)臺賬進行解譯上圖。對部分影像不支持、臺賬坐標錯誤、解譯不精準的無線電設施，交由外業人員實地查看核實，利用GPS系統重新采集真實坐標信息，形成本底現狀數據庫。

圖2 500 m口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區監測總體技術路線

3.3 變化信息提取

業界對變化信息提取方法已經做了很多深入研究，但每種方法均有其短板。因此，在本項目中變化信息提取的方法趨向于利用不同時像周期的高分辨率的影像，采取主成分變換法、光譜特征變異法等進行計算機自動提取，同時輔以采用人工目視解譯的方法對變化信息邊界和邏輯進行細化[2]。

將多期監測現狀成果疊加對比分析，提取變化目標信息，形成疑似變化數據庫。疑似變化數據的采集指標以變化后類型為準，最小采集面積與現狀數據的采集指標相同[3]。小于采集指標的圖斑中，對于某些確實發生變化，且對最后做統計有較大影響的圖斑，可保留。小于采集指標的圖斑應保持在全部圖斑數目的10%以內。在變化數據提取過程中，對由于投影差或套合差引起的變化，可在變化數據中刪除。

表1 各類資料收集與整理清單表

3.4 外業核查

外業核查以縣域為單位，實地核查工作區域內監測對象內容與指標所規定的所有內容，根據監測區的自然地理環境、區域特點、人類活動特征，按照區域劃分與實施計劃，科學規劃路線、各季度開展外業調查工作。對內業解譯提取的建設用地無線電設施圖斑、類型和屬性，全覆蓋全方位核查，同時采集相應的樣本數據，便于內業修改及計算機自動學習，最終確保成果滿足質量要求[4]。

3.5 統計與分析

3.5.1 無線電設施綜合分析

FAST工作頻率為70 MHZ～3 000 MHZ。設備在運行時，受到的干擾強度不能超過規定的保護閥值。

通過查詢各類設備輻射強度以及隨距離的衰減等參數，計算其不超過FAST電磁干擾門限值的距離，作為緩沖區分析的依據。

緩沖區生成方法：緩沖區生成方法主要有矢量方法和柵格方法，包括對點、線、面的緩沖區形成[5]。主要對最大輻射設施設備輻射范圍緩沖分析；無線電臺站分布及最大輻射范圍緩沖分析；線狀地物最大輻射范圍緩沖分析。

3.5.2 建設用地綜合分析

為了詳細分析FAST電磁波寧靜區建設用地空間擴展方向特征，研究采用等面扇形分析法，以射電望遠鏡臺址為原點，將FAST寧靜區劃分為8個方位(正東、正南、正西、正北、東北、東南、西北、西南)，空間疊加多期建設用地范圍，計算各個方位上新增的建設用地面積及其占比，從而分析建設用地空間變化方向差異，如圖3所示。新增面積越多、占比越大，表示該方位建設用地擴展強度越大，則該方位為建設用地擴展的主要方向。

圖3 FAST電磁波寧靜區建設用地方位變化圖

4 結束語

與其他傳統監測手段相比，利用3S技術監測具有速度快、 精度高、范圍廣等特點。隨著3S技術的不斷發展，高清影像分辨率的不斷提高，計算機自動解譯能力和機器學習算法的不斷增強，使得動態空間信息監測的技術不斷升級完善，為更好地監測各類國家重大基礎設施周邊環境影響提供了參考和借鑒。