应用卫星系统助力品质工程

文/图 中国交通建设集团有限公司 崔银秋

中交星宇科技有限公司 刘玲

详解：空间信息走廊

经过60年自主发展，我国已建立起较为完善的航天科技工业体系，初步建成了以通信、导航和对地观测卫星为主体的应用卫星系统。2016年我国出台《关于加快推进“一带一路”空间信息走廊建设与应用的指导意见》，提出要充分利用已有和规划发展的遥感、通信、导航等卫星资源，补充建设地面信息服务网络，开展空间信息在“一带一路”核心支点的应用示范，在空间信息领域为“一带一路”沿线国家和地区贡献了“中国方案”。

空间信息走廊建设的总体目标是经过10年左右的努力，基本建成以东南亚、南亚、西亚、中亚、北非为重点，辐射大洋洲、中东欧、非洲等区域，设施齐全、服务高效的“一带一路”空间信息走廊，成为我国与沿线国家共建“一带一路”的崭新亮点，使我国空间信息产业在走廊区域的市场化、国际化达到世界先进水平，为走向世界奠定坚实基础，惠及“一带一路”沿线国家经济社会发展。正在组织论证的“天地一体化信息网络”重大专项，将实现天地互联、协同使用，卫星数据实时获取、安全可控、随遇接入、按需服务，未来将大幅提升我国全球卫星通信能力。

随着“一带一路”倡议、西部大开发的不断深入，我国公路建设的中心已逐步从东部发达地区向西部山区、边远荒漠地区延伸，从国内公路建设向国际大通道方向辐射，对于“品质工程”的建设也提出了越来越高的要求。自主空间信息技术，可为“品质工程”建设提供先进技术保障。

空间信息技术是“品质工程”的“大脑”“眼睛”和“胃”

在“品质工程”的创建过程中，“四新技术”的应用，是打造“品质公路”的重要支撑之一。“四新技术”离不开卫星通信、定位导航、高分遥感、地理信息系统及高性能云计算、深度学习等技术。其中，遥感和导航定位技术相当于“眼睛”和神经末稍，洞察现在，预知未来；地理信息系统及各种机器学习和深度学习算法，相当于“大脑”，具有精准判断能力，理解数据信息究竟代表什么意义，如何更好地实现其价值；高性能云计算相当于“胃”，它必须拥有强大的消化功能，才能够消化掉海量的数据，通信技术相当于毛细血管，打通了数据采集、传输的各个环节，不断输送新鲜血液。

卫星通信、北斗人员定位、通信、预警系统示意图

空间信息技术是“品质工程”建设的重要支撑体系，通过空间信息技术将人类活动及其自然环境的各类信息以空间数据为平台，进行采集、量测、分析、存储、管理显示、传播和应用整合，极大拓展和提升了人类认知自然、探索世界的能力。

数字化公路建设是品质公路建设的重要组成部分，通过数字化公路建设，将公路、空间信息和属性信息数字化、可视化、网络化、智能化，构成公路信息模型，实现从规划、勘察、设计、施工、监控、收费、养护、运营和服务等环节上，对高速公路进行数字化建设、管理、养护和可持续发展。

规划与勘察设计。在项目规划、科研和投标阶段，急需项目区域测绘基准、地形和地质等资料，但是传统手段耗时长、投入大，困难地区人员无法到达、仪器设备出关难，无法满足生产需要，而卫星综合技术可给予补充，获取速度快、精度高、投入少、频次高、现势性强，在宏观方面可满足交通规划、勘察、设计的需求。北斗的高精度导航定位，满足设计、规划、运营、监测等需要高精度坐标基准服务的用户需求。高分遥感卫星影像，为预可行性研究和选线、选址辅助决策提供依据，相关土地信息可为后期征地拆迁赔偿等提供第一手资料，可支撑掌握项目区域的基础交通网络数据信息。

施工与运营监控。利用自主通导一体化手持终端主动报警和被动报警模式，可实现施工人员全员安全监管。而数字化施工技术，是在施工机械上加装自动控制系统，配合北斗/GPS（全球定位系统）或全站仪进行施工的自动控制作业，不需要人员在机械周围监测，避免重复作业，保障了施工安全。

数字化施工示意图

北斗应急救援示意图

地质灾害演化和潜在地质灾害，对项目建设及将来的安全运营造成潜在威胁。高分遥感技术可对项目区域范围内的地质灾害类型、等级进行分区、分类，形成公路地质灾害基础数据库，结合区域内的水文、气象、地质构造等历史数据，及时观测分析，可评估预警地质灾害的危险性，通过长期动态监测，预测地质灾害的发展发育情况。在高危区域布置数据采集终端，实时传输灾害信息，及时掌握发生灾害时间、位置，可提高工程应急救援实时性和救援效率。利用卫星移动通信，构建重点施工区域内局域通信网络，结合手持终端与传感器，能够辅助工程各阶段巡检工作，实现工程现场隐患数据的采集、处理反馈、复查、预警预报，以及隐患点规避等功能，达到提前预警作用。

应急救援。可以有效利用现有通信卫星资源，结合局域网通信技术化手段，提高现有救助力量的救援效率。应急条件下，利用手持终端，通过卫星链路，实现终端之间、终端与公网用户间的双向通信，汇报现场情况、位置信息、拍摄上传现场视频及图像信息，指挥机关及时指令、实时监控、实时信息交互，实现高效可靠的应急救援通信、定位导航保障。

某大桥桥位1：10000影像图和地形

体系化和全球化的空间信息技术

空间信息技术作为不受国界限制获取、传输和实时快速实现全球通信、导航定位授时和多尺度（包括高分辨率）观测的空间基础设施，其应用渗透到国民经济与社会发展的各个领域，已经成为“一带一路”基础设施和新兴产业产能合作的重要组成部分，对于支撑我国企业拓展国际市场、推进“品质工程”建设具有特别重要的作用。

目前，空间信息走廊建设已进入体系化发展和全球化服务的新阶段。卫星遥感向地球整体观测和多星组网观测发展，逐步形成立体、多维、高中低分辨率结合的全球综合观测能力，基于全球高精度地面控制点网和高分遥感动态监测信息深度融入天地一体化的宽带网络互联、物联网、云计算应用，正在开启面向各类终端用户的网络在线时空大数据服务新模式；卫星通信广播各类业务趋于融合并向宽带多媒体方向发展，下一代移动通信卫星星座正在加紧部署；卫星导航从美国主导的单一GPS时代迈向美国、俄罗斯、中国、欧洲四大全球系统和日本、印度两大区域系统竞相发展的新时代。全球卫星及应用产业快速增长，进入21世纪以来，年均增长率保持10%以上。发展和完善自主的空间基础设施，日益成为发达国家和地区追求空间领域领先、抢占经济科技竞争制高点、发展新兴产业、维护安全利益的战略选择。在这一背景下，完善空间信息走廊建设，建立多层次自主可控的全球空间基础设施及其应用体系，促进“一带一路”空间信息技术共建共享机制和应用，不但是我国建设覆盖全球的现代化空间信息走廊，提升空间信息产业国际竞争能力的客观需要，也是“规划”中我国与沿线国家在高新技术领域合作的重要组成部分。

随着空间信息技术的发展，呈现需求不断扩大（向产能合作、资源环境、文化交流、旅游、减灾等领域扩展），应用不断深化（与业务融合水平不断提升），逐步形成对一些重要行业（如交通）主导业务的全面信息支撑，通导遥与天空地一体化综合应用正在成为主要应用方式。这些应用项目在支撑我国与沿线国家开展交通、能源、水利、港口等重大基础设施建设与产能合作、人文遗址保护与旅游等人文交流，以及自然资源开发与环境保护、防灾减灾救灾、边防安全与反恐等合作领域发挥了越来越重要的作用。国家鼓励空间信息技术采用市场化运作，遵循国际惯例，纳入工程项目规划，由骨干企业组织实施；国家通过实施鼓励高技术成果转化和促进战略新兴产业的政策，通过政策性贷款等市场模式予以扶持。

基于通信卫星、北斗导航和高分遥感的自主空间信息技术

在交通建设方面，通过北斗地基增强系统为交通建设提供空间参考基准，在此基础上通过高分遥感、北斗导航等多种数据采集手段，提供1：50000 到 1：10000 甚 至 1：5000 大 区域卫星遥感图像或地形图，特别是在基础资料严重匮乏区域，不仅可提供规划、勘察、设计、施工等业务领域所需的地形、地物、地质信息，加快方案比选的速度，还可通过影像解译和分析，对走廊带的地质、生态环境进行区域性、周期性动态监测，大大降低野外工作量，提高勘察效率。

公路三维设计环境

利用空间信息技术，可对景观生态环境进行分析和可视化评估，指导对自然生态环境的保护，充分体现“在设计上最大限度地保护生态”的先进理念。在新的技术体系下，可采用三维地理信息建模方法构建一个高精度、可量测的真实交通地理信息环境，从地形、地质、生态环境等多个方面全面评估和优化设计方案，进一步保证了公路勘察设计的质量，提高勘察设计效率，极大降低建设成本。

在“品质工程”建设中，质量和进度是重要考查指标。在工程建设过程中，卫星综合技术为工程提供实时动态周期性监测数据，从影像上可直接获取建设区内工程的形象进度，以及周边的耕地、农田、林地、居民地、建筑用地等土地利用分布信息，可为征地拆迁赔偿等提供第一手资料。

基于遥感影像的公路形象进度展示

例如，基于遥感影像进度核查数据处理结果与建设计划、上报比对分析，实现了基于遥感的进度核查和GIS可视化进展展示，辅助于公路建设宏观、动态监管和决策分析。

在交通工程运营及养护方面，高分遥感技术在灾害发生前，可连续提供有关自然灾害发生背景、条件的大量信息，有助于圈定某些灾害可能发生的地区、时段及危害程度，从而采取必要的措施，减轻灾害造成的损失；在成灾以后可在大范围内迅速、准确地对灾害造成的损失进行评估分级，以便及时组织救灾、恢复生产、重建家园。同时，利用高分卫星遥感影像与地面无线传感网、北斗等现代信息技术进行有效结合对施工及运营期间高边坡、桥梁等区域进行动态监管，对大型构造物进行监测，并利用终端设备及时将信息传输到各级管理人员及施工人员，达到有效地组织应急救援活动的目的。

卫星综合技术在灾害监测应急中的应用

高速地质灾害分布专题图

例如，在高速公路地质灾害的危险性评估预警中，通过长时期动态监测，可对地质灾害的发展发育情况进行预测。还可以在易发生灾害区域，通过布置数据采集终端，定时向指挥监控机关传输灾害信息，实现灾害精度定位，实时上报，从而及时掌握发生灾害时间、位置，缩短灾害定位所需时间，提高救援效率。

在应急救援方面，利用现有北斗导航和通信卫星资源，结合局域网通信技术化手段，同时满足广域通信和定位功能，应急救助人员在天通一号移动通信模式下，通过S频段卫星链路，实现终端之间，或终端通过关口站与公网用户间的双向通信，汇报现场情况、拍摄上传现场视频及图像信息，同时将位置信息自动一并上报；指挥机关通过公网用户终端或通导一体化终端下达指挥命令、实时监控回传的视频、图像等救援现场实况，掌握灾害位置信息、区域等。

例如，在隧道内部，通过北斗终端可在最短时间内将现场情况以语音、数据等形式报送上级，并可与其它终端进行实时的信息交互，实现高效可靠工程应急救援通信、定位导航保障，构建点-线-面结合的综合应急保障体系。

隧道内部北斗监测预警

空间信息技术让公路更智能

2018年，交通运输部提出加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点，包括基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务和新一代国家交通控制网六个方向。新一代国家交通控制网和智慧公路将对未来的“品质工程”建设提供思路和方向，未来的交通“品质工程”也将朝着更加数字化、智能化、智慧化的方向发展。

空间信息技术可为未来品质公路建设提供主动式、持续性的服务保障能力，主要体现在数字化设施、智能管控、智慧决策、高效服务等方面。

数字化设施方面，基于高分辨率卫星遥感和自主北斗导航技术，实现公路、桥梁、附属设施等公路交通基础设施具备多维感知能力，能够实现彼此间的信息互联互通和自动控制，并与交通工具、交通参与者的协同联动，为公路交通安全和高效通行提供数据支撑。未来的民用空间分辨率达到0.3米，可以精确识别表面积为0.1平方米的地物，实现基础设施的感知和监测。结合高分遥感和北斗导航技术，针对桥梁、边坡，以及道路路面构建点面结合的沉降监测系统，可极大提高路面、桥梁、边坡等基础设施的沉降监测精度(毫米级)。

智能管控方面，基于5G、卫星通信等技术，打造天地一体的公路通信网络，实现路网运行的全面感知能力，实现人、车、路的一体化运行监测，第一时间发现公路通行异常，实现区域路网协同管理、出行信息服务等智能应用。基于北斗卫星技术，整合浮动车、报警手机定位等，可实现道路流量监测、路况预判，还可实现报警车辆与视频监控系统的联动，实现应急救援指挥调度、分流预案、应急信息提示等，快速处置交通事故。

智慧决策方面，以云计算、GIS技术、大数据、物联网、移动互联网等信息化新技术与公路行业的深度融合，实现路网海量数据汇聚，提升公路行业的精细化管理水平。围绕公路交通安全、舒适、高效的通行能力，以及日常运维管理的智能化，实现主动预测、自动处置、快速响应、服务高效，全面提升以人为本的智慧公路决策水平。

高效服务方面，通过人、车、路互联互通，及时联网发布跨区域交通信息及事故信息，提高公路信息服务水平和质量，包括动态路径导航、实时路况发布、个性化出行、交通分析等。同时，综合应用北斗地基增强、北斗卫星短报文、VAST宽带卫星通信等技术，结合手机App定位、高精度地图、4G视频、移动应急指挥车等手段，搭建综合应急指挥调度体系，实现人员、应急救援车辆的快速调配，以及事件现场与指挥调度中心的信息共享和联动，提升应急救援效率。