[00148500]InSAR技术在机场净空保护区监测巡查的研发及应用

近年来,随着天津市社会经济和机场周边临空产业的快速发展,城市建设与机场净空安全之间的必然矛盾逐步凸显。国内多个机场都相继出现了净空问题导致机场被迫提高天气标准、修改飞行程序、限制容量甚至被迫搬迁的事件,造成了巨大的经济损失和负面社会影响。天津机场也发生了类似问题。天津机场采取多种手段加强净空管理,取得了一定成果,但依靠传统的人员驾车巡视的方式仍很难对天津机场净空保护区（1007km2）内所有建筑物做到及时发现、及时处理,巡视检查针对性不强,效率低。 合成孔径雷达干涉测量技术（简称：InSAR技术）是一种新型遥感观测手段,它借助卫星平台的优势和干涉测量理论,实现高分辨率的地表形变监测,具有全天候、全天时、高精度、范围广的优势,在地表监测领域显示出越来越大的应用潜力。 为有效解决机场净空管理中存在的问题,天津机场申请中国民航安全能力建设项目“InSAR技术在机场净空保护区监测巡查的研发及应用”,项目围绕大场景城市DSM快速与自动化提取、建筑物智能化变化监测、基于InSAR的建筑物高度反演、自适应预警阀值模型、三维净空监测管理等关键技术进行研究,实现了高精度的DSM自动化提取、高识别率的建筑物变化监测、基于GIS和InSAR的建筑物高度精确反演、自适应机场净空预警阀值模型、三维净空管理与分析。经过专家组验收,研究成果达到国内领先水平。具体内容如下： （1）大场景城市DSM快速与自动化提取技术。提出基于物方几何约束下的多角度多视影像匹配模型来减小信息盲区;针对其匹配可靠性较差的问题开展匹配窗口的Image-Reshaping、总体归一化相关系数、基于窗口的多角度多视匹配算法等关键技术的研究;建立地物目标边界约束下的三角网生成、格网化内插的城市DSM快速、自动化提取流程。 （2）基于面向对象思想和机器学习的建筑物变化监测技术。基于面向对象的影像分析技术,在充分分析高分辨率遥感影像建筑物影像特征的基础上,利用数学形态学运算实现高分辨率遥感影像中的建筑物特征描述,并利用随机森林算法实现建筑物的智能化识别与变化检测。 （3）基于GIS和SAR数据的建筑物高度反演算法。基于三维GIS空间数据库和建筑物电磁散射模型提出了一种基于仿真SAR图像、迭代匹配的建筑物三维模型重构方法,通过“假设生成-渲染-匹配”的方法不断迭代来实现高精度高程数据的提取。 （4）自适应预警阀值模型。结合净空安全管理需求完善净空预警阀值模型后,采用层次分析法从目标层、准则层、指标层确定自适应的净空安全预警阀值模型。 （5）三维净空监测管理关键技术。采用自适应空间四叉树算法来实现海量三维数据的压缩与组织;从渐进式三维场景地图瓦片、自定义Shader 的矢量数据精细化实现三维可视化;采用“等高线”思想实现建筑物与预警阀值模型精细对比,并构建一套互操作性强的机场监测管理应用系统。 项目首次实现InSAR技术在民航净空保护领域中的跨界结合,建立国内首个InSAR净空智慧监测系统。系统构建三维城市地图,精确采集净空保护区范围内全部建筑物（约28万栋）的坐标及高程数据。周期性对建筑物的变化情况进行动态监测,对高程和坐标信息进行精确测量。建立分层级的预警阈值体系,自动统计、计算、分析、评估建筑物的超高情况,有效识别已经超高的障碍物和潜在的风险源,并进行分层级的自动预警,为人工巡视提供靶向依据,颠覆了传统的净空巡视工作模式,有效解决人工巡视覆盖不全、针对性不强、不及时的问题。建立三维数据库,对净空保护区内所有建筑物进行动态管理,实现净空管理的专业化、数字化、智慧化。 InSAR技术在机场净空管理的成功应用,一方面对净空保护区范围内的所有建筑物进行全面的排查,收集全部建筑物信息,为开展各项安全管理工作提供数据支持;另一方面,打破原有净空巡查模式,将InSAR技术与传统驾车巡视相结合,做到有的放矢,有效提高净空巡视工作的效率。新技术的应用能快速对净空保护区全区域进行排查,巡视人员可根据预警信息进行有针对性的现场核查,预防突破机场障碍物限制高度的事件发生,避免因发现不及时对机场安全运行带来的影响以及障碍物拆除带来的经济损失;极大地提高了机场净空管理的管控水平,降低机场净空安全潜在风险,确保飞行安全。 项目入选2020年度四型机场示范项目名单,获得国内多个机场以及军方相关单位的高度好评和持续关注,将在首都机场集团推广使用。