衛星遙感在鐵路監測中的應用進展

文 | 姚京川 梁志廣 郭繼亮 張勇1， 簡國輝1， 袁慕策1， 王無敵

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司

2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室

3.鐵科檢測有限公司

4.中科衛星（山東）科技集團有限公司

近年來，我國衛星遙感技術取得了重大進展，已有多個系列遙感衛星投入運行，包括高分系列遙感衛星（GF）、資源系列遙感衛星（CBERS/ZY）、環境系列遙感衛星（HJ）、高景遙感衛星（SuperView）、海洋系列遙感衛星（HY）、風云氣象系列衛星（FY）、北京系列衛星（BJ）等。這些衛星負載不同載荷、包含光學和雷達等不同類型探測器、擁有亞米級的時空分辨率和短重訪周期，可提供強大的對地觀測能力[1]。各系列衛星側重點不同，在農業、林業、海洋、水利、礦產、交通、減災和測繪等領域協同發揮作用。目前，這些遙感衛星正在逐步形成體系，為生產生活、應急處置、科學研究等方面提供實時準確的信息，不斷降低對國外遙感衛星數據的依賴。同時，當前涌現的各種具體應用對衛星遙感技術也提出了更高的要求，包括更大的觀測范圍、更高的時空分辨率、更智能的應急響應能力等，這對衛星及其載荷的設計和研制都提出了新的要求，也出現了各種針對具體需求的定制化載荷和控制系統。

截至2022 年底，全國鐵路營業里程達到15.5萬千米，其中高鐵4.2 萬千米。2016 年版國家《中長期鐵路網規劃》（2016—2035 年）規劃的“八縱八橫”高鐵網主骨架覆蓋性和通達性進一步提升，多條線路分批次開通運營、開工建設、完成規劃和勘探等。其中，西部鐵路網持續建設中，西部12省區市的鐵路營業里程達6.3 萬千米，其中高鐵1.1萬千米。同時，以“雅萬高鐵”“中老泰鐵路”為代表的境外鐵路建設項目不斷推進，中國鐵路已成為國際產能合作的重要代表。

我國鐵路的全生命周期可分為勘測、施工、運營維護三個階段，在不同階段對于監測有不同的需求[2]。衛星測量技術作為重要的測量技術之一，具有大范圍、高頻次、無接觸的區域監測能力，可提供亞米級的高分辨率遙感影像和豐富的數據。近年來，遙感技術在高精度基礎地理測繪、地物檢測識別等方面發揮著越來越重要的作用。國內的研究人員已在多個方面開展鐵路遙感監測應用研究和工程嘗試，取得了良好進展。本文分別介紹衛星遙感技術在鐵路勘測、施工、運營維護三個階段的應用進展。

一、衛星遙感在鐵路勘測中的應用

作為鐵路生命周期的開始，鐵路勘測經信息收集、綜合分析后出具選線的可行性方案。20 世紀70 年代后期，我國已經開始在鐵路新線選線勘測中應用陸地衛星TM 遙感圖像，其高空間分辨率、波譜分辨率和多波段影像可提供更大信息量。隨著諸多長大鐵路項目的啟動，衛星遙感在鐵路勘測中發揮出越來越重要的作用，有效地提高了勘測效率和質量。

目前，已有多顆商業對地觀測衛星投入使用，大部分均可滿足鐵路勘測中的制圖要求，包括GeoEye-1、QuickBird、IKONOS、SPOT 等。傳感器已經覆蓋多光譜波段、近紅外、遠紅外、短波紅外和微波L 波段等，分辨率可達到亞米級，重訪周期也在不斷縮短，最短可到1 天內。

基于所得到的衛星圖像和數據，可導入相關軟件進行處理，結合人工判釋和測量生成各種比例尺的地形圖，滿足勘察設計的初步需要。不同地面分辨率影像可以得到不同比例尺的測圖，分辨率為0.28-0.56m 的影像可以用于繪制比例尺為1:2000的測圖；分辨率為0.4-0.8m 的影像可以用于繪制比例尺為1:5000 的測圖；分辨率為0.8-1.6m 的影像可以用于繪制比例尺為1:10000 的測圖；分辨率為1.0-2.4m 的影像可以用于繪制比例尺為1:25000的測圖；分辨率為1.4-3.2m 的影像可以用于繪制比例尺為1:50000 的測圖[3]。

除制圖外，還可以利用衛星遙感圖像生成信息量更大的二維數字正射影像圖或三維數字立體景觀圖，為鐵路勘測提供全方位信息。目前，越來越多的鐵路勘測設計正在基于高分辨率遙感數據，提取線路規劃地的遙感三維數據源，構建并顯示三維場景，更直觀地輔助選線決策。通過將遙感技術、數字攝影測量技術、虛擬現實技術、數字地質技術綜合集成，所建立的三維可視化選線地理模型，可同時滿足地質選線和環境選線要求[4]。基于建筑信息模型（BIM）和地理信息系統（GIS）的三維線路場景構建，可進一步利用遙感影像數據，輔助線路方案比選[5]。當前研究大多數基于國外商業衛星數據源，隨著國內遙感衛星在傳感器種類、分辨率、重訪周期等關鍵參數上不斷取得進展，數據源正在逐漸向國內遙感衛星轉換。目前國內高分、資源系列衛星的傳感器已經覆蓋全色、多光譜波段、近紅外、中短波紅外等，分辨率可達到亞米級，重訪周期最短可到20 s，并且根據需求發展出陸地和大氣觀測專用衛星（如高分五號）、地球同步軌道遙感衛星（如高分四號）等特殊用途衛星。

中國高鐵技術已經開始輸出海外，海外鐵路的勘測設計中，最大的難點之一即某些地區地形圖資料的缺乏。基于高分辨率衛星影像的鐵路勘測制圖可以得到較高的精度、較好的時效性和較高的數據采集效率，結合國產遙感衛星如高分系列，可進一步降低數據成本，提高我國高鐵技術的整體競爭力，適用于海外鐵路建設項目[6]。

二、衛星遙感在施工中的應用

施工是鐵路生命周期中技術要求最高、影響因素最多的階段，主要包括工程地質監測和生態環境監測等，涉及的監測目標物種類多樣（如巖石、植被等），對技術應用的要求更具體、難度更大。

1.工程地質監測

鐵路工程地質監測需全面評估和分析鐵路沿線的工程地質條件，包括地形地貌、地層巖性、地質構造、不良地質等。衛星遙感在鐵路施工中有多種具體應用。早在20 世紀90 年代，衛星遙感圖像和航空遙感圖像就已經應用于鐵路施工的地質判釋。基于地質學、地貌學、水文學、工程地質學綜合分析的方法，基于遙感圖像解譯內昆線新寨隧道的滑坡、崩塌、巖堆、落水洞、漏斗等地質病害及其成因，為鐵路隧道的合理設計和施工提供了決策依據。

利用衛星遙感圖像可編制工作地質圖。路瀚等采用遙感信息分析、工程地質遙感解譯和野外驗證相結合的方法，以高分二號和Landsat-8 圖像信息為依據，對地質體復雜的鐵路路線走廊帶的地形地貌、地層巖性、地質構造、不良地質及特殊地質現象進行全面的工程地質條件解譯（圖1）[7]。除制圖外，衛星遙感技術與GPS、區域地質圖、工勘資料等多源空間數據結合，可建立三維遙感地質勘察技術，實現了遙感解譯高精度、高效率、大比例及解譯成果制圖一體化[8]。

圖1 基于遙感圖像解譯復雜地質區域地質特點

除了光學遙感影像外，衛星雷達遙感影像也開始應用于鐵路工程地質勘測。與光學遙感影像相比，雷達遙感不受光照和天氣影響，具有一定的地表穿透性，還可進行立體成像，獲得獨特的地表地物信息。譚衢霖等針對遙感雷達圖像在鐵路的應用，分析了鐵路工程地質遙感中雷達圖像的應用效果。雷達遙感圖像在不同的地質應用中具有特定的雷達回波響應特征[9]。近年來，干涉雷達遙感技術不斷發展，與航空遙感、高分辨無人機機載激光雷達等技術一同應用于高效率的鐵路工程地質條件綜合勘察。

2.生態環境監測

鐵路建設項目施工過程可對生態環境造成影響，包括周邊植被、水土、農田等，需進行綜合評價。早期研究中，鐵路建設對生態環境系統的影響缺乏監測指標和監測技術方案，采用的是行業標準HJ/T192-2006《生態環境狀況評價技術規范（試行）》中規定的指標體系和計算方法?；谛l星遙感圖像可對鐵路沿線的生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度、土地退化指數、環境質量指數和生態環境狀況指數進行計算和分級研判。近期，宋珺等通過分析鐵路施工期生態環境的影響范圍和因子，篩選確立具有可操作性的生態環境監測指標，并進一步以衛星遙感、無人機遙感、遠程監測和地面監測等技術為支撐，構建了全面的監測技術方案。其中，生態指標中的生態系統、土地利用、植被、景觀和生態敏感區監測要求，可采用衛星遙感的監測方式，選擇具有植被觀測能力的傳感器和分辨率為米級的遙感數據，例如國內資源衛星或者高分衛星影像，取得良好的監測結果[10]。生態環境部衛星環境應用中心基于國產高分衛星遙感數據，進行了鐵路施工期環境監理，充分發揮了遙感技術快速、客觀、大范圍的優勢，構建環境監理信息“一張圖”，涵蓋了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數據，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[11]。

此外，利用對不同時期衛星遙感數據的對比分析，還可監測動態變化。山西省原平市某高鐵的制梁場，在監測高速鐵路建設中臨時性工程用地土地復墾情況中，即利用了衛星遙感方法的觀測范圍大、監測精度高、長時間序列監測等優勢，通過使用Landsat-8 陸地衛星的光學遙感影像，選用遙感圖像處理軟件計算比對土地損毀前、土地損毀后、土地復墾前和土地復墾后共4 期遙感影像中的植被覆蓋度，及時有效且動態監測鐵路臨時用地的復墾信息（圖2）[12]。圖像顯示了土地損毀前、土地損毀后、土地復墾前和土地復墾后的植被覆蓋度先急劇降低、再緩慢回升的過程。研究人員還基于不同時段的衛星遙感數據，通過分析植被類型、面積、空間分布的變化情況，結合第四次大熊貓調查數據評估了西成客運專線對沿線大熊貓棲息地的影響，并嘗試進行規律研究，尋找影響因素，最大限度降低人為干擾[13]。

圖2 遙感影像植被覆蓋度等級分布圖[12]

三、衛星遙感在鐵路運營中的應用

鐵路運營監測是鐵路生命周期中持續時間最長的一個階段，目的是監測鐵路基礎設施的服役狀態，包括對基礎設施變形、結構健康、軌道幾何狀況的監測，以及對外部環境和地質災害等狀況的監測。

1.鐵路基礎設施形變監測

鐵路載荷、路基和基礎設施形變直接影響鐵路運營安全。當前，監測主要通過在地面監測點設置水準儀、移動檢測車等方式進行，空間覆蓋范圍和連續性差。雷達技術由于其全天時、全天候、大范圍，不受天氣影響等特點，逐漸成為遙感衛星配備的主要探測器之一。目前，商用探測器主要采用C、X 和L 波段，成像的空間分辨率達到亞米級、幅寬高達數千米，重訪周期短至數小時，其性能仍在不斷提高。

合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）是當前最適合研究鐵路基礎設施微小形變的應用技術。InSAR 技術通過雷達復影像數據的相位信息，可獲取地形信息。其中，合成孔徑雷達差分干涉測量技術（D-InSAR）作為InSAR 技術的一個分支，同時包含地形信息和地表形變信息，當其用于對地面進行大范圍的形變監測時，精度可達厘米級。在對緩慢變形的地表進行監測時，需采用時間基線很大的影像對，因此可產生去相干和大氣傳播誤差，影響D-InSAR 處理結果的精度和可靠性。2000 年，Ferretti 團隊提出了永久散射體干涉處理技術（PSInSAR），應用散射強且穩定的地物（即永久散射體）作為目標進行相位和形變分析，該技術將時間序列干涉SAR 的精度提升至毫米級。2003 年，Berardino 等提出了小基線集算法（SBAS），利用短的時間和空間基線干涉對不同時序的SAR 數據進行干涉處理，并且利用復多視技術提升信噪比、利用奇異值分解法進行參數估計，以此來連接不同干涉圖集合之間的不連續部分。各種新技術提高了監測的精度，為鐵路載荷、路基和基礎設施形變監測提供有力工具。

在國內，近年來已有多項基于衛星遙感的InSAR 技術應用于鐵路形變的監測。研究人員基于InSAR 時序分析對華北平原區地面沉降進行連續動態監測，以中高分辨率InSAR 相結合完成了京津高鐵、京滬線、京山線、京九線等重大工程區地面沉降詳細監測，完善了重大工程區地表形變監測與評估方法，實現了地面沉降InSAR 監測工作的流程化[14]。在北京和天津的市區選擇適當的永久散射體點位，采用PS-InSAR 技術，可在同一基準上、較大范圍內監測其地面沉降特征[15]。對于農耕區永久散射體點位較少的地區，利用CR-InSAR 等技術，通過布設一定數量的人造角反射器（CR），結合PS-InSAR 綜合進行鐵路沉降監測[16]。在對西部青藏鐵路拉薩至那曲段的監測中，研究人員利用先進合成孔徑雷達（ASAR）和TerraSAR-X 數據，采用了滿秩矩陣小基線子集InSAR（FRAM-SBAS）時間序列分析方法，進行長達10 年的監測，得到毫米級精度的全面而詳細的鐵路沉降信息，以及與周圍地質災害和斷層的關系[17]，其中當雄段2003—2010 年形變圖見圖3。

圖3 青藏鐵路當雄段從2003-2010 年的形變圖[17]

目前，鐵路沉降監測的研究仍主要是基于國外商業衛星遙感圖像和數據，隨著國產雷達衛星的發射，以及監測數據處理技術的發展，InSAR 系統已經逐步實現國產化和集成化。國產SAR 衛星已經開始覆蓋不同波段（C 波段、Ku 波段和L 波段），分辨率達到亞米級，成像質量逐漸提高，重訪周期可在數小時內。以北斗二代為基礎開發出鐵路沉降塌陷實時監測系統，已開始用于進行鐵路沉降、塌陷等事故的實時應急響應。

2.外部環境和地質災害監測

鐵路沿線的外部環境和地質災害監測，是鐵路工程運營維護階段安全監測的重要內容。目前進行鐵路安全管理的方法主要是采用“人防、物防和技防”的安全保障體系，較難完成大范圍監測及危害預判，尤其是偏遠地區鐵路沿線。衛星遙感可動態采集外部環境和地質災害監測所需要的影像，并對圖像進行比對和解釋，識別特征變化和預判地質災害發生的可能性，將監測區段劃分不同風險等級，分級管理，具備高頻率、實時性、智能化的特點[18]。圖4 為基于衛星遙感技術對武九高鐵鄂州東站至大冶北站區段危害區域進行等級劃分。

圖4 危害區域等級色塊劃分[18]

鐵路沿線環境監測需要對特定精細目標進行持續監測?；趯Ω叻侄栃l星遙感影像的分析，結合GIS 建立的鐵路土地監察管理系統，可定期更新衛星遙感影像數據，自動化監察鐵路土地變化并及時報警，實現鐵路土地用地監測和非法侵占監測[19]?；趯Σ煌瑫r刻衛星遙感圖像的處理，可根據觀測目標設置異常特征，并通過監測異常特征的變化持續監控鐵路線路安全，當異常特征的變化超過指定閾值，則進行異常預警。當前，衛星高分辨遙感影像中的目標識別技術不斷發展，可基于機器學習嘗試識別檢測高速鐵路沿線區域的高危物，有望實現對鐵路沿線環境的精細化、動態監測。

與沿線環境不同，對地質災害的監測偏重變化檢測和危險預警。國內外研究人員對使用衛星遙感技術進行地質災害監測做了大量研究，包括尋找各種災害地貌的圖形特征等。在此基礎上，匯集各種地學專題圖形和遙感圖像數據建立“災害地貌專家系統”，設置數據與圖像的存貯更新、查詢檢索、分析處理、圖像顯示和自動制圖功能，可對災害地貌過程進行專家級的預測和評價[20]。這些跨學科的研究為后續地質危害監測在鐵路中的應用打下了基礎。

四、結論與展望

目前，國內遙感衛星數量不斷增加，數據量和數據質量均不斷提升。基于衛星遙感的監測技術在鐵路勘測、施工和運營中的應用不斷增加，顯示出國產化、系統化、智能化的特點。目前，衛星遙感技術在鐵路領域的應用研究表現出如下具體趨勢。

在鐵路勘測方面，衛星遙感技術的應用日趨成熟，從二維制圖到三維建模，大大提高選線效率，目前，已經可以基于國產衛星得到亞米級分辨率的遙感圖像和數據，降低了數據成本。隨著國內衛星技術水平和商業化水平的提高，基于國外衛星的數據可被進一步替代。同時，基于衛星遙感系統勘測選線的標準化工作亟需完善，這有助于提高勘測技術水平，加速我國鐵路技術出口。

在鐵路施工方面，衛星遙感技術的應用還處于探索和研究階段。無論是工程地質還是生態環境監測，均有特殊要求，包括鐵路基礎設施檢測所需的長大線狀目標、高精度形位測量，以及包括巖石、植物在內的多種類特定目標物測量等，而當前遙感衛星的主要運營模式為周期性地獲取大范圍區域的大氣狀況、地表覆蓋、氣象水文等信息，其傳感器設計尚不能完全滿足需求，因此，應針對鐵路相關需求開展衛星軌道、數據采集和處理系統、傳感器性能、地面輔助測量等不同方面的研究。

在鐵路運營方面，衛星遙感技術的應用尚不充分，與國外技術仍有較大差距，其系統化、智能化、實時性還需進一步提高。基于衛星遙感的沿線環境和地質災害監測系統，對于長大鐵路，尤其是西部地區、山區鐵路的安全運營，以及我國鐵路運維水平的提升，都具有重要意義?？紤]到外部環境的復雜性和地質災害的多樣性，亟待開發具有針對性的遙感探測器和數據分析方法。衛星遙感技術應基于其全天時、全天候、大范圍的優勢，與當前成熟的鐵路監測技術集成和互補，在我國鐵路智能運營應用中發揮作用，保障我國高速鐵路安全運營，促進相關技術積累和自主化。