高分光學(xué)遙感影像在鐵路勘察中的應(yīng)用及展望

任曉春，李 偉，王 瑋

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

在我國路網(wǎng)覆蓋擴(kuò)大、功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化、既有路網(wǎng)質(zhì)量提高等多重任務(wù)并舉和面向“一帶一路”國際通道建設(shè)、高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略不斷推進(jìn)的背景下，高效完成鐵路勘察設(shè)計(jì)任務(wù)是提升我國鐵路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)核心競爭力的重要途徑。當(dāng)前鐵路勘察設(shè)計(jì)任務(wù)受各種環(huán)境因素的影響愈來愈多，急需提高鐵路勘察設(shè)計(jì)的定量化和精細(xì)化水平。由于高分光學(xué)遙感衛(wèi)星具有可視性好、時(shí)空分辨率與幾何定位精度高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)性好等特點(diǎn)，因此有必要對目前高分光學(xué)遙感影像的發(fā)展及其在鐵路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并以提高勘察設(shè)計(jì)工作效率和質(zhì)量為切入點(diǎn)對高分光學(xué)遙感影像鐵路勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用的趨勢進(jìn)行展望與分析，以期提高我國鐵路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域高分光學(xué)遙感的應(yīng)用與系統(tǒng)化水平。

1 高分光學(xué)遙感的發(fā)展

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國先后發(fā)射了IKONOS、QuickBird、OrbView、Geoeye、WorldView等系列高分光學(xué)遙感衛(wèi)星，形成了空間分辨率為0.31～1 m、時(shí)間分辨率為1～3 d的對地觀測能力。且這些衛(wèi)星獲取的高分影像存檔數(shù)據(jù)可以追溯到2000年，在歷史地理信息獲取方面具有重要作用。截至目前，美國在軌運(yùn)行5顆高分商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星，分別為Geoeye-1、WorldView-1/2/3/4，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)提供高光學(xué)解析度、高幾何精度的光學(xué)遙感影像[1]。美國商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星影像地面分辨率和立體成像能力不斷提高，直接定位精度顯著增強(qiáng)，設(shè)計(jì)理念和技術(shù)指標(biāo)都在穩(wěn)步推進(jìn)，確保了美國在高分光學(xué)遙感衛(wèi)星的領(lǐng)先地位。

法國光學(xué)遙感衛(wèi)星主要是SPOT系列衛(wèi)星，在軌運(yùn)行的有SPOT 6/7和Pleiades-1A/B共4顆。SPOT 6/7衛(wèi)星在保留SPOT系列衛(wèi)星特點(diǎn)的基礎(chǔ)上將空間分辨率提升至1.5 m。Pleiades-1A/B則實(shí)現(xiàn)了更高的空間分辨率和觀測靈活性，其空間分辨率達(dá)0.5 m，并且在數(shù)據(jù)獲取模式方面也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。這4顆衛(wèi)星形成正交分布的星座，實(shí)現(xiàn)了對地觀測任意地點(diǎn)每天兩次重訪的高時(shí)間分辨率的特性，形成了大幅寬普查和特定目標(biāo)區(qū)域詳查的工作模式，成為具有較高技術(shù)水準(zhǔn)和較強(qiáng)競爭力的高分光學(xué)遙感星座[2]。俄羅斯的民用高分光學(xué)成像衛(wèi)星目前有3顆在軌運(yùn)行，Resurs-DK1是該國1999年之后首次發(fā)射的地球觀測衛(wèi)星，其空間分辨率達(dá)1 m；Resurs-P系列衛(wèi)星是Resurs-DK1的后繼星座，空間分辨率進(jìn)一步提高，具有較高的地面定位精度和精細(xì)化觀測能力[3]。以色列的EROS-A與EROS-B目前已形成對地觀測星座，在目標(biāo)影像獲取能力、獲取頻率和獲取質(zhì)量方面性能突出。印度逐步建立了多種分辨率相結(jié)合的遙感衛(wèi)星體系，其中Cartosat-2系列軍民兩用共6顆制圖衛(wèi)星，空間分辨率最高達(dá)0.64 m，組成了水平較高的遙感衛(wèi)星星座，形成了相當(dāng)強(qiáng)大的對地觀測能力[4]。韓國目前擁有3顆高分對地觀測光學(xué)衛(wèi)星，分別是KOMPSAT-2/3/3A，空間分辨率在0.4～1 m之間，具有靈活的成像模式和數(shù)據(jù)獲取能力，保證了對地觀測的連續(xù)性，具有較高的利用價(jià)值[5]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在“高分對地觀測系統(tǒng)”國家科技重大專項(xiàng)建設(shè)的推動下，我國高分光學(xué)遙感時(shí)空分辨率得到大幅提升，遙感服務(wù)能力明顯增強(qiáng)。“北京二號”民用商業(yè)遙感小衛(wèi)星星座(DMC3)是我國首個民用商業(yè)遙感系統(tǒng)，可提供覆蓋全球、空間和時(shí)間分辨率俱佳的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間信息產(chǎn)品。“吉林一號”則是我國第一套自主研發(fā)的商用遙感衛(wèi)星星座，目前包括一顆光學(xué)遙感衛(wèi)星和3顆視頻星，分辨率在0.72～1.13 m之間，具備常規(guī)推掃、大角度側(cè)擺、同軌立體等多種成像模式，具備開展多領(lǐng)域遙感應(yīng)用的能力。2017年6月發(fā)射的珠海一號OVS-1A/B是“遙感微納衛(wèi)星星座”中的2顆1.98 m高分視頻衛(wèi)星，該衛(wèi)星星座預(yù)計(jì)在未來2～3年內(nèi)部署完成，具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動能力的特點(diǎn)[6]。“高分一號”(GF-1)和“高分二號”(GF-2)衛(wèi)星是我國高分對地觀測系統(tǒng)中的光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，標(biāo)志著中國遙感衛(wèi)星進(jìn)入亞米級高分時(shí)代，與“高分專項(xiàng)”計(jì)劃中其他衛(wèi)星和觀測平臺的結(jié)合，構(gòu)成了一個具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率能力的對地觀測系統(tǒng)。“高景一號”(SuperView-1)是由2顆空間分辨率為0.5 m的高分光學(xué)遙感衛(wèi)星組成的，這使得我國商業(yè)遙感數(shù)據(jù)水平進(jìn)入國際一流行列[7]。

“天繪一號”(TH-1)實(shí)現(xiàn)了中國傳輸型立體測繪衛(wèi)星零的突破，空間分辨率為2 m，采用了基于網(wǎng)絡(luò)的高效無縫測圖技術(shù)和高精度控制定位技術(shù)。“資源三號”測繪衛(wèi)星(ZY-3)，則是一顆民用高分光學(xué)測繪衛(wèi)星，影像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于地形圖制圖、高程建模及資源調(diào)查等，主要滿足1∶5萬比例尺立體測圖和1∶2.5萬比例尺地形圖更新需求，以及生產(chǎn)現(xiàn)勢性強(qiáng)、精度高的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品[8]。

高分光學(xué)遙感影像基于影像少控制點(diǎn)或無控制點(diǎn)的高精度目標(biāo)定位、立體測圖和變化監(jiān)測是目前的研究熱點(diǎn)，未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在進(jìn)一步研究大成像孔徑、高空間分辨率、高精度和短周期的遙感衛(wèi)星星座的關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對地觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；發(fā)展智能星載數(shù)據(jù)處理、高精度幾何標(biāo)定和精密定軌以及多源遙感影像復(fù)合立體測圖與定位技術(shù)，形成和實(shí)現(xiàn)高分光學(xué)遙感衛(wèi)星的規(guī)模化、定量化的業(yè)務(wù)體系。

2 高分光學(xué)遙感影像在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)

高分光學(xué)遙感影像為鐵路勘察設(shè)計(jì)提供了豐富的數(shù)據(jù)源，在鐵路預(yù)可行性研究、可行性研究和初測等勘察設(shè)計(jì)階段日益發(fā)揮重要作用。文獻(xiàn)[9]利用WorldView-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分別在埃塞俄比亞、吉布提等鐵路勘察中進(jìn)行工程實(shí)踐，結(jié)果表明通過合理布設(shè)外控點(diǎn)，高分衛(wèi)星遙感影像制圖精度和功能可以滿足鐵路勘察設(shè)計(jì)1∶2000地形圖要求。文獻(xiàn)[10]驗(yàn)證了基于高分光學(xué)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行大比例尺地形圖更新的方法可大幅減少外業(yè)工作量和生產(chǎn)成本。此外，相關(guān)研究人員針對不同高分光學(xué)遙感影像地形圖測制，DEM、DOM制作進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分類比較了不同分辨率的光學(xué)遙感影像的制圖精度和制圖能力，為鐵路勘察設(shè)計(jì)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)制圖生產(chǎn)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)[11]。

高分光學(xué)遙感影像立體測圖在困難地區(qū)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，如中鐵一院在阿富汗、莫桑比克、巴基斯坦等海外、偏遠(yuǎn)工程項(xiàng)目中，受國家安全、經(jīng)濟(jì)效益等影響，在傳統(tǒng)航空攝影測量無法實(shí)施的條件下，使用WorldView系列高分衛(wèi)星影像立體數(shù)據(jù)，完成了大比例尺航測制圖及地形圖更新工作，滿足了不同階段的鐵路勘察設(shè)計(jì)需求。相關(guān)成果如圖1所示。

2.2 鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在鐵路沿線地質(zhì)勘察中的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)概況及不良地質(zhì)的分布調(diào)查與解譯方面發(fā)揮著重要作用。文獻(xiàn)[12]利用高分QuickBird影像提供的豐富地質(zhì)異常信息，研究了地質(zhì)構(gòu)造異常場在影像上的形態(tài)、色調(diào)、紋理及地質(zhì)體在空間的對比關(guān)系特征，為認(rèn)識地質(zhì)構(gòu)造提供了一個全新的視角；文獻(xiàn)[13]針對中吉烏鐵路工程勘察區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、路線走廊方案比選困難的問題，采用高分遙感技術(shù)進(jìn)行了地質(zhì)構(gòu)造解譯和特征分析，科學(xué)合理地確定了路線方案。中鐵一院利用高分遙感影像，以數(shù)據(jù)為核心貫穿于“遙感-協(xié)同-設(shè)計(jì)”勘察生命周期全系列工作流程，構(gòu)建高分遙感平臺，對不良地質(zhì)發(fā)育的空間形態(tài)、時(shí)間演化、發(fā)育特征等信息進(jìn)行提取與分析，對提高工作效率，保障工程設(shè)計(jì)精度具有重要作用。相關(guān)研究成果如圖2所示。

鐵路地質(zhì)勘察可利用包括高分光學(xué)遙感影像對線路區(qū)域進(jìn)行區(qū)域斷裂構(gòu)造帶、地質(zhì)災(zāi)害源進(jìn)行解譯判定等。未來鐵路地質(zhì)勘察將基于多源遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多方位、多視角、多層次和動態(tài)觀測的工程地質(zhì)勘察技術(shù)，最終達(dá)到精細(xì)化遙感地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)水平。

2.3 鐵路環(huán)境影響評價(jià)

鐵路環(huán)境影響評價(jià)針對鐵路沿線土地利用、植被覆蓋、水土流失等環(huán)境因素展開，克服了傳統(tǒng)地面環(huán)境調(diào)查難以全面、客觀、動態(tài)反映鐵路沿線環(huán)境狀態(tài)的問題。文獻(xiàn)[14]結(jié)合不同數(shù)據(jù)源的試驗(yàn)驗(yàn)證，說明了遙感數(shù)據(jù)源質(zhì)量對生態(tài)評價(jià)應(yīng)用的重要影響；文獻(xiàn)[15]研究構(gòu)建了環(huán)境監(jiān)理信息“一張圖”的鐵路建設(shè)環(huán)境監(jiān)理評價(jià)系統(tǒng)，為鐵路綜合環(huán)境管理工作提供了技術(shù)支撐。中鐵一院依托“新建鐵路蘭渝線蘭州至廣元段生態(tài)環(huán)境調(diào)查”項(xiàng)目，研究形成了利用高分全色數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境調(diào)查的相關(guān)成果，形成了一套在線路工程生態(tài)環(huán)境調(diào)查中的遙感技術(shù)應(yīng)用體系。相關(guān)成果如圖3所示。

高分光學(xué)遙感衛(wèi)星已在鐵路環(huán)境影響評價(jià)中有了一定的研究和應(yīng)用，需要繼續(xù)研究遙感信息快速提取和影像數(shù)據(jù)自動處理技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)地生態(tài)測量與調(diào)查，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)向動態(tài)評價(jià)模式的轉(zhuǎn)換，將鐵路環(huán)境評價(jià)納入鐵路整個運(yùn)營周期的過程中，不斷提高鐵路環(huán)境評價(jià)的質(zhì)量、時(shí)效性和動態(tài)性。

3 結(jié)論和展望

高分光學(xué)遙感衛(wèi)星在我國鐵路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域還存在國外數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用高、制圖周期長、相關(guān)政策制約等因素，高分光學(xué)遙感影像相關(guān)研究與應(yīng)用呈現(xiàn)離散化特點(diǎn)，系統(tǒng)化和業(yè)務(wù)化應(yīng)用程度較低，數(shù)據(jù)共享與成果利用的規(guī)范化管理，深層化應(yīng)用等方面存在不足。需要進(jìn)一步結(jié)合鐵路勘察設(shè)計(jì)特點(diǎn)、總結(jié)明確業(yè)務(wù)需求，進(jìn)一步提高鐵路勘察設(shè)計(jì)一體化、智能化水平。未來的研究重點(diǎn)包括適應(yīng)于鐵路勘察設(shè)計(jì)特點(diǎn)的遙感影像高精度的處理和智能信息提取與解譯、業(yè)務(wù)應(yīng)用體系構(gòu)建等方面，從而形成高效的高分光學(xué)衛(wèi)星遙感鐵路勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用體系。