高分遥感技术在交通运输行业的应用及展望

2014-01-09航天恒星科技有限公司宋晨曦邹同元王剑汪红强孙知文王文亮

卫星应用 2014年6期

● 文|航天恒星科技有限公司宋晨曦邹同元王剑汪红强孙知文王文亮

高分遥感技术在交通运输行业的应用及展望

● 文|航天恒星科技有限公司宋晨曦邹同元王剑汪红强孙知文王文亮

交通运输作为国民经济和社会发展的基础性和服务性产业，在国家整体规划中占据不可或缺的重要地位。一直以来，利用新型科技力量提高交通运输各类应用水平和效率，是交通运输行业关心的热点。本文在充分调研现今交通运输行业的应用需求以及其信息化水平的基础上，结合分析高分辨率遥感数据特点，综合概述了高分辨率遥感数据在交通运输行业中的应用现状，并提出了若干交通运输行业高分产业化应用障碍以及对未来的展望设想。

交通运输高分辨率遥感应用

一、引言

在当今时代背景下，交通运输行业着力于完善网络、调整结构、优化管理和提升服务，以构建畅通、高效、安全、绿色的交通运输体系为目标。随着遥感和空间信息技术的飞速发展，以及交通运输应用中对大时空覆盖感知数据获取和处理日益迫切的需求，发展面向交通应用的遥感和空间信息技术具有重大意义和巨大潜力。高分辨率遥感数据具有图像覆盖范围大、探测范围广、时间性强、信息客观真实、成本低、获取方便等优点，在交通基础设施勘察设计、运营、维护、路域环境保护、以及交通灾害监测等领域具有广阔的应用前景。

伴随着我国高分辨率遥感卫星技术的发展，国产遥感卫星无论在数量还是图像质量上都将接近国外先进水平，而且具备不同遥感波段的高分辨率观测能力。本文首先探讨了遥感技术在交通运输行业中的国内外应用现状，对高分辨率遥感技术在我国交通运输行业的应用前景和内容方面进行分析，希望对充分发挥国产卫星应用效能、推进高分辨率遥感数据在我国交通领域的产业化发展进程等方面具有一定的指导意义。

二、国外遥感技术在交通运输行业的应用现状

目前遥感卫星向高分辨率、宽幅、多星等趋势发展，由于具有巨大的应用潜力和经济效益，高分辨率卫星产业进入了快速发展时期，亚米级光学遥感卫星、米级高分辨率SAR卫星和十米级红外传感器均已在道路安全监控领域得到广泛应用。

发达国家如美国、德国、加拿大、日本、澳大利亚等国从20世纪80年代开始大力发展遥感技术在交通领域的应用，重点支持遥感技术在交通基础设施规划建设、交通基础设施监测与管理、交通灾害监测和紧急救助、交通流监测、交通环境保护等几个方面的应用与方法研究。近10年来，国际上几个交通大国开展了国家级的大型交通遥感应用研究项目和工程。

在路网灾害监测遥感应用中，国外许多使用遥感数据的近实时的路网灾害监测技术也正在研发乃至已经投入使用。主要代表有美国的The Qinetiq’s MaST系统、挪威FFI的Eldhuset系统、欧洲The European Community Joint Research Centre（JRC）系统、法国Kerguelen的CLS运行系统等，这些系统主要借助了遥感技术与空间分析技术[1]。美国路网灾害监测系统由Ocean Monitoring Workstation（OMW）发展而来，主要依靠其商业卫星拍摄的高分辨率的遥感影像。在路网信息的提取中应用了面向对象的分割技术。加拿大路网系统利用多尺度图像分割技术、机器学习与模式分类技术、面向对象高分影像分类技术，实现路网信息遥感快速提取。

在交通流监测遥感应用中，美国国家级机构NCRST-F研究利用航空、航天遥感技术获取交通流信息。该机构是美国应用遥感在交通领域应用研究的国家级机构，隶属于NASA，专门研究遥感和空间信息技术在交通领域的应用，一共设置了四个分支机构，另外三个是：NCRST-D，利用遥感技术研究各种灾害对交通系统影响的评估与应对方案设计；NCRST-E，利用遥感技术研究周围环境对交通系统的影响；NCRST-I，研究利用遥感技术探测信息、数据库更新、多尺度建模、特征提取和数据融合等基础应用技术。德国遥感中心研发了记载光学影像实时传感系统3K照相系统用于交通监测，利用间隔很短的两幅影像通过车队检测和车辆速度估计获取到车流密度、平均速度、拥堵路段起止点、拥堵路段长度等信息，以此进行交通拥堵状况的分析。

在交通规划管理遥感应用中，各国建立了基于路网监测的信息化管理系统。英国交通遥感应用集中在交通流和公路路网的监测，主要的应用项目有高级交通流理论和非均匀智能交通网络控制和交通路线的远程监察。通过采用多种传感器（如回路探测器，遥感传感器，手机等）采集到的实时数据，建立一个基于模型的实时智能交通控制系统。

以上各国开展的交通行业遥感应用均是结合了GIS、GPS、三维模拟等其他空间信息技术。

三、国内遥感技术在交通运输行业的应用现状

在公路勘测设计遥感应用中，中国煤炭地质总局航测遥感局利用日本ALOS卫星遥感影像对公路G56中的云南宣威至曲靖段进行前期选线研究，对工程区进行地貌、岩性、构造、不良地质条件等解译，初步查明线路走廊带不良地质的分布情况，提出推荐线路[2]。陕西省公路勘察设计院遥感信息中心利用Landsat卫星ETM和QuickBird数据结合野外GPS实地调查完成了对榆林至神木公路的工程地质调查，查明了路线走廊带的工程地质环境和不良地质现象，为榆神公路线路方案选择、工程地质评价提供了充分的科学依据[3]。周贤斌、陈楚江等人利用3S技术在西藏S306线路勘察设计中，针对该线地形陡峻、地质复杂、资料空白等典型困难，研究了高分辨率IKONOS卫星图像的多尺度工程地质遥感进行地质选线，填补了测区基础资料的空白[4]。

在公路交通制图遥感应用中，陕西省公路勘察设计院2003年开发的交通遥感信息系统利用丰富的卫星遥感影像资料（西安、咸阳等地还有SPOT、SAR、航片等分辨率较高的影像）充分反映各个等级公路、规划公路、铁路的交通信息，同时还反映了经济、人文、资源及环境等资料[5]。新疆交通通信信息中心采用遥感技术对新疆农村公路的基本信息进行提取，通过自动提取与人工相结合的方法，为农村公路的规划、计划、建设、养护、管理等提供了准确的基础数据[6]。国内的武汉大学、中科院遥感与数字地球研究所等从不同角度对遥感图像的公路网信息提取进行了深入研究[7]，提出了许多有意义的方法和模型，例如利用高分辨率影像自动提取交通枢纽信息[8]、车流信息等[9]。

在公路灾害监测遥感应用中，河南省地质调查员利用Landsat卫星ETM+数据结合1∶6万黑白航片，对盐井至芒康段沿线的地质灾害和构造体系进行全面、宏观的调研，为公路维护和治理提供科学依据[10]。煤航遥感应用研究院采用1∶4万～1∶5万的彩红外航空像片对藏区的国道317和214线进行地质环境和地质灾害调查，确定了线路上滑坡、崩塌、泥石流的位置，解析了对公路的危害程度，为藏区公路灾害整治提供地质依据。利用中国资源卫星影像和航空像片结合GIS对川藏公路西藏境内的公路病害进行调查，确定了崩塌、坍塌和错落的分布，并研究其发展趋势和危害程度，为新的公路设计和决策以及现有路段的管理、整治提供详实可靠的资料[11-12]。

开展农作物病虫害发生流行的气候背景及其影响机制的研究，在掌握病虫气象规律的基础上，研究重大农业病虫害的监测和预警技术，对病虫害的发生发展及时跟踪，同时对未来动态加以准确预报。

在公路损毁遥感应用中，中科院等单位利用遥感技术对1998年全国特大水灾中长江、嫩江流域遭受水毁的公路和铁路灾情进行了监测和评价[13]。中科院遥感所对1999年台湾南投地震、2003年新疆伽师地震进行公路损毁监测。此外，对2008年初我国南方雪灾冻害造成的交通拥堵，交通科学研究院、民政部减灾中心等利用雷达卫星数据对京珠高速湖南郴州段进行了监测试验；中科院遥感与数字地球研究所、交通科学院等对2008年“5·12”汶川地震导致的公路损毁情况进行了重灾区公路受损干道的详细损毁遥感评估分析，为公路应急救灾抢通保修及灾后重建及时提供了科学依据[14-15]。

我国已经建立了一些交通遥感应用系统，部分省市已经利用遥感数据开展了遥感应用并取得了很好的效果，但是与国外综合应用高分辨率遥感技术手段相比仍具有较大差距，并且基于高分辨率的交通遥感应用在实际系统中的应用推广不足。

四、高分辨率遥感技术在我国交通运输行业的应用

交通运输行业包括公路、水路、民航。以公路为例，从施工到后期维护主要包括路网规划、建设、运维、环境评估等几个重要阶段。高分辨率遥感数据所具有的宏观性、全面性、客观性以及丰富的地物、地质信息，能够快速提供可靠的地形地貌、地质构造和地物判别的信息，因此在交通运输业中具有广泛应用前景。

高分辨率遥感在我国公路交通运输行业中的应用主要表现在以下几个方面：路网规划设计、路网运行维护、路网交通调查、路域环境监测与评估。

1.在路网规划设计方面的应用

针对高速公路影响力大、涉及面广、工程量重等特点，高分辨率遥感影像数据能为公路规划应用中的功能分区图制作、地质调查、占地分析、以及施工图制作等任务提供基础、直观、丰富的信息。其在路网规划设计方面的应用主要表现为：1）制作功能分区图和交通施工图：高分遥感影像的宏观性能够反映待建设路段区域的全局全貌，以及各类自然因素和人文因素的影响布局；另一方面，其高空间分辨率能够使制图实现精细化生产，信息量大、涵盖内容丰富，因此高分数据成为高速公路建设前期的勘察设计规划的主要资料。2）进行地质调查：高分辨率遥感影像的高空间分辨率具有对断裂段进行标注，对地面上的大型滑坡、桥梁、隧道等进行解译地质构造，对水域冲淤积、岸态变迁趋势等信息分析的优势。另一方面，高分数据能够用于提取地形、地貌、地质构造和地物信息，以识别不良地质现象、隐藏地质现象、特殊性岩土和水文地质、环境地质等，为路线方案的选择、桥梁和隧道的选址提供依据。3）进行占地分析与工程量估算：高速公路的施工阶段，规划者可以通过高分辨率遥感影像与其他资料进行动态对比分析，从而对高速公路的占地情况分析；另一方面，高分数据为高速公路规划应用提供内容全面、影像清晰、定位准确的空间信息，结合地形图，根据拟建公路的宽度、长度等信息，利用遥感信息可以对拟建公路的土石方、桥梁、隧道建设等施工量进行估算，并掌握施工进度情况。

加强对公路及其相关交通设施灾害监测与道路损毁评估，及时发现道路及周边环境的“细微”变化，对公路进行日常管理和灾害预警，对于确保交通要道和“生命线”的畅通，提高其通行能力，具有非常紧迫的意义。路网运维管理主要包括公路的日常运行维护管理和交通设施公路灾害监测与道路损毁评估两个方面，具体应用包括：1）制作交通一张图：从高分辨率遥感影像图中获取土地利用、道路网络、交通流量、交叉口、主干道路等信息，结合GIS和地面采集数据，以直观、生动、形象的方式予以描述。2）进行路网变化检测：定期获取特定区域高分辨率遥感影像，通过不同时相的高分辨率遥感影像变化分析，及时提取新增道路、新增交通枢纽信息，实现路网更新。3）进行路面健康状况监测：主要采用高光谱分辨率数据或高空间分辨率数据，配合地面手段，对不同健康情况下的路面光谱反射率的差异进行识别，获取路基结构、路面裂缝、变形等信息，以及进行不均与沉降监测，实现路面健康状况调查。4）进行高速路网地质灾害监测：利用遥感技术结合相关监测模型，对现有道路的周边进行地质调查，获取道路周边的地形、地貌、不良地质现象和水文等信息，预防道路地质灾害的发生，减小损害程度。5）进行山体滑坡监测：利用遥感影像实现滑坡体坡度、坡向、形态及高程等的识别，同时对滑坡造成的周边环境的变化、引发的次生灾害进行监测，具体应用过程中可能需要结合地面GPS沉降监测仪开展应用。6）进行路网灾害损毁评估：利用遥感技术快速获取地表信息，对灾后公路沿线地质灾害、次生灾害对公路造成的断道、掩埋等损毁情况进行评估，能够为指挥决策和应急响应提供依据。

3.在路网交通调查方面的应用

交通拥堵现象以及由此引发的交通事故与交通环境污染等社会问题已极其严重，路网交通调查是指通过遥感影像及相关地面交通检测设备对当前交通路网、交通基础设施、交通流量等方面进行分析。遥感手段具有能够高效、准确地获取地面信息的特点。随着空间科技的发展，综合利用遥感技术开展路网交通调查能够大大节省人力和物力，为交通管理和规划提供基础数据。具体应用包括：1）交通路网和基础设施调查：通过高分辨率遥感影像对当前路网状态、道路网络、车辆保有量与构成、交通信号、交叉口类型、交叉口形式、交叉口坐标、交通标志等信息进行识别提取。2）交通调查分析：利用高分遥感影像数据，对国省干线、重点高速公路路网上交通状态进行评估，具体包含两个方面：一是利用高分遥感影像数据对路网上车流量、车流密度、车流速度等信息进行提取，对区域或者特定路段的交通状态评估，分析路网的运行效率，分析路网投资的合理性；二是利用遥感影像数据，区分路网上运行的各种车辆类型，区分重卡、轻卡、客车、小车等，分析区域路网或者重点路段的货运变化情况，该数据可以作为国家经济指标的重要参考依据，同时也可为当地交通投资和基础设施建设提供决策支持。3）路网交通状态评估与变化趋势分析：基于高分遥感影像，并结合其他交通检测设备，对车流量、车流密度、车流速度、车型等道路交通信息进行提取，从而对当前交通状态进行评估以及其变化趋势进行分析。

4.在路域环境监测与评估方面应用

随着公路交通运输业的蓬勃发展及机动车保有量的迅猛增加，公路交通对环境的破坏，例如空气污染、植被破坏、水土流失等已经到了十分严重的地步。高分辨率卫星遥感数据不但包含地物的几何结构和纹理信息，而且蕴含准确、精细的自然环境信息与生态背景信息，因此能够针对上述环境影响因素对公路周边环境影响进行有效监测与评估。具体应用包括：1）公路域空气污染监测：通过卫星所携高光谱分辨率大气成分探测仪探测到的数据计算公路域周边的空气组成成分，对公路周边的空气情况进行监测，监测有害气体含量是否超标，并结合路面尾气排放探测器实际测量的数据估算公路车辆每天的尾气排放量，从而评估高速公路是否会给自然保护区环境及其他环境带来负面影响。2）公路域植被破坏监测：采用高光谱数据或高空间分辨率数据，配合地面手段，对不同健康情况下的植被光谱反射率的差异进行识别，获取植被健康状况信息并生成植被覆盖度产品。3）水土流失监测：高速公路的建设需要开挖大量的土石，从而使得植被破坏和大量土壤裸露于地表，造成公路周边的水土保持系统极为脆弱。利用高分辨率遥感影像定期监测公路域周边地表裸露程度和典型地形地貌，并结合数字高程模型（DEM）数据，估算水土流失量。

五、交通运输行业高分产业化应用障碍及未来展望

目前各行业包括交通运输行业都大力引进遥感、GIS等信息技术，提升行业由内而外的信息化管理水平，但是相较于其他诸如农林业、气象、测绘等行业来说，交通运输行业对于遥感尤其是高分辨率遥感技术的应用乃至产业化进程是稍显落后的，这其中不仅有其应用需求因素，还有该行业自身特点的原因。那么如何打破制约其飞速发展的瓶颈，首先需要了解其制约障碍，并且以高分辨率遥感特点为出发点，以交通运输行业信息应用为落脚点，发现并研究交通运输行业高分辨率遥感应用的关键环节。以公路为例，交通运输行业当前呈现出以下几点关键问题：

1）公路网遥感特征判读与识别。公路网在遥感影像上的判读既具有其优势又有劣势，公路具有一定的宽度，其形状类似于带状线或窄的矩形，并且公路网络具有一定的规则，几何特征明显又固定，这是其优势；而劣势之一是公路的宽度及周边设施难以精确的提取，之二则是农村公路的随意性和未开发性。由此产生对图像处理、模式识别等遥感技术的高要求、新需求。从高分辨率遥感图像，尤其是在高分辨率SAR图像中提取公路网络，随着图像分辨率的提高，各种细节特征也更丰富，公路目标也更多，许多较窄的在低分辨率图像中难以辨别的公路也能分辨出来，但同时图像中非目标噪声也越来越多。因此，提取高分辨率图像中的公路特征比较困难。

2）多源数据的信息融合。交通运输行业已经不满足单一依靠遥感数据源的信息化发展，实际中，该行业可以利用路段监控的摄像头视频、浮动车、定点埋设的传感器来实现路段的交通流监控、路网灾害监测等业务。虽然随着各种不同传感器相继开展应用，利用这些遥感器可以获得越来越多的大面积的同一区域的对地观测数据；但是这些数据之间存在一定的冗余性和互补性，如何有机的融合各种不同传感器数据，准确完整地提取公路网络是一个亟待解决并且需要不断完善的方向。

3）大部制改革所带来的机遇与挑战。交通体系又好又快的可持续发展是新时期我国交通发展的战略目标，国家大部制改革带来了中国交通行政管理体系组织结构上的进步，但同时在设施普查中需要航拍来清点设施，而大部制改革所带来的交通基础资料大量缺失、重新整理“清单”所带来的大量劳动、以及城市交通管理的混乱，就迫切需要高效、迅速、便捷的信息化手段弥补行业大部制改革中出现的信息断层问题，从而弥补缺失信息，优化已有信息，积极配合国家政策，引导和支持交通行业行政管理与技术管理各层面上的顺利过渡。

4）基于交通一张图的政务和民用。目前我国测绘行业推出了“天地图”等国家授权的测绘地图，但是与人民“衣食住行”中的“行”最密切相关的交通行业却缺乏这类将遥感资源、交通资源融入一起的“交通一张图”。而它的开发应用是存在极大的部内政务应用和强大的民用需求的。因此，在基于对高分辨率遥感影像的充分使用和基于对多源数据的信息融合基础上，将这些资源以图层、切片的形式展现给不同的用户使用，是一个为人民谋福利、增进人民福祉的方向。

[1]Li X，Yeh A G﹒ Multitemporal SAR Images for Monitoring Cultivation Systems Using Case-based Reasoning[ J]﹒Remote Sensing of Environment，2004，90（4）﹒

[2]李聪聪，张光超，张培贤﹒云南宣威-曲靖段公路遥感选线应用研究[J]﹒中国煤炭地质，2011，23（7）﹒

[3]白延平，戴文晗﹒榆林至神木公路遥感地质调查与评价[J]﹒ 测绘技术装备， 2007， 9（1）﹒

[4]周贤斌，陈楚江，余绍淮，等﹒3S技术在西藏S306线勘察设计中的研究[J]﹒公路交通技术，2006﹒10（5）﹒

[5]魏清﹒陕西省交通遥感信息系统软件开发[C]//﹒刘文杰﹒第一届全国公路科技创新高层论坛论文集（智能交通与机电工程卷），2004﹒

[6]哈琳琳﹒新疆公路交通将应用GIS和遥感技术[N]﹒ 中国交通报，2005-09-08﹒

[7]戚浩平，蔡先华，王炜﹒利用高空间分辨率卫星遥感数据制作影像交通图[J]﹒ 公路交通科技，2005，22（11）﹒

[8]汪闽，骆剑承，明冬萍﹒ 高分辨率遥感影像上交通枢纽信息的自动提取方法[J]﹒ 计算机工程与应用，2004（23）﹒

[9]何晓飞，周丽琼，李建﹒基于高分辨率遥感影像的车流信息提取[J]﹒ 城市勘测，2011（3）﹒

[10]张玉明，汤喜梅﹒G214盐井-芒康段地质灾害调查中遥感技术的应用[J]﹒ 中国地质灾害与防治学报，2009， 20（1）﹒

[11]林峰，赵小峰﹒藏区公路地质灾害及其稳定性遥感解译[J]﹒中国煤炭地质，2008（12）﹒

[12]王丽红，鲁安新，贾志裕，等﹒川藏公路西藏境公路病害遥感调查研究[J]﹒遥感技术与应用，2006，21（6）﹒