全生命周期交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)

肖巖平 張普珩 張 雷 賈培哲 柯映明

(1. 后勤科學(xué)與技術(shù)研究所, 北京 100166; 2. 中科星圖股份有限公司, 北京 101399)

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸能力的不斷增長(zhǎng),城市機(jī)動(dòng)化水平飛速發(fā)展,城市交通壓力與日俱增,交通擁堵、事故頻發(fā),交通基礎(chǔ)設(shè)施普查、路網(wǎng)優(yōu)化、道路工程建設(shè)監(jiān)管等任務(wù)量與難度也隨之增加,依靠傳統(tǒng)人工標(biāo)記等方法已不能滿足其管理需要[1-2],且人工處理工作量大、人力成本高。通過(guò)各級(jí)公路管理部門(mén)逐級(jí)上報(bào)的方式進(jìn)行交通基礎(chǔ)設(shè)施普查、監(jiān)管,具有一定的主觀性、局限性[3]。當(dāng)前我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)還存在“不能管”“管得慢”等問(wèn)題。同時(shí),目前的交通基礎(chǔ)設(shè)施普查、監(jiān)管業(yè)務(wù)中主要采用被動(dòng)的、粗放的管理模式,缺乏對(duì)信息的主動(dòng)探測(cè)核對(duì),缺乏多源數(shù)據(jù)融合交互印證。交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)主要依賴(lài)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)技術(shù),為數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和服務(wù)、數(shù)據(jù)共享等方面帶來(lái)了極大的便利[4],但缺乏對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施從前期統(tǒng)計(jì)到后期維護(hù)保養(yǎng)的統(tǒng)一監(jiān)察與管理。

全生命周期管理研究源于美國(guó)“計(jì)算機(jī)輔助后勤支援”(Computer Aided Logistic Support, CALS)計(jì)劃[5],旨在深入發(fā)掘項(xiàng)目系統(tǒng)、產(chǎn)品在不同階段之間的內(nèi)在聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)多個(gè)維度的集成與統(tǒng)一[6],對(duì)于促進(jìn)項(xiàng)目的高效化與精細(xì)化管理有著重要意義。

隨著我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)以及空間信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國(guó)產(chǎn)遙感影像數(shù)據(jù)分辨率和質(zhì)量已經(jīng)接近國(guó)外水平[7]?，F(xiàn)代遙感技術(shù)的時(shí)空一體、多維探測(cè)能力[8]以及較高的分辨率和穩(wěn)定的圖像質(zhì)量,能夠?yàn)榻煌ɑA(chǔ)設(shè)施普查、監(jiān)管提供有效的監(jiān)測(cè)方法,從而提高工作效率,降低交通基礎(chǔ)設(shè)施管理成本[9],減少普查、監(jiān)管過(guò)程中人的主觀影響。

在高分衛(wèi)星應(yīng)用推廣的任務(wù)背景下[10],本文基于全生命周期管理思想,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了集交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)、交通用地高分監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)管理、維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警和全生命周期信息管理與輔助分析等功能于一體的交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管系統(tǒng)。

通過(guò)系統(tǒng)研制,可以變看不見(jiàn)為看得清,實(shí)現(xiàn)重要區(qū)域、設(shè)施和目標(biāo)等高分辨率真實(shí)影像觀測(cè);變不能管為能管,實(shí)現(xiàn)對(duì)路橋設(shè)施狀態(tài)、機(jī)場(chǎng)跑道沉降、國(guó)防交通用地侵占等監(jiān)控難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行有效監(jiān)測(cè);變管得慢為管得快,縮短到按天、按需進(jìn)行管理,提升應(yīng)急突發(fā)事件處理能力;變被動(dòng)等報(bào)送為主動(dòng)核對(duì),升級(jí)交通基礎(chǔ)設(shè)施管理模式;變粗放到精細(xì)化管理,基于高分影像的對(duì)象提取、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等技術(shù),運(yùn)用多元數(shù)據(jù)融合交互印證,推進(jìn)管理精細(xì)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)[11],主要分為設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、功能層和應(yīng)用層,各層可以單獨(dú)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,支持按需調(diào)用。系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)

1.1.1設(shè)施層

設(shè)施層主要包含計(jì)算設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、基礎(chǔ)軟件和安全設(shè)施等,主要為系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐。

1.1.2數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要提供系統(tǒng)運(yùn)行所需要的各類(lèi)數(shù)據(jù),支持中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、天繪數(shù)據(jù)中心等外部數(shù)據(jù)源單位的數(shù)據(jù)接入,提供國(guó)產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)、國(guó)外遙感數(shù)據(jù)、境內(nèi)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、境內(nèi)交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)等。

1.1.3服務(wù)層

服務(wù)層主要提供全鏈條支撐服務(wù),并新增高分?jǐn)?shù)據(jù)批量處理服務(wù)集,為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)提供基礎(chǔ)性的支撐。

1.1.4功能層

主要實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)、交通用地高分監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)進(jìn)度監(jiān)管、設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)與預(yù)警、全生命周期信息管理與輔助分析決策等,為普查、監(jiān)管提供基礎(chǔ)支撐。

1.1.5應(yīng)用層

針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用需求,開(kāi)展交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管應(yīng)用,在功能層基礎(chǔ)上建設(shè)應(yīng)用系統(tǒng),并圍繞實(shí)際交通應(yīng)用場(chǎng)景,開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于全生命周期管理思想,結(jié)合實(shí)際的工作應(yīng)用需求,利用高分技術(shù)手段,建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊示意圖

1.2.1交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)

包括普查交通工程設(shè)施與普查交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目等。

1.2.2交通用地高分監(jiān)測(cè)

基于多源高分影像數(shù)據(jù),結(jié)合交通用地區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),利用高分遙感相關(guān)技術(shù)手段,周期性開(kāi)展交通用地高分遙感監(jiān)測(cè)。

1.2.3工程建設(shè)管理

針對(duì)公路、碼頭等的建設(shè)監(jiān)管,按照預(yù)設(shè)檢查節(jié)點(diǎn),通過(guò)高分監(jiān)測(cè),判斷在建工程是否按圖施工、按計(jì)劃施工,提供交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)監(jiān)管手段。

1.2.4設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)與預(yù)警

針對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀及防災(zāi)減災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的對(duì)象進(jìn)行預(yù)警,支持設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)決策。

1.2.5全生命周期信息管理與輔助分析決策

通過(guò)采集匯總交通基礎(chǔ)設(shè)施建、管、養(yǎng)、運(yùn)等全生命周期信息,統(tǒng)籌建立大數(shù)據(jù)資源體系和標(biāo)準(zhǔn)模型,開(kāi)展海量交通數(shù)據(jù)的深度挖掘,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管控、資產(chǎn)精細(xì)化管理、狀態(tài)可視化展現(xiàn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文基于全生命周期管理思想,利用高分技術(shù)手段,構(gòu)建了交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管系統(tǒng)。

2.1 交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)分系統(tǒng)

該分系統(tǒng)引接全國(guó)公路網(wǎng)管理與應(yīng)急處置平臺(tái),實(shí)現(xiàn)針對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的多來(lái)源交通基礎(chǔ)信息的注入融合,在現(xiàn)有交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)缺失位置的補(bǔ)查與問(wèn)題位置的核查。通過(guò)接入高分遙感數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)、交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及公路、機(jī)場(chǎng)、港口、設(shè)施普查數(shù)據(jù)等普查數(shù)據(jù),將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與普查數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加綜合展示并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)分系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)分系統(tǒng)流程圖

2.2 交通用地高分監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

基于多源高分影像數(shù)據(jù),結(jié)合交通用地區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),利用高分遙感相關(guān)技術(shù)手段,周期性開(kāi)展交通用地高分遙感監(jiān)測(cè),實(shí)施交通用地高時(shí)效性、高空間性、高精度的精準(zhǔn)控制。

交通用地高分監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

2.3 工程建設(shè)管理分系統(tǒng)

工程建設(shè)管理分系統(tǒng)具備工程現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)、變化監(jiān)測(cè)、進(jìn)度分析和合規(guī)性分析等工程建設(shè)管理功能。該分系統(tǒng)通過(guò)對(duì)高分二號(hào)、高分八號(hào)等高分系列遙感數(shù)據(jù)、工程建設(shè)信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、整理并入庫(kù),開(kāi)展定期監(jiān)測(cè),然后根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行建成里程和建成面積等指標(biāo)的計(jì)算分析,從而利用工程現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)成果和工程建設(shè)規(guī)劃信息,對(duì)公路、機(jī)場(chǎng)等分別開(kāi)展工程變化監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)進(jìn)度監(jiān)測(cè)和工程建設(shè)合規(guī)性分析。

工程建設(shè)管理分系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 工程建設(shè)管理分系統(tǒng)流程圖

2.4 維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警分系統(tǒng)

維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警分系統(tǒng)以高分二號(hào)、高分八號(hào)、高分五號(hào)等為主要數(shù)據(jù)源,針對(duì)重要區(qū)域交通基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀及防災(zāi)減災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分系統(tǒng)通過(guò)對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)、交通信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及激光雷達(dá)傳感器等數(shù)據(jù)的收集、整理與入庫(kù),開(kāi)展定期監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析,可對(duì)發(fā)現(xiàn)重大缺陷與問(wèn)題的對(duì)象進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布,并提供服務(wù),還可支持設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)決策。

維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警分系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

圖6 維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警分系統(tǒng)流程圖

2.5 全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統(tǒng)

全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統(tǒng)具有以下3項(xiàng)基本功能。

2.5.1交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期信息錄入

通過(guò)數(shù)據(jù)逐條錄入、批量錄入的方式,提供道路、橋梁、隧道、涵洞等交通基礎(chǔ)設(shè)施信息的錄入功能,包括建設(shè)信息、維護(hù)信息、技術(shù)參數(shù)及路基標(biāo)識(shí)等。

2.5.2 交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期信息綜合管理

實(shí)現(xiàn)道路、橋梁、隧道、涵洞等交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期信息的綜合管理,包括對(duì)建設(shè)信息、維護(hù)信息、技術(shù)參數(shù)及路基標(biāo)識(shí)等的查詢檢索、修改更新、統(tǒng)計(jì)分析等。

2.5.3全生命周期管理與輔助分析決策

基于數(shù)據(jù)庫(kù)中的交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期信息生成地圖并發(fā)布,并提供相關(guān)信息的查詢和展示,包括地圖發(fā)布與綜合展示兩個(gè)功能模塊。

全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 全生命周期信息管理與輔助分析決策分系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源多式交通數(shù)據(jù)資源的集成融合技術(shù)

項(xiàng)目系統(tǒng)建設(shè)中使用的不同來(lái)源的數(shù)據(jù)在空間覆蓋、分辨率、空間數(shù)據(jù)模型、坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影、分類(lèi)等級(jí)和屬性編碼等方面存在差異,給交通基礎(chǔ)設(shè)施的普查監(jiān)管工作開(kāi)展帶來(lái)了一定的困難。因此,通過(guò)突破跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)與關(guān)聯(lián)、時(shí)空關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的高效搜索與表達(dá)等技術(shù),可實(shí)現(xiàn)多源高分遙感影像數(shù)據(jù)、多源矢量數(shù)據(jù)(交通路網(wǎng)、重點(diǎn)目標(biāo))、多源對(duì)象數(shù)據(jù)以及引接信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成融合。

3.2 基于InSAR的交通基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)技術(shù)

開(kāi)展基于干涉合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的交通基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,旨在滿足各研究對(duì)象形變監(jiān)測(cè)需求,主要用于支撐陸路交通設(shè)施潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分系統(tǒng)的建設(shè),提升道路邊坡、橋梁等形變監(jiān)測(cè)精度,主要包含3方面技術(shù)內(nèi)容。

3.2.1地表形變監(jiān)測(cè)研究

使用約30景合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)衛(wèi)星數(shù)據(jù),選擇重點(diǎn)形變監(jiān)測(cè)區(qū)域,利用準(zhǔn)永久散射體干涉測(cè)量(Quasi Permanent Scattering,QPS)-InSAR和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)(Space Based Augmentation Systems,SBAS)等時(shí)序形變監(jiān)測(cè)算法,分析研究區(qū)域內(nèi)的路域和自然地表的季節(jié)性形變特征。時(shí)序分析關(guān)鍵的技術(shù)流程如圖8所示。其中SRTM指Shuttle Radar Topography Mission,即航天雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù);DEM指Digital Elevation Model,即數(shù)字高程模型。

圖8 InSAR時(shí)序分析關(guān)鍵技術(shù)流程圖

3.2.2公路邊坡三維形變信息提取研究

選擇路域邊坡區(qū)域,聯(lián)合日本ALOS-2衛(wèi)星、歐洲Sentinel-1A/B衛(wèi)星和SAR等多源遙感數(shù)據(jù),以減少植被覆蓋的影響,使用QPS-InSAR時(shí)序監(jiān)測(cè)算法,增加PS點(diǎn)的密度。同時(shí),使用升降軌數(shù)據(jù),增加遙感數(shù)據(jù)的入射角度,實(shí)現(xiàn)邊坡的三維形變信息提取。

3.2.3高精度橋梁形變監(jiān)測(cè)

基于高分辨率的SAR數(shù)據(jù),使用經(jīng)典的永久散射體干涉測(cè)量(Permanent Scattering,PS)-InSAR時(shí)序干涉算法,重點(diǎn)突破橋梁PS點(diǎn)定位技術(shù)和InSAR結(jié)果精度的可靠性驗(yàn)證算法,進(jìn)一步與橋梁管理養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)結(jié)合,分析車(chē)載、風(fēng)載和溫度等因素對(duì)橋梁關(guān)鍵點(diǎn)形變的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于全生命周期管理思想,圍繞交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)、日常監(jiān)管、維護(hù)保養(yǎng)等過(guò)程活動(dòng)的需求,以多源高分遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),結(jié)合高分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)、多元數(shù)據(jù)集成融合技術(shù)與交通基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)技術(shù)等技術(shù)手段,建立了基于全生命周期的交通基礎(chǔ)設(shè)施普查監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備交通基礎(chǔ)設(shè)施普查統(tǒng)計(jì)、交通用地高分監(jiān)測(cè)、工程建設(shè)管理、維護(hù)保養(yǎng)與監(jiān)管預(yù)警和全生命周期信息管理與輔助分析等功能,為交通基礎(chǔ)設(shè)施基本建設(shè)情況的摸查,以及建設(shè)、監(jiān)管、維護(hù)、保障等全周期信息管理與決策提供了支撐,為交通規(guī)劃建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)的建設(shè)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)、港口等重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的有效監(jiān)測(cè),提高交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管的應(yīng)急突發(fā)事件響應(yīng)與處理能力,同時(shí),還可實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管控、資產(chǎn)的精細(xì)化管理、狀態(tài)的可視化展現(xiàn)。