GEOVIS iData空天大數(shù)據(jù)助力災(zāi)害監(jiān)測

文 | 劉繼東 李春鋒 李雁飛 朱立博 宋啟帆 王樂

中科星圖股份有限公司

一、引言

我國自然災(zāi)害種類多、分布廣、影響大，每年都會給各地帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，是制約社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。中科星圖股份有限公司（以下簡稱中科星圖）總結(jié)多年來在自然災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及專項(xiàng)應(yīng)急示范應(yīng)用等方面的研究成果，基于GEOVIS數(shù)字地球產(chǎn)品，自主研制了多款防災(zāi)減災(zāi)產(chǎn)品，進(jìn)一步提高了我國綜合防災(zāi)減災(zāi)信息服務(wù)的完備性、時效性和科學(xué)性。

二、“空天地一體化”監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建

中科星圖充分利用國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)，統(tǒng)籌特種遙感數(shù)據(jù)、高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)和商業(yè)遙感數(shù)據(jù)多種數(shù)據(jù)源，構(gòu)建穩(wěn)定、可持續(xù)、低成本的數(shù)據(jù)獲取體系。隨著北斗等國家空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，空天大數(shù)據(jù)資源日益豐富，或?qū)?shí)現(xiàn)“高分+北斗”的融合以及面向用戶提供高分?jǐn)?shù)據(jù)及其增值產(chǎn)品運(yùn)營，并有望成為服務(wù)于數(shù)字中國、智慧城市建設(shè)的空天大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施。

GEOVIS iData空天大數(shù)據(jù)產(chǎn)品綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品、行業(yè)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建“空天地一體化”的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，基于GEOVIS數(shù)字地球基礎(chǔ)軟件平臺形成空天地對地監(jiān)測服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患、發(fā)布預(yù)警、災(zāi)情分析評估、災(zāi)后重建、輔助決策的全流程應(yīng)用，推動自然災(zāi)害監(jiān)測向?qū)I(yè)化、精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。圖1為西藏自治區(qū)G318沿線易發(fā)崩塌災(zāi)害專題圖。

圖1 西藏自治區(qū)G318沿線易發(fā)崩塌災(zāi)害專題圖

1.系統(tǒng)架構(gòu)

中科星圖充分發(fā)揮“GEOVIS/GEOVIS+”戰(zhàn)略優(yōu)勢，通過衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、大數(shù)據(jù)、云計算、傳感器監(jiān)測終端、人工智能等先進(jìn)技術(shù)建立了“空天地一體化”監(jiān)管體系，構(gòu)建“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”的核心壁壘，形成“一網(wǎng)、一平臺、多應(yīng)用”的完整服務(wù)模式（圖2），以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，空天地對地監(jiān)測服務(wù)平臺為核心，形成面向自然災(zāi)害監(jiān)測的完整解決方案。

圖2 “一網(wǎng)、一平臺、多應(yīng)用”的服務(wù)模式

2.建設(shè)思路

GEOVIS iData空天大數(shù)據(jù)產(chǎn)品依托特種遙感數(shù)據(jù)、國產(chǎn)高分系列、國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星等衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源構(gòu)建高頻率、高分辨率、多譜段、全覆蓋的對地觀測資源體系，基于時空統(tǒng)一基準(zhǔn)，融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合應(yīng)用地圖數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、災(zāi)害業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，打造“空天地一體化”的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系（圖3）。

同時，通過GEOVIS空天大數(shù)據(jù)共享服務(wù)云平臺，對海量空天大數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、儲存、管理和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的精細(xì)化、實(shí)時化管理，將為災(zāi)害監(jiān)測工作提供可靠數(shù)據(jù)服務(wù)保障。

圖3 “空天地一體化”的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系

三、災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用

1. GEOVIS iData衛(wèi)星影像助力災(zāi)害隱患點(diǎn)普查

借助多種分辨率、多波段、多時相的光學(xué)影像和合成孔徑雷達(dá)（SAR）影像，GEOVIS iData通過多時序分析、變化監(jiān)測、智能提取、合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害隱患點(diǎn)的大面積災(zāi)害普查，發(fā)現(xiàn)隱蔽性隱患點(diǎn)，監(jiān)測隱患區(qū)域，為后期精細(xì)化調(diào)查提供基礎(chǔ)。

2020年7月，受持續(xù)強(qiáng)降雨和上游來水疊加影響，江西境內(nèi)河流水位暴漲，已致521萬余人受災(zāi)，43萬余人被緊急轉(zhuǎn)移安置，455千公頃農(nóng)作物被毀。GEOVIS iData選取南昌市青嵐湖受災(zāi)前（2019年12月27日）、受災(zāi)期間（2020年7月31日）兩個時相的高分一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，快速提取了受災(zāi)前后水體的分布信息，如圖4（a）和圖4（b）中的藍(lán)色區(qū)域所示；通過結(jié)果疊加對比發(fā)現(xiàn)，受災(zāi)后青嵐湖水域范圍擴(kuò)大了約1/3，面積至少增加了2972公頃，如圖4（c）中的紅色區(qū)域所示。

圖4 南昌市青嵐湖洪澇災(zāi)害監(jiān)測

此外，SAR數(shù)據(jù)具備全天時、全天候?qū)Φ赜^測能力，非常適合于對各種類型的地質(zhì)災(zāi)害影響進(jìn)行監(jiān)測和評估。InSAR技術(shù)對SAR復(fù)圖像共軛相乘得到干涉圖，根據(jù)相位值，計算出區(qū)域地形、地貌及表面的微小變化，實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測，輔助判斷隱患發(fā)生災(zāi)害的可能。選取災(zāi)害發(fā)生前后的哨兵一號（Sentinel-1）衛(wèi)星的雷達(dá)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行基線估算、干涉生成、濾波和相干性計算、重去平、地理編碼等操作，得到干涉圖像（圖5），經(jīng)過成果分析為形變監(jiān)測、災(zāi)害識別提供依據(jù)。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害形變監(jiān)測

2. GEOVIS iData融合大數(shù)據(jù)助力災(zāi)害預(yù)警模型構(gòu)建

基于GEOVIS iData海量多源數(shù)據(jù)，提取坡度、坡向、水系、植被覆蓋率、降水、地表粗糙度、土壤含水量、巖土類型、斷裂構(gòu)造等致災(zāi)因子（圖6），構(gòu)建災(zāi)害預(yù)測模型，提取災(zāi)害隱患高危點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查。

圖6 災(zāi)害預(yù)警模型構(gòu)建

3. GEOVIS iData航空遙感服務(wù)三維場景還原助力精細(xì)化調(diào)查

GEOVIS iData航空遙感服務(wù)，利用無人機(jī)遙感技術(shù)對災(zāi)害隱患點(diǎn)實(shí)施地物分布、地形地貌等的精細(xì)化調(diào)查。通過傾斜攝影測量系統(tǒng)對現(xiàn)場進(jìn)行真實(shí)三維還原，根據(jù)無人機(jī)影像中地物的結(jié)構(gòu)特征和波譜特征實(shí)現(xiàn)對建筑物、道路、水系等的自動提??；與歷史衛(wèi)星影像對比分析建筑物及設(shè)施損失情況；通過地形分析、淹沒分析、通視分析等功能，實(shí)現(xiàn)對周圍安全隱患點(diǎn)的分析，助力災(zāi)情分析、災(zāi)后重建的輔助決策（圖7）。

4. GEOVIS+北斗助力精準(zhǔn)實(shí)時監(jiān)控

在自然災(zāi)害方面，通過將北斗接收機(jī)終端設(shè)備部署在災(zāi)害風(fēng)險點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時解算，網(wǎng)絡(luò)中斷時可利用北斗短報文進(jìn)行應(yīng)急處理。實(shí)時監(jiān)測該位置的平面與高程細(xì)微變化情況，超過閾值將進(jìn)行預(yù)警，并發(fā)送至調(diào)度中心（圖8）。

除此之外，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）服務(wù)，是區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的重要特色，可為中國本土及周邊區(qū)域提供快速定位、位置報告、短報文通信和高精度授時服務(wù)。該服務(wù)在預(yù)警發(fā)布、災(zāi)情分析評估等方面勢必會發(fā)揮非常重要的作用。

圖7 三維場景還原實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)查

圖8 北斗災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用

四、結(jié)語

中科星圖打造“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”的數(shù)字地球服務(wù)模式，在數(shù)據(jù)方面，GEOVIS iData空天大數(shù)據(jù)產(chǎn)品不斷拓展數(shù)據(jù)獲取體系，豐富空天大數(shù)據(jù)資源，逐步實(shí)現(xiàn)“高分+北斗”的融合。依托GEOVIS數(shù)字地球平臺，實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)隱患、監(jiān)測隱患、發(fā)布預(yù)警、災(zāi)情分析評估、災(zāi)后重建、輔助決策的全流程應(yīng)用，推動自然災(zāi)害監(jiān)測向?qū)I(yè)化、精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)，助力全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評估，提升自然災(zāi)害防治能力。