丘勇:用卫星遥感技术监控基础设施安全

4月30日中国神舟十七号航天员乘组顺利返回地球;5月1日中国广东梅大高速路面塌陷,至少23辆汽车陷落,已确认48人死亡,30人受伤;中国正开展公路隐患排查。

这三件事看起来毫无关联,却指明了中国外层空间技术的一个重要应用方向:运用卫星监测技术于监控基础设施和重要建筑物的安全。

从全球来看,卫星技术目前主要应用于通信和天气预报。除此,欧美和中国正把卫星技术应用于国家电网的安全和运行监控。比如,2018年欧洲宇航局与欧洲的大型电网公司联合开展空间技术,应用于电力输送和运行安全的研究,计划于2025年实现空间技术在泛欧电网上的大规模应用;挪威和瑞典企业研发的卫星通信终端安装在两国的电网设施上,用于探测和预报隐患,实时监控电网;中国的南方电网运用低轨卫星互联网技术,监控传统上属于“通信盲区”的偏远山区的线路,实现电力传输系统的“可观、可测、可控”。

电力系统能够大规模使用卫星技术,主要因为电力传输系统故障发生率高,影响大,卫星技术可以满足实时监控、作业管理、线路巡检和应急保障等综合需求。

鲜为人知的是,卫星技术中的遥感图像技术(也称卫星影像)在预测山体滑坡、建筑物(如水库堤坝、高层建筑)倒塌等灾害有独特优势。这主要是通过卫星对目标物体的长期跟踪影像,分析所采集的图片,发现趋势,发出警报。譬如,通过对长期的卫星影像图片的比较分析,可以发现高压线吊塔的地基移动和吊塔倾斜等隐患,从而采取纠正措施。

可惜的是,除电力行业外,其他行业的从业人员对此技术知之不多。因此,英国政府的卫星技术应用机构,不遗余力地向其他行业宣传卫星技术在灾害预防方面的应用;中国科学院遥感与数码地球研究所也在作同样的努力。

其他行业对这项技术不熟悉的一个原因是,影像分析须要长期采集大量图片,涉及大量技术和设备投资,以及大量的分析时间,成本高昂。然而,随着火箭发射和卫星制造成本大幅降低,以及人工智能的发展,特别是机器学习的发展,遥感图像的采集和分析的门槛,已经大大降低。欧美已经有大量小型人工智能技术应用公司,专门为电力公司提供遥感图像分析服务。

由于发生灾害概率很小,其他行业可能觉得没必要应用这项技术。问题是,基础设施和重要建筑一旦发生灾害,就是人命关天的事情。有公路建设业者在梅大事故发生后指出:“对潜在的滑坡区域进行预判,一些卫星监测的手段也可以直接反馈到安全中心,进行预警”。必须指出,根据短期采集的卫星影像分析,能够实现一定程度的预判和预警,但最有效的是长期卫星影像分析,才能准确揭示目标物体的物理位置变动趋势。如中国科学院遥感与数字地球研究所指出:“长时序大范围高层建筑(包括各种基础设施)的空间信息(分析)具有显著的科学和实用价值”。信然。

还要指出的是,只靠遥感技术监测和人工智能分析遥感影像是不够的,管理部门还必须定期使用直升机或无人机,靠近目标物体进行空中摄影,定期派出人员进行实地勘探,实现空天地三位一体的监控,才能最大限度地预测灾害。

目前防灾的一个重点是防止水库堤坝崩塌。在此情况下,除传统的严防死守外,中国地方政府应迅速使用卫星遥感技术,监控这些重要基础设施。长期来看,全球已进入灾害天气和极端天气频仍的新常态。中国政府和企业应联合科研单位,使用遥感技术监测基础设施和重要建筑,提升安全。

简言之,卫星遥感是实现中国政府对抗灾救灾的指导方针“安全第一、预防为主”的有效工具,是有效增进老百姓福祉的空间技术。

作者是英国三橡技术公司总裁 与文中所提及企业及科研机构没有任何联系