基于高分遥感的海上航行保障应用业务增强系统设计

张国兴 王锐

摘  要：本文提出利用高分遥感观测技术，对海上航行保障应用业务增强系统的总体架构、业务流程和子系统进行了设计，提供统一的“空、天、海、地”各种遥感协同观测数据信息管理与服务，解决了航行保障信息化建设相对比较薄弱、缺乏有效的信息系统支撑的问题，实现了海岸带地形多平台和传感器遥感协同测绘、航标涂色和结构巡检、航道能见度监测等功能。

关键词：区域协同观测;海上航行保障;海岸带测绘;航标巡检;航道能见度

0 引 言

我们分析海上航行安全保障和高分遥感应用现状，认识到：海岸带地形测绘、特殊区域测绘存在成本、技术等方面的制约;航标常规巡检周期长、费用高;VTS探测范围有限，能见度不良导致大型船舶停航或滞航，影响港口生产;高分遥感技术在航行保障中广泛应用，等等。因此，高分遥感技术在海事测绘、海事管理中具有广泛的应用潜力，充分发挥卫星遥感影像数据的价值，可以提高航海保障能力和海事监管水平。

在海岸带地形测绘方面，本系统建设利用多平台、多种传感器联合协同作业，充分发挥高分卫星遥感摄影、合成孔径雷达、激光雷达、无人机等先进技术的优势，采用新的数據处理手段及流程，实现海岸带地形“天、空、地”一体化的快速智能型测绘新模式。

在海上航标巡检方面，本应用示范系统建设需利用高分遥感卫星和无人机通过对海上航标进行视频图像采集并及时传回，能够使航标管理部门掌握海上航标位置、颜色和结构实时情况，对情况的分析更加全面、准确，可有效提高航标管理效率。

在航道能见度监测方面，本系统建设需利用“风云三号”卫星或航标能见度仪来获取航道的能见度信息，并通过航标北斗和AIS基站向各船载应用系统转发，进一步提升船舶的雾航能力。

总之，基于高分遥感的海上航行保障应用业务增强系统将提供新手段和途径实现海岸带地形多平台和传感器遥感协同测绘、航标立体巡检及航道能见度实时监测，对提升海上航行保障服务水平具有重要意义。

1 系统总体架构

海上航行保障应用业务增强系统的总体架构如图1所示。

从总体架构图可以看出，本系统由数据层、系统层和应用层组成。

（1）数据层：包括高分遥感数据、海事遥感多源辅助数据（无人机、北斗、AIS、GIS等）。

（2）系统层：包括海岸带地形测绘增强子系统、航标巡检增强子系统和航道能见度监测增强子系统等三大应用系统，以及卫星通信信息处理平台（含遥感卫星、北斗卫星和AIS卫星）、无人机通信信息处理平台、AIS通信信息处理平台、电子海图平台和数据交换平台等五大应用支撑平台。

（3）应用层：包括海事测绘中心、航标处、VTS等。

2 系统设计方案

2.1 系统总体框架

海上航行保障应用业务增强系统：主要面向东海航海保障中心，提供统一的“空、天、海、地”各种遥感协同观测数据信息管理与服务，主要解决航行保障信息化建设相对比较薄弱、缺乏有效的信息系统支撑的问题，主要实现海岸带地形多平台和传感器遥感协同测绘、航标涂色和结构巡检、航道能见度监测等业务增强功能，如图2所示。

2.2 业务系统流程

根据现有海上航行保障应用业务流程，结合海事测绘中心、航标处等单位的法定职责，确定总体业务系统流程如图3所示。

2.3 海岸带地形测绘增强子系统

2.3.1 功能设计

海岸带地形测绘增强子系统获得海区的高分辨率卫星影像和航摄影像原始数据，对原始数据的辐射纠正、传感器的姿态引起的误差纠正、几何校正、正射校正、地图投影、坐标转换以及多源影像融合等一系列处理，制作海岸带地形测绘基础空间专题数据产品。能通过产品服务共享平台，为海事测绘中心提供辖区内各类直接涉及船舶航行安全的地理信息数据、应急海图专项海图、工程图;提供各类专题数据产品的浏览、检索及下载等海岸带地形测绘信息服务能力;提供各种常态化信息产品需求的收集、处理、分发等信息产品分发服务能力，助其进行相应的港口航道测量、应急扫海测量、专项测量、计划外工程测量工作。

2.3.2 流程设计

海岸带地形测绘增强子系统具体流程如图4所示：

利用无人机航空摄影测绘和高分辨率遥感卫星测绘分别经过无人机通信信息处理平台和卫星通信信息处理平台接收的航摄影像和高分辨率遥感图像，转发至海岸带地形测绘增强子系统进行处理，通过开发基于海量数据交互提取技术、大数据处理技术、并行计算技术等强大的遥感数据处理平台软件，把处理后的结果在电子海图平台上进行综合显示，以及通过产品服务共享平台为用户提供产品服务支持。

2.3.3 接口设计

根据海岸带地形测绘增强子系统的信息获取来源，子系统具有以下4个接口：

（1）与数据交换平台之间的接口，获取海岸带地形的基本信息，包括：区域、位置等;

（2）与无人机通信信息处理平台之间的接口，及时获取和转发高清影像信息;

（3）与卫星通信信息处理平台之间的接口，及时获取和转发高分辨率遥感图像信息;

（4）与电子海图之间的接口，实现海岸带地形信息的集成展示。

2.4 航标巡检增强子系统

2.4.1 功能设计

航标巡检增强子系统通过高分遥感卫星和无人机搭载可见光或多光谱载荷采集航标的高分遥感图像或视频，并将拍摄的图像或视频通过图传设备及时传输至地面站，可使航标巡检部门实时掌握航标结构状态和颜色状态情况，分析航标状态更加准确，提高航标巡检部门的巡检效率。采用高分遥感卫星和无人机完成海上航标立体巡检任务，形成“空、天、地、海”立体监管模式，并最终实现全覆盖、全方位的航标巡检管理的综合助航服务体系，为水运经济发展和船舶安全航行提供航海保障服务。

2.4.2 流程设计（见图5）

航标位置巡检通过无人机航空摄影和高分辨率遥感卫星拍摄的方式来实现。一方面，对于无人机航空摄影方式，如同航标颜色和结构巡检，无人机按照规划路线飞往任务执行區，对航道内的航标进行连续的拍摄，并将航标航摄影像通过无线数据传输链路发送给无人机通信信息处理平台，无人机通信信息处理平台同时将航标信息转发给航标处指挥中心，航标处指挥中心对接收的航标航摄原始影像进行处理，并判断航标移位或漂失、颜色或结构有问题后，指挥调度航标船到该区域进行维护;另一方面，对于高分辨率遥感卫星拍摄方式，高分辨率遥感卫星拍摄任务区的航标遥感图像，卫星通信信息处理平台接收到航标遥感图像后转发给航标处指挥中心，航标处指挥中心对航标遥感原始影像进行处理，并判断航标移位或漂失、颜色或结构有问题后，指挥调度航标船到该区域进行维护。

2.4.3 接口设计

根据航标巡检增强子系统的信息获取来源，子系统具有以下4个接口：

（1）与数据交换平台之间的接口，获取航标基本信息，包括：区域、位置等;

（2）与无人机通信信息处理平台之间的接口，及时获取和转发无人机拍摄的航标颜色和结构航摄影像信息;

（3）与卫星通信信息处理平台之间的接口，及时获取和转发高分辨率遥感卫星拍摄的航标遥感图像信息;

（4）与电子海图之间的接口，实现航标位置、颜色和结构信息的集成展示。

2.5 航道能见度监测增强子系统

2.5.1 功能设计

航道能见度监测增强子系统一方面，航道能见度监测增强子系统通过“风云三号”卫星探测航道能见度信息并转发到卫星通信信息处理平台进行处理;另一方面航道能见度监测增强子系统通过在港口VTS中心管辖区域的海上航标上安装前向散射能见度仪来获取港口航道的能见度信息，并通过航标上的北斗短消息转发到卫星通信信息处理平台进行处理。卫星通信信息处理平台能够及时判断接收的能见度信息是否异常和及时掌握港口航道内能见度状态，如有异常，则自动显示并告警，并通过对能见度告警级别、告警方式、发送方式等设置，能够及时提醒驾驶员或值班员船舶即将或已经进入雾区，进而提升船舶雾航能力，减少应雾引起的航班延误造成的经济损失，预防应雾引起的海上突发事故的发生。

2.5.2 流程设计（见图6）

航道能见度监测增强系统，包括“风云三号”卫星探测子系统、航标信息采集与传输子系统、卫星通信信息处理平台、北斗船载应用子系统和AIS船载应用子系统;其中，航标信息采集与传输子系统与卫星通信信息处理平台之间通过北斗卫星链路进行通讯，卫星通信信息处理平台与北斗船载应用子系统之间通过北斗卫星链路进行通讯，卫星通信信息处理平台与AIS船载应用子系统之间通过AIS基站链路进行通讯。

首先，“风云三号”卫星探测子系统将探测到的能见度信息转发至卫星通信信息处理平台;航标信息采集与传输子系统通过在海上航标上安装能见度仪来采集港口航道的能见度信息，通过在海上航标上安装北斗通信设备来采集港口观测位置，将港口观测位置及其所在位置的能见度信息打包成可供卫星通信信息处理平台接收的北斗短报文，并经北斗卫星向卫星通信信息处理平台传输。

其次，卫星通信信息处理平台接收“风云三号”卫星探测子系统和航标信息采集与传输子系统发送的能见度信息，经过处理分别打包成可供北斗船载应用子系统接收的北斗短报文和可供AIS船载应用子系统接收的AIS报文，并经北斗卫星和AIS基站分别向各应用系统转发。

再次，北斗船载应用子系统接收卫星通信信息处理平台经北斗卫星转发的北斗消息，并经过处理将观测位置及其所在位置的能见度信息显示和告警。

最后，AIS船载应用子系统接收卫星通信信息处理平台转发的AIS消息，并经过处理将观测位置及其所在位置的能见度信息显示和告警。

2.5.3 接口设计

根据航道能见度监测增强子系统的信息获取来源，子系统具有以下2个接口：

（1）与卫星通信信息处理平台之间的接口，及时获取或转发港口航道的能见度信息;

（2）与电子海图之间的接口，实现航道的能见度信息的集成展示和告警。

3 展 望

本文开展了面向海事部门的海上航行保障应用业务增强系统研究，业务范围涵盖针对沿海及周边领海及毗连区为主的海域大范围海上航行安全保障的军民两用需求，利用“空、天、海、地”各种遥感协同观测手段实现海事部门关心的海上航行保障服务水平，为海上航行保障提供信息支撑，具有广阔的应用推广前景。

参考文献

[1] 刘畅. 论无人机在海事现代化建设中的作用[J].天津航海.2014.

[2] 邓祝森，石洪英，程胜利.无人机在航海保障中的应用研究[J].中国水运（下半月）.2017.

[3] 侯文雷.基于无线移动通信技术开展无人机应用教学的可行性研究[J]. 无线互联科技.2017.

[4] 申家双，闸旋，滕惠忠，张靓，叶秋果.海岸带地形快速移动测量技术[J].海洋测绘.2015.

[5] 苏天放. 基于北斗二代的港口航标监测系统应用研究[D]. 大连海事大学.2015.

[6] 邴磊，孙芳芳，舒迟，董广香.基于遥感与GIS一体化的面向海事应用卫星遥感业务化系统研究[J].遥感信息.2012.

[7] 张绍明，桂坡坡，刘伟杰，王国锋. 基于高分辨率遥感影像的内河航标自动检测方法[J].同济大学学报（自然科学版）.2014.

[8] 卢婉冰. 高精度航标遥测系统研究与设计[D].重庆大学.2009.