基于高分遙感的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張國興 王銳

摘? 要：本文提出利用高分遙感觀測技術(shù)，對海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程和子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提供統(tǒng)一的“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測數(shù)據(jù)信息管理與服務(wù)，解決了航行保障信息化建設(shè)相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統(tǒng)支撐的問題，實(shí)現(xiàn)了海岸帶地形多平臺(tái)和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標(biāo)涂色和結(jié)構(gòu)巡檢、航道能見度監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞：區(qū)域協(xié)同觀測;海上航行保障;海岸帶測繪;航標(biāo)巡檢;航道能見度

0 引 言

我們分析海上航行安全保障和高分遙感應(yīng)用現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)到：海岸帶地形測繪、特殊區(qū)域測繪存在成本、技術(shù)等方面的制約;航標(biāo)常規(guī)巡檢周期長、費(fèi)用高;VTS探測范圍有限，能見度不良導(dǎo)致大型船舶停航或滯航，影響港口生產(chǎn);高分遙感技術(shù)在航行保障中廣泛應(yīng)用，等等。因此，高分遙感技術(shù)在海事測繪、海事管理中具有廣泛的應(yīng)用潛力，充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的價(jià)值，可以提高航海保障能力和海事監(jiān)管水平。

在海岸帶地形測繪方面，本系統(tǒng)建設(shè)利用多平臺(tái)、多種傳感器聯(lián)合協(xié)同作業(yè)，充分發(fā)揮高分衛(wèi)星遙感攝影、合成孔徑雷達(dá)、激光雷達(dá)、無人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢，采用新的數(shù)據(jù)處理手段及流程，實(shí)現(xiàn)海岸帶地形“天、空、地”一體化的快速智能型測繪新模式。

在海上航標(biāo)巡檢方面，本應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)需利用高分遙感衛(wèi)星和無人機(jī)通過對海上航標(biāo)進(jìn)行視頻圖像采集并及時(shí)傳回，能夠使航標(biāo)管理部門掌握海上航標(biāo)位置、顏色和結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)情況，對情況的分析更加全面、準(zhǔn)確，可有效提高航標(biāo)管理效率。

在航道能見度監(jiān)測方面，本系統(tǒng)建設(shè)需利用“風(fēng)云三號”衛(wèi)星或航標(biāo)能見度儀來獲取航道的能見度信息，并通過航標(biāo)北斗和AIS基站向各船載應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步提升船舶的霧航能力。

總之，基于高分遙感的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)將提供新手段和途徑實(shí)現(xiàn)海岸帶地形多平臺(tái)和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標(biāo)立體巡檢及航道能見度實(shí)時(shí)監(jiān)測，對提升海上航行保障服務(wù)水平具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

從總體架構(gòu)圖可以看出，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成。

（1）數(shù)據(jù)層：包括高分遙感數(shù)據(jù)、海事遙感多源輔助數(shù)據(jù)（無人機(jī)、北斗、AIS、GIS等）。

（2）系統(tǒng)層：包括海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)、航標(biāo)巡檢增強(qiáng)子系統(tǒng)和航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)等三大應(yīng)用系統(tǒng)，以及衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)（含遙感衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星和AIS衛(wèi)星）、無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)、AIS通信信息處理平臺(tái)、電子海圖平臺(tái)和數(shù)據(jù)交換平臺(tái)等五大應(yīng)用支撐平臺(tái)。

（3）應(yīng)用層：包括海事測繪中心、航標(biāo)處、VTS等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體框架

海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)：主要面向東海航海保障中心，提供統(tǒng)一的“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測數(shù)據(jù)信息管理與服務(wù)，主要解決航行保障信息化建設(shè)相對比較薄弱、缺乏有效的信息系統(tǒng)支撐的問題，主要實(shí)現(xiàn)海岸帶地形多平臺(tái)和傳感器遙感協(xié)同測繪、航標(biāo)涂色和結(jié)構(gòu)巡檢、航道能見度監(jiān)測等業(yè)務(wù)增強(qiáng)功能，如圖2所示。

2.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程

根據(jù)現(xiàn)有海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，結(jié)合海事測繪中心、航標(biāo)處等單位的法定職責(zé)，確定總體業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.3 海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)

2.3.1 功能設(shè)計(jì)

海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)獲得海區(qū)的高分辨率衛(wèi)星影像和航攝影像原始數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)的輻射糾正、傳感器的姿態(tài)引起的誤差糾正、幾何校正、正射校正、地圖投影、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及多源影像融合等一系列處理，制作海岸帶地形測繪基礎(chǔ)空間專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品。能通過產(chǎn)品服務(wù)共享平臺(tái)，為海事測繪中心提供轄區(qū)內(nèi)各類直接涉及船舶航行安全的地理信息數(shù)據(jù)、應(yīng)急海圖專項(xiàng)海圖、工程圖;提供各類專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品的瀏覽、檢索及下載等海岸帶地形測繪信息服務(wù)能力;提供各種常態(tài)化信息產(chǎn)品需求的收集、處理、分發(fā)等信息產(chǎn)品分發(fā)服務(wù)能力，助其進(jìn)行相應(yīng)的港口航道測量、應(yīng)急掃海測量、專項(xiàng)測量、計(jì)劃外工程測量工作。

2.3.2 流程設(shè)計(jì)

海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)具體流程如圖4所示：

利用無人機(jī)航空攝影測繪和高分辨率遙感衛(wèi)星測繪分別經(jīng)過無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)和衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)接收的航攝影像和高分辨率遙感圖像，轉(zhuǎn)發(fā)至海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過開發(fā)基于海量數(shù)據(jù)交互提取技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)等強(qiáng)大的遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)軟件，把處理后的結(jié)果在電子海圖平臺(tái)上進(jìn)行綜合顯示，以及通過產(chǎn)品服務(wù)共享平臺(tái)為用戶提供產(chǎn)品服務(wù)支持。

2.3.3 接口設(shè)計(jì)

根據(jù)海岸帶地形測繪增強(qiáng)子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下4個(gè)接口：

（1）與數(shù)據(jù)交換平臺(tái)之間的接口，獲取海岸帶地形的基本信息，包括：區(qū)域、位置等;

（2）與無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)之間的接口，及時(shí)獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高清影像信息;

（3）與衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)之間的接口，及時(shí)獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高分辨率遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實(shí)現(xiàn)海岸帶地形信息的集成展示。

2.4 航標(biāo)巡檢增強(qiáng)子系統(tǒng)

2.4.1 功能設(shè)計(jì)

航標(biāo)巡檢增強(qiáng)子系統(tǒng)通過高分遙感衛(wèi)星和無人機(jī)搭載可見光或多光譜載荷采集航標(biāo)的高分遙感圖像或視頻，并將拍攝的圖像或視頻通過圖傳設(shè)備及時(shí)傳輸至地面站，可使航標(biāo)巡檢部門實(shí)時(shí)掌握航標(biāo)結(jié)構(gòu)狀態(tài)和顏色狀態(tài)情況，分析航標(biāo)狀態(tài)更加準(zhǔn)確，提高航標(biāo)巡檢部門的巡檢效率。采用高分遙感衛(wèi)星和無人機(jī)完成海上航標(biāo)立體巡檢任務(wù)，形成“空、天、地、海”立體監(jiān)管模式，并最終實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全方位的航標(biāo)巡檢管理的綜合助航服務(wù)體系，為水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和船舶安全航行提供航海保障服務(wù)。

2.4.2 流程設(shè)計(jì)（見圖5）

航標(biāo)位置巡檢通過無人機(jī)航空攝影和高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝的方式來實(shí)現(xiàn)。一方面，對于無人機(jī)航空攝影方式，如同航標(biāo)顏色和結(jié)構(gòu)巡檢，無人機(jī)按照規(guī)劃路線飛往任務(wù)執(zhí)行區(qū)，對航道內(nèi)的航標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的拍攝，并將航標(biāo)航攝影像通過無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路發(fā)送給無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)，無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)同時(shí)將航標(biāo)信息轉(zhuǎn)發(fā)給航標(biāo)處指揮中心，航標(biāo)處指揮中心對接收的航標(biāo)航攝原始影像進(jìn)行處理，并判斷航標(biāo)移位或漂失、顏色或結(jié)構(gòu)有問題后，指揮調(diào)度航標(biāo)船到該區(qū)域進(jìn)行維護(hù);另一方面，對于高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝方式，高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝任務(wù)區(qū)的航標(biāo)遙感圖像，衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)接收到航標(biāo)遙感圖像后轉(zhuǎn)發(fā)給航標(biāo)處指揮中心，航標(biāo)處指揮中心對航標(biāo)遙感原始影像進(jìn)行處理，并判斷航標(biāo)移位或漂失、顏色或結(jié)構(gòu)有問題后，指揮調(diào)度航標(biāo)船到該區(qū)域進(jìn)行維護(hù)。

2.4.3 接口設(shè)計(jì)

根據(jù)航標(biāo)巡檢增強(qiáng)子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下4個(gè)接口：

（1）與數(shù)據(jù)交換平臺(tái)之間的接口，獲取航標(biāo)基本信息，包括：區(qū)域、位置等;

（2）與無人機(jī)通信信息處理平臺(tái)之間的接口，及時(shí)獲取和轉(zhuǎn)發(fā)無人機(jī)拍攝的航標(biāo)顏色和結(jié)構(gòu)航攝影像信息;

（3）與衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)之間的接口，及時(shí)獲取和轉(zhuǎn)發(fā)高分辨率遙感衛(wèi)星拍攝的航標(biāo)遙感圖像信息;

（4）與電子海圖之間的接口，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)位置、顏色和結(jié)構(gòu)信息的集成展示。

2.5 航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)

2.5.1 功能設(shè)計(jì)

航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)一方面，航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)通過“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測航道能見度信息并轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)進(jìn)行處理;另一方面航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)通過在港口VTS中心管轄區(qū)域的海上航標(biāo)上安裝前向散射能見度儀來獲取港口航道的能見度信息，并通過航標(biāo)上的北斗短消息轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)進(jìn)行處理。衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)能夠及時(shí)判斷接收的能見度信息是否異常和及時(shí)掌握港口航道內(nèi)能見度狀態(tài)，如有異常，則自動(dòng)顯示并告警，并通過對能見度告警級別、告警方式、發(fā)送方式等設(shè)置，能夠及時(shí)提醒駕駛員或值班員船舶即將或已經(jīng)進(jìn)入霧區(qū)，進(jìn)而提升船舶霧航能力，減少應(yīng)霧引起的航班延誤造成的經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)防應(yīng)霧引起的海上突發(fā)事故的發(fā)生。

2.5.2 流程設(shè)計(jì)（見圖6）

航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)系統(tǒng)，包括“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)、航標(biāo)信息采集與傳輸子系統(tǒng)、衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)、北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)和AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng);其中，航標(biāo)信息采集與傳輸子系統(tǒng)與衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)之間通過北斗衛(wèi)星鏈路進(jìn)行通訊，衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)與北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)之間通過北斗衛(wèi)星鏈路進(jìn)行通訊，衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)與AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)之間通過AIS基站鏈路進(jìn)行通訊。

首先，“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)將探測到的能見度信息轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái);航標(biāo)信息采集與傳輸子系統(tǒng)通過在海上航標(biāo)上安裝能見度儀來采集港口航道的能見度信息，通過在海上航標(biāo)上安裝北斗通信設(shè)備來采集港口觀測位置，將港口觀測位置及其所在位置的能見度信息打包成可供衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)接收的北斗短報(bào)文，并經(jīng)北斗衛(wèi)星向衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)傳輸。

其次，衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)接收“風(fēng)云三號”衛(wèi)星探測子系統(tǒng)和航標(biāo)信息采集與傳輸子系統(tǒng)發(fā)送的能見度信息，經(jīng)過處理分別打包成可供北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收的北斗短報(bào)文和可供AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收的AIS報(bào)文，并經(jīng)北斗衛(wèi)星和AIS基站分別向各應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。

再次，北斗船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的北斗消息，并經(jīng)過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

最后，AIS船載應(yīng)用子系統(tǒng)接收衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的AIS消息，并經(jīng)過處理將觀測位置及其所在位置的能見度信息顯示和告警。

2.5.3 接口設(shè)計(jì)

根據(jù)航道能見度監(jiān)測增強(qiáng)子系統(tǒng)的信息獲取來源，子系統(tǒng)具有以下2個(gè)接口：

（1）與衛(wèi)星通信信息處理平臺(tái)之間的接口，及時(shí)獲取或轉(zhuǎn)發(fā)港口航道的能見度信息;

（2）與電子海圖之間的接口，實(shí)現(xiàn)航道的能見度信息的集成展示和告警。

3 展 望

本文開展了面向海事部門的海上航行保障應(yīng)用業(yè)務(wù)增強(qiáng)系統(tǒng)研究，業(yè)務(wù)范圍涵蓋針對沿海及周邊領(lǐng)海及毗連區(qū)為主的海域大范圍海上航行安全保障的軍民兩用需求，利用“空、天、海、地”各種遙感協(xié)同觀測手段實(shí)現(xiàn)海事部門關(guān)心的海上航行保障服務(wù)水平，為海上航行保障提供信息支撐，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

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