高分專項系列衛星在鐵路全生命周期應用探討

文 | 李平蒼

中國鐵路設計集團有限公司

一、高分系列衛星主要參數和服務領域

中國高分辨率對地觀測系統重大專項（簡稱“高分專項”）是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》部署的16個重大科技專項之一，是我國重要的空間信息基礎設施。目前高分系列衛星已全部發射并投入使用，覆蓋了從全色、多光譜到高光譜，從光學到雷達，從太陽同步到地球同步軌道等多種類型，構成了一個具有“高空間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度和機動能力”的對地觀測系統。

高分一號衛星是高分專項的首發星，能夠為國土資源部門、農業部門、環境保護部門提供高精度、寬范圍的空間觀測服務，在地理測繪、海洋和氣候氣象觀測、水利和林業資源監測、城市和交通精細化管理、疫情評估與公共衛生應急、地球系統科學研究等領域發揮重要作用。高分二號衛星主要用戶為自然資源部、住房和城鄉建設部、交通運輸部和國家林業和草原局等部門。高分三號衛星主要服務于海洋、災害、水利、氣象等領域，為海洋監視監測、海洋權益維護和應急防災等提供重要技術支持。高分四號衛星主要應用于環保、海洋、農業、水利等行業，為災害風險預警、林火災害監測、地震構造信息提取、氣象天氣監測等業務提供技術支撐。高分五號衛星是世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星，在環境綜合監測、國土資源調查和氣候變化研究等方面發揮重要作用。高分六號衛星是一顆低軌光學遙感衛星，主要用于對農業、林業、草原等資源監測，為農業農村發展、生態文明建設等重大需求提供遙感數據支撐。高分七號衛星是中國首顆民用亞米級光學傳輸型立體測繪衛星，在高分辨率立體測圖、國土測繪、城鄉建設、統計調查等方面發揮重要作用。

二、我國鐵路建設基本程序

截至2021 年底，我國鐵路運營總里程突破15萬千米，其中高速鐵路運營里程突破4 萬千米，穩居世界第一，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網絡。鐵路作為國家經濟的大動脈，是拉動國家經濟增長的“火車頭”，帶動了中國經濟飛速增長，我國近些年高速鐵路的迅速發展為人們的出行、物資的運輸帶來了極大的便利，中國高鐵已成為享譽世界的“中國名片”。我國鐵路基本建設程序一般分為四個階段：立項決策階段、設計階段、工程實施階段和竣工驗收階段。按照我國鐵路從無到有的全壽命周期考慮，鐵路的整個生命周期可分為規劃與勘察設計、施工建設、運營維護三個階段。

研究如何將高分系列衛星遙感數據充分應用于我國鐵路勘察設計、施工建設和運營維護的各個階段，對于進一步提高國產高分衛星的應用價值、提升中國高鐵技術水平、促進國家高新技術融合發展都具有十分重要的意義。

三、高分系列衛星在鐵路全生命周期的應用場景

1.鐵路規劃與勘察設計階段

（1）制作中比例尺影像地形圖

鐵路建設項目不同階段用圖種類不同，在進行鐵路網規劃和項目預可行性研究階段一般需要在1∶50000、1∶100000 等中比例尺地形圖上進行選線，由于申請國家相應基本比例尺地形圖需要辦理申請手續且需要較長的周期，可以利用高分一號、二號及滿足影像分辨率要求的其他高分影像數據，結合SRTM、GDEM 等全球公共DEM 數據制作1∶50000、1∶100000等中比例尺的影像地形圖，用于鐵路選線，滿足鐵路項目前期方案研究的需要。圖1 為利用高分一號衛星影像及公共數據制作的1∶50000 比例尺影像地形圖。

圖1 1:50000 影像地形圖

（2）制作鐵路遙感專題圖

鐵路遙感專題圖是以遙感影像作為底圖，將基礎地理信息數據、專業設計數據、專題信息數據等分類集成，進行圖面設計配圖，著重表示一種或多種鐵路相關信息的影像圖。鐵路勘察設計階段，線路、站場、地質、橋梁、環保等專業一般會通過專題圖的形式展示線路方案走向、車站分布、地質礦產情況、環保及水源保護區分布等，常見的專題圖有路網規劃圖、線路平縱斷面縮圖、鐵路地理位置示意圖、環保示意圖等，鐵路遙感專題圖的比例尺依據線路長度、圖幅大小等因素確定，比例尺可能會從一萬至百萬，對于影像分辨率的要求比較寬，可以根據專題圖的比例尺和項目特點選擇適宜的高分系列影像數據。

（3）鐵路三維虛擬踏勘

鐵路項目勘察設計過程中，在航空攝影開展前，可利用高分一號、二號、六號、七號等衛星影像、公共DEM 數據、線路方案及地理矢量等數據制作鐵路線路沿線大范圍三維地形場景，能夠形象展示線路方案沿線的三維地形地貌情況，可以輔助專業人員室內三維虛擬踏勘，進行方案優化設計，減少現場踏勘的頻次，還可用于線路方案的三維展示和匯報。圖2 為利用高分二號衛星數據制作的鐵路沿線三維地形場景。

圖2 鐵路三維地形場景

（4）測繪1∶10000 比例尺地形圖

高分七號衛星是中國首顆民用亞米級光學傳輸型立體測繪衛星，影像分辨率優于0.8m，其上搭載了激光測高儀，用于廣義稀疏控制點測量，對立體線陣測繪相機的地形數據進行高程誤差修正，提高了立體圖像的高程精度，滿足在少量控制點條件下實現1∶10000 精度立體測圖的需求。目前高分七號衛星立體影像數據已覆蓋中國絕大部分地區，基本可以滿足我國鐵路項目1∶10000 比例尺地形圖的成圖需要。

我國鐵路項目在勘察設計階段需要的1∶10000和1∶2000 等大比例尺地形圖多數是通過航空攝影測量的方式完成，對于一個大中型鐵路項目一般會開展兩次航空攝影，首次航空攝影是在鐵路項目初測前進行，利用大幅面數碼航攝儀獲取線路方案（含比較線）不少于6km（考慮1∶10000 圖成圖范圍）寬度，分辨率優于0.2m 的數碼影像，完成線路沿線的1∶10000 和1∶2000 數字地形圖；第二次航空攝影一般在鐵路項目定測階段進行，利用機載激光雷達獲取線路方案1km 范圍的激光點云和影像數據，主要是為完成定測階段橫斷面、工點地形等測繪工作。高分七號衛星立體影像在鐵路1∶10000地形圖的應用，可以改進以往鐵路項目的航飛作業模式，在航空攝影時不用再考慮1∶10000 地形圖的成圖要求，這樣可以大幅縮小航空攝影的寬度，筆者認為綜合考慮初定測各項成圖工作的需要，可以將兩次航空攝影改為一次，主要作業模式如下：在鐵路項目初測前利用高分七號衛星立體影像完成線路1∶10000 地形圖，初測時各專業結合現場調查在1∶10000 地形圖上進行方案優化，待方案基本穩定后利用機載激光雷達進行一次航空攝影獲取線路沿線激光點云和影像，考慮方案后續進一步優化調整的需要，可以按照線路方案2km 的寬度進行航飛，這樣既能滿足初測階段1∶2000 地形圖成圖需要，又能滿足后續項目定測階段橫斷面、工點地形等測繪工作要求。這種方式不僅會節省航飛費用，還會縮短航飛周期，提高鐵路項目勘測效率。

（5）鐵路地質遙感解譯

鐵路工程沿線的地質狀況對于安全運營十分重要，在鐵路項目勘察階段一定要探測清楚，在艱險山區更為重要，選線時要確保線路有效避開滑坡、崩塌、沉降漏斗等不良地質區域，這就是所謂的地質選線，它對鐵路線路方案的可行性、工程設置以及安全運營等起到至關重要的作用。在鐵路選線過程中通過將不同波譜信息的多源遙感數據進行融合處理分析，綜合判釋，可以有效辨識出滑坡、崩塌等不良地質（如圖3 所示），為鐵路選線提供參考，輔助線路方案優化設計。高分系列衛星可以獲取多個波段的遙感數據，如高分二號、三號、五號衛星獲取的數據波譜范圍涵蓋微波、紅外光、近紅外光、可見光等，讓地質遙感解譯完全采用國產衛星數據成為可能。

圖3 某鐵路項目滑坡、崩塌解譯

2.鐵路施工建設階段

（1）鐵路建設階段的環境監測

當前“綠水青山就是金山銀山”理念深入人心，人們的環保意識日益增強。鐵路施工建設過程中如果防護不當會破壞沿線自然風貌，造成水土流失和環境污染。鐵路項目線路長，一般穿越多個地區，沿線地形復雜、交通不便，單靠人工現場巡查，很難全面真實掌握沿線環境狀況，而高分衛星影像具有探測范圍廣、影像分辨率高、重訪周期短、限制條件少等特點，可以有效彌補地面環境巡查不足、環境監管不全面的缺點?；诟叻中l星遙感數據，建立環境遙感監管“一張圖”，通過多期遙感數據智能環境變化識別，實現對鐵路工程周邊環境動態監測，基于“一張圖”能夠全面動態掌握鐵路項目建設過程中的土地占用、施工便道、臨時占地、取棄土場、植被破壞與恢復等情況，做到對工程環境狀況“一覽無遺”，大幅提升鐵路工程施工建設階段環境問題整治、環境保護工作監督管理的信息化水平、能力和效果。

（2）鐵路三維電子沙盤

近幾年三維電子沙盤在鐵路工程建設管理中的應用增多，與傳統實體沙盤相比更具有實用價值。鐵路三維電子沙盤是在鐵路勘察設計三維系統的基礎上，集成了鐵路路基、橋梁、隧道等模型及其他相關數據并具有空間分析功能的三維可視化信息系統，可以實現施工進度三維形象展示管理（如圖4所示）、工點施工模擬仿真、施工便道三維設計、大臨工程選址等功能，有效輔助施工建設和管理，提升鐵路建設管理的信息化水平。高分二號、七號衛星影像分辨率優于1m，可用作電子沙盤的三維地形場景，由于衛星重訪周期短，能夠滿足鐵路施工過程中沿線地形場景經常性更新的需要。

圖4 電子沙盤施工進度展示

3.鐵路運營維護階段

（1）基于遙感的鐵路外部風險源智能監測

高速鐵路速度快，運行平穩舒適，乘車體驗愉悅，得到廣大乘客的一致認可，但高鐵之所以能夠快速、平穩、安全運營與運維保障息息相關。鐵路周邊存在大量人類活動，會產生威脅鐵路正常運營的隱患風險，如鐵路沿線的彩鋼瓦房、塑料大棚、取土挖沙、違法施工等，鐵路運營部門定期會對鐵路周邊一定范圍內開展巡視和隱患排查，但完全依靠人工現場巡查很難做到面面俱到，近兩年因彩鋼瓦、塑料薄膜等侵入到高鐵線路導致停車現象時有發生，給人們正常出行帶來較大影響。基于衛星遙感、無人機航攝、深度學習與移動智能巡檢相結合的天空地一體化技術，建立高鐵外部風險源遙感智能監測管理系統，具有風險源變化的自動檢測識別、風險源的信息化管理、移動智能巡檢等功能，實現路外環境風險源的詳細建檔—智能監測—發現復核—處置銷號的信息化閉環管理，真正從技術手段上做好高鐵沿線風險源的管控工作，確保高鐵安全運營。高分二號、高分七號等高分衛星可以定期獲取鐵路沿線的高分辨率影像數據，為定期進行風險源變化檢測識別提供遙感數據支撐。

（2）鐵路沿線地質災害遙感監測

我國位于亞洲大陸東部，瀕臨太平洋，季風氣候顯著，疆域遼闊，地形復雜，具有多樣的氣候類型，地質災害多樣頻發。鐵路一般跨越不同的自然和地理區域，鐵路周邊如果發生地質災害勢必影響鐵路的安全運營，鐵路運維管理部門會定期對沿線地質災害（如洪澇、坍塌、泥石流等）情況進行現場巡查和評估。利用高分遙感影像開展沿線地質災害識別解譯具有非常重要的意義，可以進行大范圍災害普查，定期監測，及時掌握鐵路沿線災害變化情況，重點區域現場核實確認，能夠大幅減少野外工作量，提高災害調查防治效率，提升鐵路運維管理水平。

四、結論與展望

高分系列衛星數據已在國內農業、水利、國土、環保等多個行業廣泛應用，在鐵路行業的應用也已涉及鐵路項目前期規劃研究、勘察設計、施工建設、運營維護的全生命周期，但目前高分衛星在鐵路領域研究應用的深度不夠，在影像制圖、地形圖測繪等方面應用較多，在鐵路施工建設和運營維護中的應用還處于探索階段，應用還不夠充分。筆者認為高分系列衛星遙感在鐵路行業應用不充分的主要原因有兩個方面：一方面是高分衛星遙感數據最高影像分辨率為0.8m，與國外高分衛星有差距，影像分辨率還需進一步提高；數據獲取的靈活性與提供服務的及時性還需要進一步加強。另一方面是高分衛星遙感在鐵路領域應用研究的投入不足。隨著國產高分衛星影像分辨率的進一步提高，數據獲取能力的進一步提升，以及應用研究力度的加大，高分系列衛星在鐵路行業的應用會越來越廣泛，越來越深入，在我國鐵路智能建設和智能運維等深層次應用中必將發揮重要作用。