全生命周期交通基础设施普查监管系统建设

肖岩平 张普珩 张 雷 贾培哲 柯映明

(1. 后勤科学与技术研究所, 北京 100166; 2. 中科星图股份有限公司, 北京 101399)

0 引言

随着我国交通运输能力的不断增长,城市机动化水平飞速发展,城市交通压力与日俱增,交通拥堵、事故频发,交通基础设施普查、路网优化、道路工程建设监管等任务量与难度也随之增加,依靠传统人工标记等方法已不能满足其管理需要[1-2],且人工处理工作量大、人力成本高。通过各级公路管理部门逐级上报的方式进行交通基础设施普查、监管,具有一定的主观性、局限性[3]。当前我国交通基础设施建设、监管、养护、运输等业务还存在“不能管”“管得慢”等问题。同时,目前的交通基础设施普查、监管业务中主要采用被动的、粗放的管理模式,缺乏对信息的主动探测核对,缺乏多源数据融合交互印证。交通基础设施监管系统建设主要依赖地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术,为数据统一管理和服务、数据共享等方面带来了极大的便利[4],但缺乏对基础设施从前期统计到后期维护保养的统一监察与管理。

全生命周期管理研究源于美国“计算机辅助后勤支援”(Computer Aided Logistic Support, CALS)计划[5],旨在深入发掘项目系统、产品在不同阶段之间的内在联系,实现多个维度的集成与统一[6],对于促进项目的高效化与精细化管理有着重要意义。

随着我国高分辨率对地观测系统的建设以及空间信息产业的发展,国产遥感影像数据分辨率和质量已经接近国外水平[7]。现代遥感技术的时空一体、多维探测能力[8]以及较高的分辨率和稳定的图像质量,能够为交通基础设施普查、监管提供有效的监测方法,从而提高工作效率,降低交通基础设施管理成本[9],减少普查、监管过程中人的主观影响。

在高分卫星应用推广的任务背景下[10],本文基于全生命周期管理思想,设计并实现了集交通基础设施普查统计、交通用地高分监测、工程建设管理、维护保养与监管预警和全生命周期信息管理与辅助分析等功能于一体的交通基础设施普查监管系统。

通过系统研制,可以变看不见为看得清,实现重要区域、设施和目标等高分辨率真实影像观测;变不能管为能管,实现对路桥设施状态、机场跑道沉降、国防交通用地侵占等监控难点问题进行有效监测;变管得慢为管得快,缩短到按天、按需进行管理,提升应急突发事件处理能力;变被动等报送为主动核对,升级交通基础设施管理模式;变粗放到精细化管理,基于高分影像的对象提取、环境评估、灾害监测等技术,运用多元数据融合交互印证,推进管理精细化。

1 系统设计

1.1 总体技术架构

本系统采用分层架构设计[11],主要分为设施层、数据层、服务层、功能层和应用层,各层可以单独动态扩展,支持按需调用。系统总体技术架构如图1所示。

图1 总体技术架构

1.1.1设施层

设施层主要包含计算设施、存储设施、网络设施、基础软件和安全设施等,主要为系统运行提供基础支撑。

1.1.2数据层

数据层主要提供系统运行所需要的各类数据,支持中国资源卫星应用中心、天绘数据中心等外部数据源单位的数据接入,提供国产高分遥感数据、国外遥感数据、境内基础地理信息数据、境内交通基础数据、工程项目数据等。

1.1.3服务层

服务层主要提供全链条支撑服务,并新增高分数据批量处理服务集,为业务系统的建设提供基础性的支撑。

1.1.4功能层

主要实现交通基础设施普查统计、交通用地高分监测、工程建设进度监管、设施维护保养与预警、全生命周期信息管理与辅助分析决策等,为普查、监管提供基础支撑。

1.1.5应用层

针对实际业务应用需求,开展交通基础设施普查监管应用,在功能层基础上建设应用系统,并围绕实际交通应用场景,开展相关应用。

1.2 系统功能设计

基于全生命周期管理思想,结合实际的工作应用需求,利用高分技术手段,建设交通基础设施普查监管系统。系统主要功能模块如图2所示。

图2 系统功能模块示意图

1.2.1交通基础设施普查统计

包括普查交通工程设施与普查交通基础设施建设项目等。

1.2.2交通用地高分监测

基于多源高分影像数据,结合交通用地区域的基础地理信息数据,利用高分遥感相关技术手段,周期性开展交通用地高分遥感监测。

1.2.3工程建设管理

针对公路、码头等的建设监管,按照预设检查节点,通过高分监测,判断在建工程是否按图施工、按计划施工,提供交通基础设施建设监管手段。

1.2.4设施维护保养与预警

针对交通基础设施现状及防灾减灾情况进行监测,对发现问题的对象进行预警,支持设施维护保养决策。

1.2.5全生命周期信息管理与辅助分析决策

通过采集汇总交通基础设施建、管、养、运等全生命周期信息,统筹建立大数据资源体系和标准模型,开展海量交通数据的深度挖掘,实现基础设施的智能化管控、资产精细化管理、状态可视化展现。

2 系统实现

本文基于全生命周期管理思想,利用高分技术手段,构建了交通基础设施普查监管系统。

2.1 交通基础设施普查统计分系统

该分系统引接全国公路网管理与应急处置平台,实现针对交通基础设施的多来源交通基础信息的注入融合,在现有交通基础设施数据的基础上实现缺失位置的补查与问题位置的核查。通过接入高分遥感数据、辅助数据、交通基础数据等基础数据,以及公路、机场、港口、设施普查数据等普查数据,将基础数据与普查数据进行叠加综合展示并进行统计分析。

交通基础设施普查统计分系统业务流程如图3所示。

图3 交通基础设施普查统计分系统流程图

2.2 交通用地高分监测分系统

基于多源高分影像数据,结合交通用地区域的基础地理信息数据,利用高分遥感相关技术手段,周期性开展交通用地高分遥感监测,实施交通用地高时效性、高空间性、高精度的精准控制。

交通用地高分监测分系统业务流程如图4所示。

2.3 工程建设管理分系统

工程建设管理分系统具备工程现状监测、变化监测、进度分析和合规性分析等工程建设管理功能。该分系统通过对高分二号、高分八号等高分系列遥感数据、工程建设信息等基础数据的收集、整理并入库,开展定期监测,然后根据监测结果进行建成里程和建成面积等指标的计算分析,从而利用工程现状监测成果和工程建设规划信息,对公路、机场等分别开展工程变化监测、工程建设进度监测和工程建设合规性分析。

工程建设管理分系统业务流程如图5所示。

图5 工程建设管理分系统流程图

2.4 维护保养与监管预警分系统

维护保养与监管预警分系统以高分二号、高分八号、高分五号等为主要数据源,针对重要区域交通基础设施现状及防灾减灾情况进行监测。分系统通过对高分遥感数据、交通信息基础数据以及激光雷达传感器等数据的收集、整理与入库,开展定期监测与数据分析,可对发现重大缺陷与问题的对象进行预警信息发布,并提供服务,还可支持设施维护保养决策。

维护保养与监管预警分系统业务流程如图6所示。

图6 维护保养与监管预警分系统流程图

2.5 全生命周期信息管理与辅助分析决策分系统

全生命周期信息管理与辅助分析决策分系统具有以下3项基本功能。

2.5.1交通基础设施全生命周期信息录入

通过数据逐条录入、批量录入的方式,提供道路、桥梁、隧道、涵洞等交通基础设施信息的录入功能,包括建设信息、维护信息、技术参数及路基标识等。

2.5.2 交通基础设施全生命周期信息综合管理

实现道路、桥梁、隧道、涵洞等交通基础设施全生命周期信息的综合管理,包括对建设信息、维护信息、技术参数及路基标识等的查询检索、修改更新、统计分析等。

2.5.3全生命周期管理与辅助分析决策

基于数据库中的交通基础设施全生命周期信息生成地图并发布,并提供相关信息的查询和展示,包括地图发布与综合展示两个功能模块。

全生命周期信息管理与辅助分析决策分系统业务流程如图7所示。

图7 全生命周期信息管理与辅助分析决策分系统流程图

3 系统关键技术

3.1 多源多式交通数据资源的集成融合技术

项目系统建设中使用的不同来源的数据在空间覆盖、分辨率、空间数据模型、坐标系统和地图投影、分类等级和属性编码等方面存在差异,给交通基础设施的普查监管工作开展带来了一定的困难。因此,通过突破跨系统数据标识与关联、时空关联数据的高效搜索与表达等技术,可实现多源高分遥感影像数据、多源矢量数据(交通路网、重点目标)、多源对象数据以及引接信息系统数据的集成融合。

3.2 基于InSAR的交通基础设施形变监测技术

开展基于干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)的交通基础设施形变监测技术研究,旨在满足各研究对象形变监测需求,主要用于支撑陆路交通设施潜在风险评估分系统的建设,提升道路边坡、桥梁等形变监测精度,主要包含3方面技术内容。

3.2.1地表形变监测研究

使用约30景合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星数据,选择重点形变监测区域,利用准永久散射体干涉测量(Quasi Permanent Scattering,QPS)-InSAR和卫星增强系统(Space Based Augmentation Systems,SBAS)等时序形变监测算法,分析研究区域内的路域和自然地表的季节性形变特征。时序分析关键的技术流程如图8所示。其中SRTM指Shuttle Radar Topography Mission,即航天雷达地形测绘任务;DEM指Digital Elevation Model,即数字高程模型。

图8 InSAR时序分析关键技术流程图

3.2.2公路边坡三维形变信息提取研究

选择路域边坡区域,联合日本ALOS-2卫星、欧洲Sentinel-1A/B卫星和SAR等多源遥感数据,以减少植被覆盖的影响,使用QPS-InSAR时序监测算法,增加PS点的密度。同时,使用升降轨数据,增加遥感数据的入射角度,实现边坡的三维形变信息提取。

3.2.3高精度桥梁形变监测

基于高分辨率的SAR数据,使用经典的永久散射体干涉测量(Permanent Scattering,PS)-InSAR时序干涉算法,重点突破桥梁PS点定位技术和InSAR结果精度的可靠性验证算法,进一步与桥梁管理养护业务结合,分析车载、风载和温度等因素对桥梁关键点形变的影响。

4 结束语

本文基于全生命周期管理思想,围绕交通基础设施设计、建设、日常监管、维护保养等过程活动的需求,以多源高分遥感数据、基础地理信息数据以及交通业务数据等为数据基础,结合高分数据处理技术、多元数据集成融合技术与交通基础设施形变监测技术等技术手段,建立了基于全生命周期的交通基础设施普查监管系统。该系统具备交通基础设施普查统计、交通用地高分监测、工程建设管理、维护保养与监管预警和全生命周期信息管理与辅助分析等功能,为交通基础设施基本建设情况的摸查,以及建设、监管、维护、保障等全周期信息管理与决策提供了支撑,为交通规划建设提供了数据支持。该系统的建设不仅可以实现对机场、港口等重点交通基础设施的有效监测,提高交通基础设施监管的应急突发事件响应与处理能力,同时,还可实现交通基础设施的智能化管控、资产的精细化管理、状态的可视化展现。