高分遙感在鐵路建設項目施工期環境監理中的應用

熊文成，李京榮，聶憶黃，涂為民，翟方樂，王東睿

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2.四川省環境工程評估中心，四川成都 610093；3.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012；4. 四川省環境保護科學研究院，四川成都 610041)

高分遙感在鐵路建設項目施工期環境監理中的應用

熊文成1，李京榮1，聶憶黃1，涂為民2，翟方樂3，王東睿4

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094；2.四川省環境工程評估中心，四川成都 610093；3.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012；4. 四川省環境保護科學研究院，四川成都 610041)

鐵路建設項目具有施工面廣、工程量巨大、建設周期長等特點，加之工程交通不便、實施主體多等客觀因素，對施工期環境監理提出了極大挑戰。基于高分辨率遙感特點與鐵路施工期環境監理特點，構建環境監理信息“一張圖”，形成對鐵路建設項目直觀、宏觀、客觀的展示和把握。通過對比地面和高分遙感圖像形成解譯標志特征，并從環境監理關注目標遙感監管、聲環境敏感點遙感監管、生態敏感區人類活動干擾遙感監管、其他關注目標等四方面開展高分遙感監管應用。結果表明，發揮遙感技術快速、客觀、大范圍的優勢，可以極大地提高環境監理能力和效果，為有效保護沿線生態環境發揮積極作用。

鐵路；施工期；環境監理；高分遙感

伴隨我國環保事業的不斷發展和進步，環境管理部門對建設項目的管理逐漸規范，形成了環境影響評價制度和“三同時”制度[1]，但由于環境管理部門監管力量有限，環境管理過多倚重于環評和環保驗收，對項目建設工程中的環境監管較為薄弱，而恰恰這一階段產生的環境問題，尤其以生態環境破壞較為突出，并且造成許多不可逆的生態影響[2]。因此，開展建設項目施工期環境監理具有重要、迫切的現實需求。

目前，我國鐵路建設項目飛速發展，在鐵路建設過程中不可避免地會產生環境污染和生態破壞，鐵路建設項目在施工期間不斷出現被責令停工整改等一系列問題，因此，在鐵路建設施工期實施環境監理是十分必要的[3]。由于鐵路建設項目路線長，穿越多個地區，且地形復雜，很多地方交通不便，傳統地面環境調查很難全面、真實地反映全線環境狀況。衛星遙感具有探測范圍廣、重訪周期短、成本低且限制條件少等特點，能夠有效彌補地面調查的不足，形成天地互動，可極大地提高鐵路建設項目環境監理能力和效果，為有效保護鐵路沿線生態環境發揮積極作用。

1 高分遙感技術概況

本文高分遙感影像為高空間分辨率遙感影像的簡稱，主要是指那些地面分辨率高于5 m的遙感影像。當圖像分辨率達到米級時，人們平常視覺所見的多數野外目標物的個體，如單株樹、汽車、道路和房子等，在圖像上能夠直接可見。隨著高分衛星遙感技術的突飛猛進，以及鐵路施工期環境管理要求的日益提高，開展高分遙感在鐵路建設項目施工期環境監理中的應用研究是一個很有意義的研究方向和選擇。

1.1 高分遙感技術發展概況

自1999年美國太空成像公司發射世界首顆商業高分辨率遙感衛星IKONOS以來，一度披著神秘面紗的高分辨率衛星影像日益為普通百姓所熟悉，而且正在成為人們生活的一部分。現國外主要的高分商業衛星有QB、Worldview、Pleiades、GeoEye等系列。

近年來，我國民用衛星也得到長足發展，基本已經改變依靠國外衛星的局面，國產高分衛星已經成為各行業應用領域的主要數據源。目前，國產高分衛星數據主要有中巴資源衛星系列和高分系列，包括2007年9月19日發射的中巴地球資源衛星02B星(分辨率為2.38 m)、2012年1月9日發射的資源三號(ZY-3)衛星(分辨率2.1 m)、2013年4月26日發射的高分一號衛星(分辨率2 m)、2014年8月19日發射的高分二號衛星(分辨率優于1 m)。高分二號衛星標志著我國遙感衛星進入亞米級“高分時代”。

根據高分專項[4]、《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》[5]等規劃，未來我國將發射多顆具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率、高輻射分辨率的高分衛星，將進一步豐富高分衛星數據的供給。

1.2 高分遙感技術應用現狀

遙感技術廣泛應用于鐵路建設項目的勘察、勘測、環境監測與評價。王英武等[6]以京九鐵路地質調查為例，闡述了遙感技術在可研階段、初測階段、勘測設計后期階段的應用。遙感技術也應用于運營管理方面，成為鐵路信息化建設的基本核心技術，包括用航測方法進行既有線復測、既有線病害調查、地籍測量、既有鐵路技術改造、地質災害防治規劃等[7]。WANG Z[8]通過遙感的方法調查研究了青藏鐵路沿線的地質環境和災害；Chen F等[9]對在多年凍土區通過衛星SAR測量干預法提取地表變化的可行性進行了研究，并提出對QTR沿線進行持續衛星監控的必要性；David J. Cowen等[10]發展了一種基于雷達數據的GIS輔助鐵路建設經濟計量模型選擇新鐵路的最優路線，并將其與傳統的調查路線進行比較；王曉臣[11]利用無人機高分遙感技術開展了環評研究。

總之，多源遙感可以在鐵路環境監測中發揮重要作用，但結合國家衛星最新發展方向與規劃，高分衛星遙感在鐵路環境監理中的探索應用還相對較少。

1.3 高分遙感的意義與目的

鐵路建設項目環境監理往往偏重建設前期和后期竣工驗收階段的管理，而施工期間環境監理力度卻跟不上，一直屬于薄弱環節[3]。引入高分衛星遙感技術，應用于鐵路施工期環境監理，對于加強施工期環境監理的有效性和全面性具有重要作用。

(1)實現精細化和信息化。鐵路建設項目從勘察設計到具體實施，形成大量空間資料數據，各類空間數據可能自成體系，存在數學基礎不統一、不一致的情況。基于高分辨率衛星遙感數據底圖，在統一坐標系上，可以統一各類數據，形成規范數據集，構建鐵路環境管理信息“一張圖”。

(2)提高環境監理效率。鐵路建設項目環境監理點多線長，地域復雜且交通極為不便。在建設過程中，需掌握土地占用、施工便道、路基填筑、工程臨時占地、植被恢復、河流水質、環境應急等情況。高分遙感技術可為全面宏觀掌握開工前、實施過程中的各類情況提供技術支持。

(3)彌補地面監測不足。地面監測受限于監測頻次、范圍、可達性等條件，往往會有些環境問題被遺漏。高分遙感可以多頻次、全區域地開展多次監測，對重點關注區域還可以加強頻次或采用多源衛星數據提高監測精度。

(4)形成生態環境檔案[12]。采集得到的項目實施前期、施工中期及后期等多個期次和階段的遙感監測數據及其變化分析結果，可以成為鐵路建設項目的重要生態環境檔案，為后續二次開發評估或其他應用提供數據支持。

2 技術路線與主要內容

高分辨率遙感鐵路建設項目施工期環境監理技術路線如圖1所示，主要工作包括：

圖1 鐵路環境監理高分遙感應用技術路線Fig.1 Flow chart of high resolution remote sensing technology application to railway environmental supervision

2.1 監理信息“一張圖”

環境監理信息“一張圖”，即以高分辨率衛星遙感數據為主題，全面反映鐵路建設項目環評批復、施工期環境信息動態、環境敏感信息等綜合情況，做到對工程環境狀況“一覽無遺”，對環境問題“心中有數”。“一張圖”數據集主要包括環評及批復空間化數據、環境監理關注目標空間及屬性數據、鐵路建設項目基本信息數據、基礎地理要素測繪數據、地面核查數據和高分遙感數據等。

(1)環評及批復空間化數據：環境影響評價報告中包含大量空間數據及空間要求，如工程線路穿越的自然保護區、國家森林公園、風景名勝區等生態敏感區，聲環境敏感點位，飲用水水源地等各類目標及距離要求等數據。

(2)環境監理關注目標分布數據：在實際環境監理過程中，對部分渣場、轉運渣場、施工營地、臨時工程變更、突發情況、局部地區生態影響等需要更為嚴密的管控。收集這些目標坐標信息，匯入“一張圖”。

(3)鐵路建設項目基本信息數據：工程的基本信息包括鐵路的走向、車站、隧道、橋梁、路基等信息。

(4)基礎地理要素測繪數據：主要包括地形DEM、水文水系、居民點聚居區、行政區劃、路網等數據。

(5)高分遙感數據：包括鐵路沿線高分辨率遙感數據，以及通過遙感數據監測獲得的專題產品、解譯結果、分析結果數據。

(6)地面核查數據：針對部分環境監理關注目標、高分遙感解譯疑似目標開展地面核查，獲得相關屬性及其照片，將其與空間點位建立關聯，匯入“一張圖”。

2.2 環境遙感監管

基于環境“一張圖”數據集，利用高分辨率遙感技術開展環境監理關注目標監管、生態敏感區人類活動干擾監管、聲環境敏感點監管、其他關注點位監管等四個方面的監測監管。

2.3 環境遙感評估

根據環境遙感監測的結果，對工程變更情況、環評批復落實情況、敏感區保護效果情況、其他重要情況等開展評估，為建設單位、管理單位提供參考。

3 遙感監測應用實踐

3.1 環境監理關注點遙感監管

基于“一張圖”，開展環境監理關注點遙感監管，對工程臨時占用土地、永久占用土地進行動態監管分析。圖2為典型關注點位高分二號遙感影像圖。

3.2 生態敏感區遙感監管

基于“一張圖”開展生態環境敏感區遙感監管，重點核查生態敏感區內存在的渣土、植被破壞等情況，對未申報的渣場及生態敏感區內的植被破壞點進行定位，并開展地面核查。

3.3 聲環境敏感點遙感監管

基于“一張圖”，開展聲環境敏感點遙感監管。對照聲環境敏感點測繪圖紙，可以利用遙感圖像的直觀性，形成敏感點直觀展示。同時也可監測聲屏障工程的布設、拆遷等工序的進度。

3.4 其他關注點位遙感監管

基于“一張圖”，可以開展其他關注點位遙感監管，如對河流水環境遙感監管、敏感施工點位生態遙感監管等。

(1)河流水環境遙感監管。利用多時相遙感分析河流水環境前后變化情況，判斷工程對區域河流水質的影響。根據河流水系分布，選取沿鐵路線典型河段水體，結合高分遙感影像，形成施工前后影像對比，示例如圖3。具體評估手段可以利用多光譜遙感反演典型河段水體懸浮物濃度，評估濃度變化。

圖2 典型高分二號遙感影像Fig.2 Typical GF-2 satellite images

圖3 典型河流點位圖像Fig.3 Typical river point GF-2 images

(2)其他點位遙感監管。針對鐵路沿線部分隧道施工點造成地下水大量涌出的現象，開展多時相動態遙感監測，評估點位一定范圍內的相關生態環境變化。具體評估手段可以是計算多光譜遙感的植被指數、生物物理參量的變化。

4 結論與展望

(1)目前常用的國產高分衛星數據的空間分辨率可以滿足鐵路施工期環境監理關注目標識別的要求，通過空間大范圍辨識施工過程中關注的各類目標，全面系統掌握施工過程中的環境問題。目前常用的國產高分衛星數據的時間分辨率可以滿足一年多次的監測頻次，隨著未來可獲取數據的增多，可以以環境問題為導向，開展高分辨率常態化監測監理，定期利用高分辨率遙感數據進行動態監測，重點發現改善不明顯、新增的環境問題，保證環境問題調查結果的時效性，并對各工程環境整治、環境保護工作進行有效監督管理。遙感調查結果與實地監理結合起來，通過定期巡檢、抽檢，推動工作的有效開展。

(2)高分衛星遙感可在鐵路施工期環境監理中發揮重要作用，發揮遙感技術快速、客觀、大范圍的優勢，可以對沿線生態環境變化、“三同時”工程措施落實、工程臨時占地及生態恢復效果進行綜合分析評估，極大地提高環境監理能力和效果，為有效保護沿線獨特的生態環境發揮積極作用。

(3)建議進一步加強遙感定量化在鐵路施工期環境監理中的應用，可以在施工對河流水質擾動、對植被水分脅迫的遙感反演等方面開展更多研究；探索建立鐵路施工期環境遙感監測指標、評價方法體系；開展沿線二次開發及其生態環境效應監測研究，為做好鐵路綜合環境管理工作提供支撐。

[1] 環境保護部環境工程評估中心. 建設項目環境監理[M]. 北京: 中國環境出版社, 2012: 11- 15.

[2] 谷朝君. 我國環境監理制度建設現狀及建議[J]. 環境影響評價, 2015, 37(2): 1- 4.

[3] 黃永. 淺談我國鐵路建設項目環境監理[J]. 河北企業, 2012(10): 34- 34.

[4] 靳穎, 贠敏. 厚積薄發，共迎國產高分辨率衛星遙感數據應用的新時代——專訪遙感技術與應用專家、中國科學院院士童慶禧[J]. 衛星應用, 2013(3): 4- 7.

[5] 國家發展改革委, 財政部, 國防科工局. 國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)[EB/OL]. (2015-10-26) [2016-02-16]. http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201510/t20151029_756376.html.

[6] 王英武, 朱覺先. 京九鐵路地質調查中遙感技術的應用[J]. 鐵道工程學報, 2006(12)suppl: 193- 195.

[7] 李壽兵. 航測遙感技術在運營鐵路管理上的應用[J]. 鐵道勘察, 2005(3): 1- 3.

[8] Wang Z. Geological Environment and Disasters along railway line in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Earth Science Frontiers, 2007, 14(6): 31- 37.

[9] Chen F, Lin H, Li Z,etal. Interaction between permafrost and infrastructure along the Qinghai-Tibet Railway detected via jointly analysis of C- and L-band small baseline SAR interferometry[J]. Remote Sensing of Environment, 2012, 123(8): 532- 540.

[10] Cowen D J, Jensen J R. A GIS-Assisted Rail Construction Econometric Model that Incorporates LlDAR Data[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2000, 66(11): 1323- 1328.

[11] 王曉臣, 朱京海, 梁婷, 等. 無人機遙感技術在生態環境影響評價中的應用研究[J]. 環境影響評價, 2015, 37(2): 70- 74.

[12] 郭二民, 鮮國, 李傳富, 等. 成蘭鐵路施工期環境管理模式[J]. 環境影響評價, 2015, 37(2): 13- 17.

Research on High Resolution Remote Sensing Technology Application to Railway Environmental Supervision during the Construction Period

XIONG Wen-cheng1, LI Jing-rong1, NIE Yi-huang1, TU Wei-min2, ZHAI Fang-le3, WANG Dong-rui4

(1.Satellite Environment Application Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100094, China;2.Sichuan Environment & Engineering Appraisal Center, Chengdu 610093, China; 3.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environment Protection, Beijing 100012, China; 4.Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, China)

Railway construction project has many challenges, such as wide scope, huge quantities, long construction period, construction multi-body, and big environmental management difficulties. Based on the high resolution remote sensing data features and railway environment management demands during the construction period, this paper established environmental monitoring information “One Land Map”, which gave the railway construction an intuitive, macro, and objective presentation. The interpretation characteristics of high resolution remote sensing data were formed by comparing remote sensing images and ground pictures, and then the remote sensing monitoring on interested objects, remote sensing monitoring on acoustic environment sensitive points, remote sensing monitoring on human activities interference in ecological sensitive areas, and remote sensing monitoring on other concerned objects were carried out. The results showed that due to the advantages of fast, objective, and wide-ranged observation, remote sensing technology can greatly improve the capacity and effectiveness of environmental supervision, and will play an active role in protecting the ecological environment along the railway.

railway; construction period; environmental supervision; high resolution remote sensing

2016-02-16

熊文成(1981—)，男，江西豐城人，博士，高級工程師，主要從事生態環境遙感工作，E-mail：21039037@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.012

X328

A

2095-6444(2017)02-0043-05