航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉洪強(qiáng)，繆 劍

（1.西安測(cè)繪總站，陜西 西安 710054）

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害發(fā)生頻率高、強(qiáng)度最嚴(yán)重的國(guó)家之一，災(zāi)害種類(lèi)多、情況復(fù)雜。航空遙感技術(shù)的新發(fā)展為防災(zāi)減災(zāi)、救災(zāi)實(shí)施、災(zāi)害評(píng)估和災(zāi)后規(guī)劃重建提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐?？紤]到航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)中體制機(jī)構(gòu)、自然環(huán)境、技術(shù)特點(diǎn)和人員配置等諸多因素，為了充分發(fā)揮航空遙感技術(shù)在重大自然災(zāi)害和突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，我們科學(xué)合理地選擇各類(lèi)飛行平臺(tái)和遙感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了航空遙感資源的共享利用，優(yōu)化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)和作業(yè)流程，研究建立了航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，提高了航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)的調(diào)度控制水平。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃內(nèi)容與特點(diǎn)

災(zāi)害發(fā)生后，救災(zāi)指揮決策機(jī)構(gòu)需要盡快獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估，因此獲取滿(mǎn)足災(zāi)情評(píng)估需要的遙感數(shù)據(jù)是首要目標(biāo)。時(shí)效性保證是航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中重點(diǎn)要解決的問(wèn)題，因此，優(yōu)化技術(shù)方案和作業(yè)流程，做好任務(wù)規(guī)劃是首要環(huán)節(jié)。航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃的內(nèi)容包括：

1）確定任務(wù)技術(shù)要求。根據(jù)災(zāi)害種類(lèi)和受災(zāi)范圍，確定災(zāi)情評(píng)估所需遙感數(shù)據(jù)的觀測(cè)譜段、空間分辨率和目標(biāo)區(qū)域，確定產(chǎn)品類(lèi)型和格式。

2）傳感器的選擇。需要考慮的因素包括：①傳感器的觀測(cè)譜段符合任務(wù)技術(shù)要求；②在符合任務(wù)要求的傳感器中選擇最具優(yōu)勢(shì)、最便攜的；③能夠以最少的架次完成監(jiān)測(cè)任務(wù)；④優(yōu)先選擇可見(jiàn)光和近紅外傳感器，在特殊任務(wù)中可有針對(duì)性地選擇合成孔徑雷達(dá)、熱紅外以及高光譜等傳感器。

3）飛行平臺(tái)的選擇。需要考慮的因素包括：①飛行平臺(tái)和傳感器之間具備載荷匹配關(guān)系；②飛行平臺(tái)當(dāng)前位置/任務(wù)駐地距離目標(biāo)區(qū)域最近；③飛行平臺(tái)的實(shí)用升限滿(mǎn)足目標(biāo)區(qū)域的航高要求。

4）確定起降機(jī)場(chǎng)和作業(yè)空域。應(yīng)選擇距離目標(biāo)區(qū)域最近的機(jī)場(chǎng)作為起降機(jī)場(chǎng)，減少往返航程，使飛行作業(yè)時(shí)間最大化。同時(shí)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域范圍向航空管制部門(mén)申請(qǐng)作業(yè)空域。

5）測(cè)姿定位系統(tǒng)的利用。在應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，應(yīng)優(yōu)先選擇無(wú)控或者少控的作業(yè)方案，選擇合適的機(jī)載POS系統(tǒng)和地面GPS基準(zhǔn)站測(cè)量方案。

6）航線(xiàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)要求、傳感器和飛行平臺(tái)、目標(biāo)區(qū)域地形條件進(jìn)行航線(xiàn)設(shè)計(jì)。航線(xiàn)的旁向重疊可按相關(guān)技術(shù)規(guī)范的下限執(zhí)行，以增加傳感器的監(jiān)測(cè)能力。在應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，很多時(shí)候無(wú)法按照預(yù)定的航線(xiàn)進(jìn)行飛行作業(yè)，此時(shí)航線(xiàn)設(shè)計(jì)的作用更主要體現(xiàn)在對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)作業(yè)量的預(yù)估。

7）數(shù)據(jù)處理。確定數(shù)據(jù)處理使用的軟硬件系統(tǒng)及流程。

8）確定各環(huán)節(jié)作業(yè)所需的人員。在應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的作業(yè)人員配備要留有一定余地，保持相應(yīng)的機(jī)動(dòng)能力。

9）估算應(yīng)急監(jiān)測(cè)全程所需的時(shí)間。

在上述過(guò)程中，任務(wù)規(guī)劃人員需要獲取并綜合分析災(zāi)害信息、航空遙感資源（包括傳感器、飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等）及其分布、應(yīng)急預(yù)案、基礎(chǔ)地理信息，制定應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)實(shí)施預(yù)案（如圖1所示）。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)工具

航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，由應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)文件3個(gè)部分組成。選用Visual Studio.NET 2008作為開(kāi)發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQL Server 2005，前后臺(tái)之間采用ADO.NET技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)和管理，系統(tǒng)基于MapX 5.0組件工具進(jìn)行地理信息功能的開(kāi)發(fā)。

圖1 航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃的信息支持模型

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要由數(shù)據(jù)管理、任務(wù)規(guī)劃、預(yù)案管理、地圖顯示、系統(tǒng)維護(hù)5個(gè)模塊組成。各模塊的功能為：

1）數(shù)據(jù)管理模塊。其功能是航空遙感資源的數(shù)據(jù)更新與查詢(xún)。管理維護(hù)的數(shù)據(jù)包括：飛行平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)（實(shí)用升限、巡航速度、最大航程、載荷匹配等）、堪用狀態(tài)、數(shù)量、所屬單位、本場(chǎng)及當(dāng)前位置；傳感器的技術(shù)指標(biāo)（焦距、像幅/陣列大小、像元大小、光譜參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量等）、堪用狀態(tài)、數(shù)量、所屬單位、本場(chǎng)及當(dāng)前位置；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)（軟硬件型號(hào)、數(shù)據(jù)處理種類(lèi)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品種類(lèi)/級(jí)別等）、堪用狀態(tài)、數(shù)量、所屬單位、本場(chǎng)及當(dāng)前位置；各應(yīng)急響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)責(zé)人、聯(lián)系方式、應(yīng)急能力（技術(shù)力量、經(jīng)驗(yàn)專(zhuān)長(zhǎng)）等。

2）任務(wù)規(guī)劃模塊。其功能包括：災(zāi)害信息錄入、應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)建立、任務(wù)要求分析、傳感器和飛行平臺(tái)選擇、確定作業(yè)空域、選擇起降機(jī)場(chǎng)、航線(xiàn)設(shè)計(jì)、作業(yè)方案制定、作業(yè)量評(píng)估、任務(wù)規(guī)劃方案輸出。

3）預(yù)案管理模塊。其功能是對(duì)各應(yīng)急響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)急預(yù)案（包括人員編配、裝備編配、基準(zhǔn)站架設(shè)、數(shù)據(jù)處理方案與流程、報(bào)送方式等）進(jìn)行管理，可以增加、編輯、刪除和查閱。

4）地圖顯示模塊。其功能包括地圖顯示（放大、縮小、漫游等）、圖層控制、距離量算、面積量算、圖形導(dǎo)出等。

5）系統(tǒng)維護(hù)模塊。其功能包括用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、系統(tǒng)參數(shù)配置等。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由應(yīng)急監(jiān)測(cè)響應(yīng)節(jié)點(diǎn)表、飛行平臺(tái)型號(hào)表、飛行平臺(tái)表、遙感設(shè)備型號(hào)表、遙感設(shè)備表、地面處理系統(tǒng)型號(hào)表、地面處理系統(tǒng)表、載荷方案表、載荷匹配表、應(yīng)急預(yù)案表、災(zāi)害信息表、災(zāi)害種類(lèi)表、應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)表、應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃表、任務(wù)飛機(jī)表、任務(wù)傳感器表、航線(xiàn)敷設(shè)表和系統(tǒng)用戶(hù)表等數(shù)據(jù)表構(gòu)成，各數(shù)據(jù)表之間根據(jù)需要設(shè)置了約束關(guān)系，以保證數(shù)據(jù)的完整性和規(guī)范性。

1.5 地理信息數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中的基礎(chǔ)地理信息以MapInfo格式（*.tab）保存在地理信息數(shù)據(jù)文件中?；A(chǔ)地理信息要素包括行政區(qū)劃（省、市、縣）、機(jī)場(chǎng)、公路、鐵路干線(xiàn)、國(guó)省界。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 航空遙感資源及分布數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

我們首次匯集整理了目前國(guó)內(nèi)各主要航空遙感部門(mén)和單位的飛行平臺(tái)、遙感設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)、數(shù)量和主要應(yīng)用領(lǐng)域等情況，針對(duì)航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度的需要，設(shè)計(jì)并建立了航空遙感資源及分布數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了航空遙感資源的信息查詢(xún)、動(dòng)態(tài)管理和定期更新，并有望在后續(xù)的建設(shè)中，通過(guò)北斗用戶(hù)機(jī)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙感資源狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)更新。

2.2 基于MapX組件的地理信息系統(tǒng)

MapX組件是MapInfo公司的地圖顯示和分析控件。航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)基于MapX組件構(gòu)建了一個(gè)基本的地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空遙感資源及動(dòng)態(tài)分布、機(jī)場(chǎng)分布、災(zāi)害信息、應(yīng)急任務(wù)信息與基礎(chǔ)地理信息的集成疊加（見(jiàn)圖2），提供了地圖顯示、漫游、放大、縮小等功能，并具有簡(jiǎn)單的空間分析功能，如緩沖區(qū)分析、距離和面積量測(cè)等，為應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃提供了必要的空間決策支持信息。

圖2 基于MapX組件的地理信息支持系統(tǒng)

2.3 基于決策支持的應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)快速規(guī)劃

航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)的規(guī)劃過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的決策過(guò)程，其目標(biāo)是為及時(shí)高效地完成應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)，尋求一個(gè)綜合的最優(yōu)實(shí)施方案。系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)決策環(huán)節(jié)的內(nèi)容和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并提供了多種決策支持模型，以幫助有關(guān)人員快速完成應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)規(guī)劃。其主要有：

1）基于規(guī)則的模型。比如，在為實(shí)施應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)選擇傳感器和飛行平臺(tái)時(shí)，根據(jù)需要考慮的因素，設(shè)計(jì)了一系列的遴選規(guī)則，建立相應(yīng)的層次分析模型。

2）基于計(jì)算的模型。比如，在進(jìn)行作業(yè)量估算時(shí)，需要按照特定的公式計(jì)算完成目標(biāo)區(qū)域應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)所需的作業(yè)飛行時(shí)間、總飛行時(shí)間以及預(yù)計(jì)的架次（見(jiàn)圖3）。

3）基于預(yù)案的模型。比如，人員編組及數(shù)據(jù)處理方案無(wú)法用確定的規(guī)則和公式來(lái)描述，只能使用文本描述的方式，形成預(yù)案，由任務(wù)規(guī)劃人員根據(jù)需要選擇相應(yīng)的部分。

4）基于空間分析的模型。比如，在選擇應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)進(jìn)駐的起降機(jī)場(chǎng)時(shí)，就用到了地理信息系統(tǒng)中緩沖區(qū)分析的方法，來(lái)搜索距離目標(biāo)區(qū)域最近的機(jī)場(chǎng)。

圖3 作業(yè)量估算模型

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首次研究并建立了航空遙感資源及分布數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并應(yīng)用了多種決策支持模型，為航空遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)的快速規(guī)劃提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。系統(tǒng)在舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害、玉樹(shù)抗震救災(zāi)等一系列應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中得到了成功應(yīng)用，促進(jìn)了航空遙感資源的整合優(yōu)化，為充分利用各種遙感資源進(jìn)行高效率的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，提高應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力發(fā)揮了重要作用。

[1]萬(wàn)幼川. 我國(guó)遙感科學(xué)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 地理空間信息，2003，1(2)：3-5

[2]李德仁，朱慶，朱欣焰，等. 面向任務(wù)的遙感信息聚焦服務(wù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010

[3]張祖勛，郭大海，柯濤，等. 抗震救災(zāi)中航空攝影測(cè)量的應(yīng)急響應(yīng)[J].遙感學(xué)報(bào)，2008，12(6)：852-857

[4]高光星，余詠勝. 數(shù)碼航攝與傳統(tǒng)攝影的比較探討[J].地理空間信息，2007，5(1)：10-13

[5]李德仁，王樹(shù)根，周月琴. 攝影測(cè)量與遙感概論[M].北京：測(cè)繪出版社，2008

[6]Turban E，Aronson J E ，梁定澎.決策支持系統(tǒng)與智能系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[7]齊銳，屈韶琳，陽(yáng)琳赟. 用MapX開(kāi)發(fā)地理信息系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003