高鐵周邊環境的空天光學遙感監測及特點分析

李穎婕，金偉其，裘 溯，張紫越，王 霞

（北京理工大學 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京 100081）

當前，我國擁有全球最大規模的高速鐵路（簡稱：高鐵）運輸網，根據《中國國家鐵路集團有限公司2020 年統計公報》顯示，截至2020 年末，我國高鐵營業里程達3.8 萬km，占鐵路運營總里程的1/4。我國高鐵線路的不斷開通運營，促進了國民經濟的發展，也對高鐵外部環境安全保障工作提出了更高的要求[1]。然而，當前我國高鐵外部環境的治理工作仍主要以人工排查方式進行，排查范圍大、隱患類型多、參與排查人數少等因素使得高鐵外部環境治理工作難以高效、客觀、全面地開展。考慮到我國幅員廣闊，且有諸多路段處于人煙稀少的山區，列車運行易受周邊環境影響，除各種車載、地面安全監測技術外，更廣域的周邊環境安全監測技術十分必要。

空天光學遙感技術具有探測范圍廣、多信息綜合、周期性等特點，突破了常規地面探測對人力消耗嚴重、受地理政治因素制約等局限性，通常用于重要活動、大型賽事中的地面安全監控，或為自然災害[2]（如圖1 所示）與公共安全事件提供監測數據支持。作為高鐵周邊地面監測的重要補充手段，空天光學遙感技術具有廣闊的發展空間。本文將在分析當前空天光學遙感及其地面安全監測應用的基礎上，分析其用于高鐵周邊安全監測的需求與特點。

圖1 基于無人機遙感影像的滑坡分析[3]

1 空天光學遙感技術及其地面環境安全監測應用

空天光學遙感技術按照遙感器搭載平臺的不同，分為以航空器為平臺的空基遙感技術和以航天器為平臺的天基遙感技術。2005 年，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》中確立發展基于衛星、飛機和平流層飛艇的高分辨率對地觀測系統以來，我國空天遙感技術逐步邁入國際一流水平。無人機遙感系統在民用市場也得到廣泛應用，消費級無人機大量普及，并在大型、集會型活動中輔助安防工作；浮空器遙感系統以政府牽頭研發為主，民用方面承擔大型賽事、博覽會的全天候監控工作，軍用方面則主要進行長期邊境監控；以光學成像衛星為主的遙感衛星系統在政策支持下加快了商業化腳步，軍民融合的天基遙感系統推動了遙感數據的商業化普及，在國民生活的各個領域發揮重要作用。本文的地面環境安全監測應用主要指重大活動安全監控、自然災害監測及國民經濟建設情況監測等。

隨著空天技術的迅猛發展，空基、天基遙感探測呈現“三全”（全天候、全天時、全球觀測）、“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率）、“三多”（多平臺、多傳感器、多角度）的發展趨勢[4]。

1.1 空基光學遙感技術及其地面環境安全監測應用

空基遙感平臺飛行高度通常在80 km 以下，以無人機和浮空器為主，相比地面探測，其受地理條件限制小且彌補了天基遙感機動性差、易受云層遮擋影響的不足，響應速度快、部署時間短、滯空時間長，可在短時間內對特定區域進行全天候實時探測，常用于大型活動和敏感地區的環境安全監測工作。

1.1.1 無人機遙感系統

隨著全球衛星定位系統（GPS）、無刷電機、數字模式無線電等技術的發展，無人機作為一種由無線電或自備程序控制的無人駕駛航空器[5]迅速向民用領域擴展，逐漸成為衛星、有人駕駛飛機遙感的有效補充手段[6]。2010 年后，以大疆創新公司為代表的新興技術公司將無人機推向消費級市場，擴大了民用無人機在行業的主導地位。

無人機光學遙感是在無人機技術基礎上形成的新型航空遙感系統[7]，搭載小型集成式遙感器，實現機動靈活、實時傳輸、全天候的遙感探測。由于無人機光學遙感系統分辨率高、操作方便，能夠在保護人員安全的同時獲取更全面、有效的信息，輔助進行安全管控和應急處理，廣泛用于聚集性活動監控或固定線路巡視與跟蹤。2016 年，杭州G20 峰會現場采用配有高清攝像頭的警用無人機實時觀察周邊動態；2019 年，美國超級碗現場采用大疆 M200無人機連接到具有供電能力的系留基站，對比賽現場進行空中監控，如圖2 所示[8]，該無人機飛行高度約為100 m，能夠對周邊半徑1.5 km 的區域進行數小時的實時監控。

圖2 系留無人機遙感系統結構

1.1.2 浮空器遙感系統

浮空器是一種效費比高、負載能力強、可長期駐空的遙感探測平臺。通過搭載可見光高清相機、紅外相機、雷達等設備，浮空器可對某一區域進行長期數據采集，相比無人機安全性更強。按照飛行高度的不同，浮空器分為最高飛行高度為8 km 的中低空浮空器和飛行在20～100 km 的臨近空間高空浮空器[6]。

由于無需消耗能源克服自重，浮空器具有更強的搭載能力，駐空時間最長可達幾十天，能進行24 h無間斷探測，浮空器遙感系統與無人機相比更適用于長期、大范圍、全天候的地面安全監測。此外，浮空器遙感系統探測范圍更大，例如，駐空高度300 m 的小型機動式系留浮空器可觀測范圍約20 km，駐空高度4 000 m 的大中型系留浮空器的觀測范圍則擴大到半徑350 km 的區域[9]。

當前，各國對于中低空浮空器的研發已相對成熟。2010 年，上海世博會采用中國電科集團研制的“天眼”車載系留浮空器系統進行世博會監視預警工作[10]，如圖3 所示。系統由氦氣車、通信測控車、錨泊車和容量達1 600 m3的氣球4 部分組成，可抵抗8級臺風與雷暴，并搭載4 臺可見光高清攝像機、1 臺紅外相機和1 臺高光譜相機，可對16 km2的區域進行全方位、全天候監控。

圖3 中國電科“天眼”浮空器

1.2 天基光學遙感技術及其地面環境安全監測應用

天基遙感作為現代遙感技術發展最強勢的領域，以人造衛星等航天器為平臺搭載可見光、紅外、微波等多種遙感器來實現對地觀測。其軌道高度通常在幾百公里，具有探測范圍廣、探測周期短、不受地理政治因素限制等特點，可用于地面長期動態監測。

1.2.1 光學成像衛星

遙感衛星按照工作波段可分為光學與雷達衛星，其中，光學成像衛星以可見光、近紅外光、短波紅外光和熱紅外波段為工作波段，由于波長比微波短、光譜波段信息豐富，可獲取高質量、高空間分辨率的影像，有利于分析地物的光譜特征與空間特征。根據美國憂思科學家聯盟（UCS）的數據，截至2018 年11 月底，各國現存的遙感衛星中光學成像衛星占比第一[11]，是當前天基遙感發展的主要方向。

隨著空間技術的迅猛發展，光學成像衛星空間分辨率從米級全面進入亞米級。2010 年我國啟動高分辨率對地觀測系統重大專項，全面提升了對地觀測衛星技術水平，為我國發展建設提供了高質量遙感數據支持。此外，自2014 年我國發布《關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》，鼓勵民間資本研制、發射和運營商業遙感衛星以來，商業遙感衛星產業得到了快速發展，通過小衛星組網技術可形成大覆蓋范圍、高分辨率、快速響應的對地觀測系統。

1.2.2 光學衛星遙感系統

光學衛星遙感系統由于部署在地球同步或太陽同步軌道，可進行大范圍的地面環境探測，在壽命期間內，可周期性獲取地面探測數據，有利于對區域長期發展變化的監測。同時，隨著小衛星星座的成功部署，衛星遙感數據在空間、時間分辨率上與空基遙感系統的差距逐漸縮短，其數據源穩定、數據類型豐富、數據覆蓋周期長的優勢凸顯。

2020 年初，為抗擊新冠，武漢市成立聯合工作組，使用高分二號、吉林一號、Pleiades 等衛星數據，對武漢火神山、雷神山醫院建設情況進行監測分析，并利用珠海一號高光譜衛星收集的周邊水域影像數據，分析施工過程對周邊水質的影響情況，同時，公開遙感監測影像，讓建設進度透明化，對穩定社會情緒起到了重要作用[12]。2020 年3 月5 日四川攀枝花森林火災和3 月29 日云南南澗森林火災后，相關部門根據珠海一號高光譜遙感數據對災前、災后影像對比反演[13]，進行過火區識別與火燒跡地制圖，為火情監測工作提供數據支持。多元、多層次、全方位的高分辨率遙感數據在經濟建設、民生發展、國防安全等領域的監測分析方面日益發揮重要作用。

2 高鐵周邊安全保障的空天光學遙感監測技術分析

分析全國各鐵路局集團公司統計的高鐵外部環境事故數據[14]可知，自然災害預測監測和安全隱患排查治理是高鐵外部環境治理的重點工作需求。傳統的高鐵安全監測手段以大量鋪設地面監控設備為主，監測范圍有限，部署成本過高。空天光學遙感技術能夠填補復雜環境與隧道外部難以人工排查的缺陷[15]，從空天視角為安全防范提供更客觀、準確、及時的信息。

2.1 應用需求與方法

2.1.1 應用需求

建立高鐵周邊安全的空天地保障系統，需要滿足對高鐵周邊既有地質災害篩查和典型隱患識別的需求。以彩鋼瓦、塑料大棚和防塵網為例，其尺度從幾米到幾十米不等。彩鋼瓦房頂部的單片彩鋼瓦寬度約1 m，常見的活動房最小規格標準為5.62 m×3.80 m，通用塑料溫室大棚建造的最佳規模為跨度（短邊）8～10 m，工地中常見的蓋土防塵網單卷的寬度為6～8 m，為使目標在遙感影像中能夠清晰成像，衛星影像分辨率需要達到亞米級，必要時使用空基光學遙感影像進行輔助分析。

2.1.2 應用方法

目前，公開的全色影像可達到0.5 m 的地面分辨率，但多光譜影像的分辨率尚未進入亞米級，從多光譜信息有利于目標檢測的角度考慮，傳統方法通常結合全色圖像進行多光譜遙感圖像的全色銳化增強處理，如圖4 所示。隨著人工智能的發展和應用，使用深度學習技術能夠學習影像的隱形特征，進一步提升遙感影像的分辨率，充分結合全色圖像的高分辨率和多光譜的光譜信息，提高目標的探測和識別能力。

圖4 多光譜與全色遙感圖像及其融合圖像的比較（Landsat8 影像）

面對具體的應用需求，空天光學遙感系統的應用部署也應有所不同。

（1）在常態化監測任務中，以衛星監測為主，通過定期回訪，動態分析高鐵周邊變化情況，對重點區域，可配合無人機和地面監控系統進行全方位安全監測；

（2）在重大活動等特殊任務中，為保證實時獲取高分辨率影像數據，提供全天候高鐵周邊安全保障，可部署浮空器進行特定區域長時間駐空監測，并聯合地面安全保障部門進行隱患及時排查處理與應急指揮工作。

2.2 應用領域

2.2.1 自然災害預測監測

現在，軒軒上了幼兒園，他的身體還真強壯了很多，不再經常生病，也愿意去幼兒園，就是脾氣太難琢磨了。有時他跟小朋友玩得正高興，突然就沒來由地推別人一下、抓別人一把、跺別人一腳。我們真的很納悶：寶寶的身體不招病了，不會是心理又出問題了吧？

我國山地面積較大，山區地勢復雜、偏僻，易發生滑坡、泥石流等自然災害[16]，是導致高鐵事故的最主要原因。空天光學遙感技術可不受地理因素限制對外部環境進行大范圍監測，在自然災害預防、災情發展檢測、災后評估方面發揮重要作用。

（1）在自然災害預防方面，地質類災害的孕育、形成與發生往往與其所處環境的地質情況有關[17]。因此，利用高分辨率衛星影像對災害易發區進行周期性地質變化監測，根據地面光譜、地形信息，反演地表形變信息[18]，評估高風險區域，發現異常及時報警，為應急處置與調度指揮提供預警信息。

（2）在災情發展檢測方面，根據衛星影像檢測的災情位置，啟動空天地結合的應急救援系統，由地面中心派遣無人機到災情點進行實時災情監測，并配合通信、導航衛星進行視頻回傳，及時反饋災情信息，輔助救援指揮工作。

（3）在災后評估方面，通過對比災前、災后衛星遙感影像，分析受災區域與災情發展軌跡，能夠有效評估災情信息，為相關部門后續救災與恢復提供數據支持。

2.2.2 安全隱患排查治理

高鐵周邊影響運營安全的安全隱患類型繁多，包括彩鋼瓦房、危樹等隱患地物[19]，違法違規侵占、施工等情況。傳統人工排查方式客觀性差、排查效率低，基于空天光學遙感技術采集沿線大范圍高分辨率影像可全面獲取高鐵周邊環境信息，探測范圍廣。安全隱患排查治理可分為隱患智能識別、預警排查、動態回訪、事故定責4 部分，如圖5 所示。

圖5 安全隱患排查治理功能設計

（1）隱患智能識別

結合隱患空間與光譜特征，選取相應波段的高分辨率遙感影像，使用人工智能技術進行遙感影像增強，通過典型隱患地物標注建立隱患地物數據庫，采用人工智能目標識別技術，對隱患地物進行智能識別，并使用GIS 技術對隱患信息進行統計分析，從而建立隱患智能識別系統，實現高鐵周邊隱患快速識別。

（2）預警排查

根據地物位置范圍，劃分隱患風險等級，針對高風險區域，部署地面監控設備并聯合相關部門進行重點監控，分析隱患發展演變趨勢；針對已發生侵占事實的情況，由相關人員進行實地排查制止。

（3）動態回訪

在排查工作后，利用遙感衛星可對任意地點周期性回訪的特點，對排查情況進行定期監測，及時了解新增或復發情況，有效提高隱患處理效率。

（4）事故定責

在侵限事故或違法情況發生后，存儲的前期遙感影像數據，可作為有效憑證清晰判定事故責任，確定責任主體，輔助執法人員進行相關處罰。

3 結束語

本文從當前高鐵周邊安全保障工作需求出發，為解決地面監測局限性大、效率低的問題，結合空天光學遙感系統的探測特點與地面監測應用，從應用需求與應用方法兩方面，分析了空天光學遙感技術在高鐵周邊安全保障工作中的應用前景，為空天光學遙感技術在鐵路安全工作中的應用提供了新思路。

隨著空天技術在領域重大難題上的突破，為完善高分辨率對地觀測體系，我國空天光學遙感系統將向標準化、集成化、智能化發展，建立空天地協同[20]的全天候、全時空、全要素安全保障體系成為必然趨勢。高鐵運營安全作為經濟、社會穩定的重要環節，未來應充分利用遙感大數據優勢，探索與空天光學遙感技術更深入、更全面的結合。