衛星遙感技術在公路全生命周期建設中的應用

楊貫偉

（中交星宇科技有限公司，北京 100088）

0 引言

公路項目建設涉及勘察設計、施工建設、運營維護等階段，西部地區以及“一帶一路”沿線地區地形地質復雜、條件惡劣，傳統測繪、資源調查、運營維護手段開展難度大。

遙感衛星數據具有觀測覆蓋范圍大、宏觀性、全面性、客觀性的特點，能夠真實顯示豐富的地物、地質信息，同時獲取方便、時間性強、成本低，諸多優點，使衛星遙感技術在公路設施勘察設計、建設施工、運營維護等階段的應用前景廣闊。隨著國家高分重大專項、空間基礎設施項目的實施建設，我國陸續發射了氣象、海洋、環境、資源、高分、空間等系列衛星，大大提高了衛星對地觀測能力，特別天繪、資源三號、高分七號等立體測繪衛星以SAR系列衛星，為公路工程建設提供了更多的應用場景服務。

1 衛星遙感技術在公路勘察設計階段的應用

公路勘察設計過程復雜、工作難度大、勘察工作也較辛苦，同時地貌、地形、氣候條件等多各方面因素對公路選線至關重要。傳統手段的水準測量、靜態GPS測量、全站儀測圖都有局限性。遙感衛星以其大面積、實時、快速、周期性重復觀測的優點，實現了從點到面的多尺度觀測，可全面支撐公路勘察設計的地形測圖、地質解譯、路線選線等。

1.1 矢量地形測圖

新建公路工程多處于國家西部地區或者國外，存在基礎空間數據時效性不高甚至缺失等問題。矢量地形圖可采用高分辨率衛星遙感影像及立體相對內業處理生成，外業進行實測校驗，其外業工作量更小，特別在一帶一路海外項目及困難區域中的優勢極為明顯，同時可以提高地形圖測繪的效率、縮短周期、節約成本。國產資源三號與高分七號衛星可制作1∶50000與1∶10000的地形圖。

1.2 工程地質遙感解譯

遙感衛星地質解譯已成為公路工程地質勘察中的必要手段，具有解譯全面、質量高、速度快、效益顯著的優勢[1]。通過遙感衛星數據可以提取地貌、地質構造和地物信息，同時可識別隱藏地質、不良地質、水文地質、水文地質、特殊性巖土等信息。利用高分辨率、高光譜、三維遙感等技術獲取公路沿線斷裂、滑坡、泥石流、崩塌等不良地質信息，以指導公路地質選線。

1.3 公路路線方案對比

泥石流、滑坡、斷層等地質災害對公路選線影響重大。利用遙感衛星可以快速識別工程區域的地質構造情況，滑坡、地質斷裂帶等，以遙感專題圖、疊加道路規劃、公路線路走向方案、公路要素選址方案，以地理空間信息綜合各種數據可視化展示，開展公路線路規劃方案比選。

2 衛星遙感技術在公路建設施工階段的應用

在建公路工程眾多，對公路工程的建設過程、形變、周邊自然和人文環境安全等的監測，有助于工程管理部門、安全監管部門等及時準確掌握工程和設施的建設進度、安全狀況，對于掌握工程進度與保證工程建設安全具有重要意義。

2.1 建設進度監管

基于多時相高分遙感數據對比分析，可以實現宏觀、清晰地監測工程設施建設進度變化，對公路工程建設開展全面的跟蹤、監測，生成施工進度監測專題圖，并可監測信息以服務的形式推送到手機APP或服務網站，工程監管單位無需到施工現場，在電腦或手機終端即可對工程建設進度進行監管。圖1為港珠澳大橋建設進度監管專題圖。

圖1 港珠澳大橋建設進度監管專題圖

2.2 施工環境監測

公路建設帶來巨大經濟效益同時，在建設過程中不可避免會對周圍環境和生態環境敏感區造成破壞[2]。公路工程項目具備面廣、線長、建設周期長的特點，部分項目會穿越生態保護區，地面調查只能反映區域情況，不能全面反映全線的生態環境狀況。遙感衛星其具體探測范圍廣、重訪周期短的特點，實現了宏觀、連續、快速、動態地監測公路施工環境監測。采用多源遙感數據同時配合地面監測手段，對沿線的植被情況、水環境、土地覆蓋變化情等進行監測，構建公路沿線環境監測一張圖，實現沿線環境目標監管以及公路建設的信息化、精細化的管理。

2.3 邊坡監測

公路施工容易造成邊坡體結構不穩定，在受到如暴雨、地震、外力等外界因素誘發時會出現開裂、滑坡、塌陷甚至崩塌等邊坡失穩破壞情況，邊坡變化、破壞會給公路建設帶來重大影響和損失。SAR遙感衛星可全局監測邊坡地表位移和形變，利用其光譜、空間特征進行邊坡位移監測，同時對大面積的邊坡進行形變監測，精度可達到毫米級，同時具覆蓋區域廣、有全天候、宏觀微觀兼具、成本低、客觀可靠的優點。

3 衛星遙感技術在公路運營維護階段的應用

公路工程的運營維護是一項長期工程，公路里程規模非常龐大，錯綜復雜的公路工程需要精細化管理運營手段來保障公路正常的運行、快速處理突發應急事件。遙感具有大范圍監測、不受地域制約的優勢，廣泛應用與公路形變監測、道路損毀評估、應急救援、生態環境評價等。

3.1 公路地表形變監測

公路工程沿線的地面沉降和變形監測是保障公路正常運營的一項基礎性重要工作。基于雷達遙感數據具有快速獲取大范圍地表形變信息、重復周期短、使用成本低等優勢，可利用PS-InSAR技術開展對公路沿線的地面、邊坡、橋梁進行形變監測，為公路安全運營和重點區域監測提供指導，提供技術方法保障公路綜合調查。

3.2 公路災害損毀評估

公路沿線范圍廣、面積大最易遭受不同類型災害，利用多源遙感影像制作災前、災后專題圖對比，可以準確、快速地獲得災區公路路面、橋梁、涵洞、邊坡等災害位置以及損毀情況，分析受損程度，專項公路災害的損失報告與制作災害評估專題圖，并可依據報告與專題圖進行商業保險理賠。

3.3 公路災害應急救援

公路沿線時常會發生洪水、泥石流、雪災、滑坡等自然災害，以及因橋梁、涵洞、隧道及公路設施損壞等突發事件導致交通中斷。災害迫切需要及時、高效、有序開展應急工作，獲取災害對公路造成的破壞程度和范圍信息。遙感衛星以其客觀性、現勢性、直觀性和宏觀性優勢，利用遙感衛星直觀分析以及GIS綜合分析，能夠準確掌握公路災害損毀位置、范圍、損害程度等信息，及時提供搶險救援的輔助決策服務。公路運營期的生態環境保護極其重要，以高分辨率衛星遙感光學、紅外、高光譜、SAR多元數據，同時輔以地面調查與驗證數據，采用遙感定量反演模型綜合評價技術，可對公路沿線的地表變化、植被覆蓋變化、土地資源、水資源環境、生態系統等生態環境狀況開展監測與評價分析。基于時間序列觀測數據，采用時空變化分析方法對生態環境變化進行監測，評價各項生態環境指標的變化量、變化率及變化特征，掌握公路沿線的生態環境空間特征與格局。

3.4 公路沿線生態環境評價

3.5 公路路面狀況遙感監測

公路路面長期受溫度、水分、風化以及荷載等因素的影響，在實際運營過程中路面結構強度會逐漸降低，導致道路表面產生多種病害特征，極大降低了路面的使用性能，同時也帶來巨大的經濟損失和事故風險。利用遙感高分辨率及高光譜數據，獲取不同健康情況下的路面光譜反射率，分析識別光譜反射率的差異性，可獲得路面裂縫、路基結構、形變等信息，并可區分瀝青路面不同老化程度。

4 結束語

隨著國產遙感衛星的發展，衛星載荷、重返周期越來越多，公路工程建設對遙感衛星應用場景會越來越多，其應用深度與廣度也會增強。同時加強遙感衛星、導航衛星、通信衛星的以及新一代信息技術的融合應用，在公路基礎設施建設領域具有巨大發展潛力和廣闊應用場景。