遙感技術(shù)在高鐵隧道外部環(huán)境監(jiān)管中的應(yīng)用

于勝利，李茂，肖超，王保江，宋浩

（1.武漢鐵路監(jiān)督管理局?執(zhí)法監(jiān)察辦公室，湖北?武漢???430062；??2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北?武漢???430062；??3.河南東網(wǎng)信息技術(shù)有限公司，河南?鄭州???450003）

0 引言

目前，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程近3萬(wàn)km，位居世界第一，占世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程的2/3以上。隨著鐵路線路長(zhǎng)度的增加、速度的提高，尤其是時(shí)速達(dá)350?km的“復(fù)興號(hào)”全面開(kāi)行，鐵路沿線外部環(huán)境影響已成為高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)面臨的突出挑戰(zhàn)。

鐵路沿線安全防護(hù)與保護(hù)手段包括鐵路運(yùn)輸企業(yè)設(shè)備管理單位的檢查人員巡視、鐵路公安人員護(hù)路看護(hù)等人防手段，也有部分地段采用了視頻監(jiān)控等物防手段[1]，但鐵路長(zhǎng)大隧道外部環(huán)境仍然是巡護(hù)中的“無(wú)人區(qū)”。長(zhǎng)大隧道頂部大多位于山區(qū)，無(wú)道路通行，巡線難度高、強(qiáng)度大。在這種情況下，人工巡護(hù)方式就顯得力不從心，隧道頂部違法開(kāi)采、施工等行為比較隱蔽，難以發(fā)現(xiàn)，一旦隧道頂部的開(kāi)挖、堆砌對(duì)隧道圍巖甚至隧道拱圈造成影響，則整個(gè)隧道將會(huì)面臨嚴(yán)重的破壞[2]。而且，隧道修復(fù)工作難度極大，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重影響列車的通行，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)調(diào)查，武漢鐵路監(jiān)督管理局曾受理舉報(bào)，發(fā)現(xiàn)1例高鐵隧道外部安全問(wèn)題，但當(dāng)時(shí)隧道已經(jīng)受到一定的損壞。

在此，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，并結(jié)合其在高速鐵路隧道外部環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，論述該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值，以期為高鐵長(zhǎng)大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)管提供參考。

1 技術(shù)應(yīng)用概述

1.1 應(yīng)用意義

衛(wèi)星遙感技術(shù)是以人造衛(wèi)星為平臺(tái)，綜合發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。遙感衛(wèi)星能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)覆蓋整個(gè)地球或指定的任何區(qū)域，并采集該區(qū)域的數(shù)據(jù)[3]。

高分辨率的衛(wèi)星影像通常是指像素的空間分辨率在5?m以內(nèi)的遙感影像，由高分辨率衛(wèi)星拍攝。利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以提取街道、建筑物、河流等地物地貌信息。與航空攝影對(duì)比，該技術(shù)在獲取同樣分辨率影像方面更快速、更經(jīng)濟(jì)，且不受空域等條件限制[4-5]。

應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)高鐵隧道外部環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在傳統(tǒng)人防和物防基礎(chǔ)上增加技防的投入，其主要意義如下：

（1）該技術(shù)手段的投入可填補(bǔ)高速鐵路長(zhǎng)大隧道沿線外部環(huán)境無(wú)法巡護(hù)的空白，在提高巡護(hù)強(qiáng)度和效率的同時(shí)，對(duì)高鐵隧道沿線環(huán)境總體情況有更全面的把控[6-7]，具有創(chuàng)造性應(yīng)用意義。

（2）衛(wèi)星遙感對(duì)危害點(diǎn)可做到定期回訪，量測(cè)危害點(diǎn)的變化，不受外界干擾，提前預(yù)判其發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到隔斷事故、保障線路安全的目的。

（3）對(duì)危害點(diǎn)觀測(cè)并存檔，衛(wèi)星遙感圖片（簡(jiǎn)稱衛(wèi)片）可作為鐵路設(shè)備管理單位現(xiàn)場(chǎng)核查的基礎(chǔ)依據(jù)材料，并對(duì)危害行為當(dāng)事人進(jìn)行有理有據(jù)地制止，落實(shí)好企業(yè)主體責(zé)任。

（4）為鐵路監(jiān)管部門對(duì)發(fā)生的外部環(huán)境事故和違法行為調(diào)查認(rèn)定提供技術(shù)支撐和法定證據(jù)。

（5）可以使高鐵沿線100?m控制區(qū)和500?m可視區(qū)的監(jiān)管邊界以及地方政府與鐵路運(yùn)輸企業(yè)的管理邊界更加清晰。

1.2 實(shí)施流程

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的高速鐵路隧道外部環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)主要由衛(wèi)星影像采集處理，圖像與鐵路里程、行政區(qū)域界限套合，圖像分析和比對(duì)，以及現(xiàn)場(chǎng)查看處理4個(gè)主要步驟構(gòu)成，其中衛(wèi)星影像圖獲取一般選用合適分辨率的國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星，對(duì)指定區(qū)域依法拍攝帶狀圖像；圖像分析和比對(duì)采用GIS軟件處理，處理成果儲(chǔ)存在后臺(tái)服務(wù)器中，利用互聯(lián)網(wǎng)+手機(jī)端查看處理的方式，以達(dá)到信息快速查看和傳遞的功能。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)流程

2 應(yīng)用實(shí)例

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在解決高鐵長(zhǎng)大隧道安全環(huán)境監(jiān)管方面已取得了較好的效果。例如，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢高鐵工務(wù)段管理的京廣高鐵黃龍寺隧道，對(duì)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)近10年的鐵路隧道外部進(jìn)行了多次全面體檢，監(jiān)測(cè)結(jié)果內(nèi)容清晰，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，為完善處置措施和徹底消除隱患提供了詳實(shí)的技術(shù)支撐。再如，2018年7月25日鄭西高鐵被70?m×5?m防塵網(wǎng)中斷行車。在調(diào)查處置中，采用0.3?m分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分析比對(duì)，鎖定證據(jù)，破解了責(zé)任難題，為企業(yè)落實(shí)主體責(zé)任、相關(guān)地方政府履行監(jiān)管責(zé)任提供了依據(jù)。在此，以京廣高鐵黃龍寺隧道區(qū)段安全環(huán)境監(jiān)測(cè)作為具體實(shí)例進(jìn)行闡述。

2.1 監(jiān)測(cè)方案

黃龍寺隧道位于鄂豫交界處，大別山山脈之中，全長(zhǎng)8?715?m。黃龍寺隧道主要發(fā)育大小斷裂5條，線路兩側(cè)發(fā)育多條小型斷裂，構(gòu)造節(jié)理、裂隙發(fā)育，地表水類型為：洞身主要發(fā)育3條溪流，其中2條溝底標(biāo)高高于隧道頂部標(biāo)高；隧道平均埋深為100～200?m。隧道南北貫穿大別山脈，頂部沿途有零星村落，交通、通訊條件極差，即使走行其中，也無(wú)法確認(rèn)下埋隧道的具體位置，從而發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖及破壞行為，更無(wú)法直觀地評(píng)估其對(duì)隧道的影響。

選擇黃龍寺隧道沿線兩側(cè)各1?000?m范圍作為監(jiān)測(cè)區(qū)域，獲取帶有空間坐標(biāo)的衛(wèi)片后，標(biāo)出鐵路隧道的線路中線、隧道邊界線、線路安全保護(hù)區(qū)邊線及100、200、500、1?000?m范圍線，鐵路里程等參考標(biāo)識(shí)，監(jiān)測(cè)頻率定為每月1次。隱患排查時(shí)，由內(nèi)業(yè)人員負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)片進(jìn)行比對(duì)分析處理，發(fā)現(xiàn)危害隧道安全的行為活動(dòng)或違法侵入相應(yīng)邊線形成安全隱患后，由外業(yè)調(diào)查人員現(xiàn)場(chǎng)巡查處理。首期采用0.3?m分辨率衛(wèi)片，第2期采用0.5?m分辨率衛(wèi)片。每期與前一期的衛(wèi)片比對(duì)，比對(duì)內(nèi)容包括：危害點(diǎn)性質(zhì)、危害點(diǎn)與隧道邊線的距離變化；危害點(diǎn)面積、開(kāi)挖方量、危害活動(dòng)變化以及排查有無(wú)新增危害點(diǎn)[8]等信息。按照危害點(diǎn)的危害程度，將危害分為：侵限區(qū)、高危區(qū)、危害區(qū)和一般區(qū)4個(gè)等級(jí)。統(tǒng)計(jì)分析完畢后形成排查報(bào)告，提交鐵路設(shè)備管理部門，依據(jù)鐵路相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)規(guī)定進(jìn)行處置，必要時(shí)上報(bào)地方政府或鐵路監(jiān)管部門依法查處。

2.2 排查機(jī)制

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的排查分為3個(gè)層次：

（1）第1層次：全面排查鐵路沿線環(huán)境，摸底隧道外部危害區(qū)域情況，根據(jù)已掌握資料，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的侵限行為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通報(bào)制止[9]；對(duì)高危區(qū)域或危害區(qū)域重點(diǎn)標(biāo)識(shí)并聯(lián)系所在地的行政部門聯(lián)合防治，確保高鐵安全運(yùn)營(yíng)；對(duì)一般區(qū)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，防止其量變成危害區(qū)性質(zhì)。

（2）第2層次：對(duì)已成為高危區(qū)或危害區(qū)的地段，在采用巡護(hù)人員重點(diǎn)盯防的同時(shí)，進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)控設(shè)計(jì)，利用“傳感器+無(wú)線傳輸”技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)一旦發(fā)生趨勢(shì)性變化或超出預(yù)設(shè)警戒值，可實(shí)時(shí)報(bào)送到鐵路設(shè)備管理部門，提前應(yīng)對(duì)。

（3）第3層次：鐵路運(yùn)輸企業(yè)無(wú)法處置的違法行為，但已危及安全的嚴(yán)重安全隱患，應(yīng)委托監(jiān)測(cè)單位會(huì)同鐵路設(shè)備管理單位依據(jù)監(jiān)測(cè)及復(fù)核結(jié)果，報(bào)告鐵路監(jiān)管部門或地方政府部門進(jìn)行查處。

2.3 分析處理及展示

通過(guò)衛(wèi)片采集分析處理，從監(jiān)測(cè)區(qū)域總體影像圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)隧道外部危害點(diǎn)，并了解危害點(diǎn)性質(zhì)和基本信息。首期監(jiān)測(cè)共發(fā)現(xiàn)14處危害點(diǎn)，具體情況如下：侵入安保區(qū)危害點(diǎn)6處（屬于侵限區(qū)），其中4處為房屋侵入安保區(qū)，2處為隧道頂部開(kāi)挖建設(shè)，侵限區(qū)必須及時(shí)制止整改；即將侵入安保區(qū)危害點(diǎn)2處（屬于高危區(qū)），高危區(qū)應(yīng)制定防護(hù)方案，整治防護(hù)；緩慢發(fā)展危害點(diǎn)2處（屬于危害區(qū)），危害區(qū)應(yīng)評(píng)估其危害程度，重點(diǎn)監(jiān)控；潛在危害點(diǎn)4處（屬于一般區(qū)），一般區(qū)應(yīng)定期復(fù)查，監(jiān)控其發(fā)展趨勢(shì)。

隧道外部環(huán)境監(jiān)測(cè)總體影像圖采用美國(guó)WorldView-4商業(yè)衛(wèi)星拍攝，精度為0.3?m分辨率，拍攝日期為2018年4月。原始二進(jìn)制遙感數(shù)據(jù)經(jīng)地面站處理成帶有坐標(biāo)的Tiff格式圖像，運(yùn)用GIS軟件將參考線、鐵路里程等標(biāo)識(shí)標(biāo)注在圖像中，再生成Img格式圖像供分析比對(duì)[10]，最終隧道外部危害點(diǎn)分布總體影像見(jiàn)圖2。在圖2—圖4中，S為鐵路高鐵隧道外部危害點(diǎn)占地面積，m2；L為危害點(diǎn)距離高鐵邊線外側(cè)投影線最小距離，m；鐵路里程用公里數(shù)表示，km。

圖2 隧道外部危害點(diǎn)分布總體影像

首期監(jiān)測(cè)采用0.3?m分辨率高精度圖像，對(duì)隧道頂部的地物地貌判斷較精準(zhǔn)，對(duì)危害點(diǎn)識(shí)別較明確[11]。將發(fā)現(xiàn)的14處危害點(diǎn)按鐵路里程從小到大依次編號(hào)排序，每處危害點(diǎn)均標(biāo)明危害性質(zhì)、距離高鐵隧道外邊線的距離及占地面積基本信息，便于初步判斷危害程度。影像圖為帶有坐標(biāo)格式圖像，可直接利用坐標(biāo)信息或量測(cè)鐵路里程直接到達(dá)危害點(diǎn)位置，方便現(xiàn)場(chǎng)查看[12]。隧道頂部安全危害分析見(jiàn)圖3。

圖3 隧道頂部安全危害分析

衛(wèi)星影像圖為彩色圖像，能更清晰地識(shí)別危害程度等級(jí)，在處理中將高鐵隧道走向采用洋紅色線條標(biāo)識(shí)；20?m范圍線采用紅色標(biāo)識(shí)；100?m范圍線采用橙色標(biāo)識(shí)；500?m范圍線采用黃色標(biāo)識(shí)；1?000?m 范圍線采用藍(lán)色標(biāo)識(shí)。將4類危害程度等級(jí)分別對(duì)應(yīng)為侵限區(qū)：紅色；高危區(qū)：橙色；危害區(qū)：黃色；一般區(qū)：藍(lán)色。衛(wèi)星遙感區(qū)域輻射范圍廣，可連同黃龍寺隧道周邊隧道一并納入監(jiān)測(cè)范圍（見(jiàn)圖4）。

圖4 周邊隧道頂部監(jiān)測(cè)影像

2.4 危害處理

發(fā)現(xiàn)危害點(diǎn)后，監(jiān)測(cè)單位將危害點(diǎn)詳細(xì)信息上報(bào)該區(qū)段鐵路管理單位——武漢高鐵工務(wù)段，設(shè)備管理單位上報(bào)武漢鐵路監(jiān)督管理局。上述單位會(huì)同鐵路管理部門、監(jiān)測(cè)單位、地方行政管理單位共同到現(xiàn)場(chǎng)查看，按照規(guī)定重點(diǎn)監(jiān)督14處危害點(diǎn)，制止危害行為并責(zé)令修復(fù)。同時(shí)，落實(shí)責(zé)任人，將處罰依據(jù)、處罰流程及衛(wèi)片資料登記存檔。

3 結(jié)論

結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，針對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)在高鐵長(zhǎng)大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)管中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）衛(wèi)星遙感技術(shù)在高鐵長(zhǎng)大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)防與排查整治等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可快速、準(zhǔn)確、清晰地發(fā)現(xiàn)危害點(diǎn)，同時(shí)，可測(cè)量所有圖像空間尺度，掌握危害點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)，確定安全隱患類型，提前預(yù)判其發(fā)展和可能造成的后果，做到提前隔斷危害鐵路安全事件的發(fā)生。

（2）該技術(shù)有助于鐵路管理單位更全面地把控高鐵隧道外部環(huán)境總體情況，可作為鐵路運(yùn)輸企業(yè)加強(qiáng)巡視檢查的輔助手段，以及長(zhǎng)大隧道、橋梁和復(fù)雜地形下鐵路安全環(huán)境監(jiān)管的手段。

（3）該技術(shù)可作為鐵路監(jiān)管部門對(duì)影響高鐵外部環(huán)境問(wèn)題依法處置、行政處罰和安全預(yù)警的手段。