高分遙感在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)理中的應(yīng)用

熊文成，李京榮，聶憶黃，涂為民，翟方樂，王東睿

(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；2.四川省環(huán)境工程評(píng)估中心，四川成都 610093；3.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；4. 四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川成都 610041)

高分遙感在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)理中的應(yīng)用

熊文成1，李京榮1，聶憶黃1，涂為民2，翟方樂3，王東睿4

(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；2.四川省環(huán)境工程評(píng)估中心，四川成都 610093；3.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012；4. 四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川成都 610041)

鐵路建設(shè)項(xiàng)目具有施工面廣、工程量巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，加之工程交通不便、實(shí)施主體多等客觀因素，對(duì)施工期環(huán)境監(jiān)理提出了極大挑戰(zhàn)?；诟叻直媛蔬b感特點(diǎn)與鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理特點(diǎn)，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)理信息“一張圖”，形成對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目直觀、宏觀、客觀的展示和把握。通過對(duì)比地面和高分遙感圖像形成解譯標(biāo)志特征，并從環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)遙感監(jiān)管、聲環(huán)境敏感點(diǎn)遙感監(jiān)管、生態(tài)敏感區(qū)人類活動(dòng)干擾遙感監(jiān)管、其他關(guān)注目標(biāo)等四方面開展高分遙感監(jiān)管應(yīng)用。結(jié)果表明，發(fā)揮遙感技術(shù)快速、客觀、大范圍的優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高環(huán)境監(jiān)理能力和效果，為有效保護(hù)沿線生態(tài)環(huán)境發(fā)揮積極作用。

鐵路；施工期；環(huán)境監(jiān)理；高分遙感

伴隨我國(guó)環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)境管理部門對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的管理逐漸規(guī)范，形成了環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度和“三同時(shí)”制度[1]，但由于環(huán)境管理部門監(jiān)管力量有限，環(huán)境管理過多倚重于環(huán)評(píng)和環(huán)保驗(yàn)收，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)工程中的環(huán)境監(jiān)管較為薄弱，而恰恰這一階段產(chǎn)生的環(huán)境問題，尤其以生態(tài)環(huán)境破壞較為突出，并且造成許多不可逆的生態(tài)影響[2]。因此，開展建設(shè)項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)理具有重要、迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

目前，我國(guó)鐵路建設(shè)項(xiàng)目飛速發(fā)展，在鐵路建設(shè)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和生態(tài)破壞，鐵路建設(shè)項(xiàng)目在施工期間不斷出現(xiàn)被責(zé)令停工整改等一系列問題，因此，在鐵路建設(shè)施工期實(shí)施環(huán)境監(jiān)理是十分必要的[3]。由于鐵路建設(shè)項(xiàng)目路線長(zhǎng)，穿越多個(gè)地區(qū)，且地形復(fù)雜，很多地方交通不便，傳統(tǒng)地面環(huán)境調(diào)查很難全面、真實(shí)地反映全線環(huán)境狀況。衛(wèi)星遙感具有探測(cè)范圍廣、重訪周期短、成本低且限制條件少等特點(diǎn)，能夠有效彌補(bǔ)地面調(diào)查的不足，形成天地互動(dòng)，可極大地提高鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)理能力和效果，為有效保護(hù)鐵路沿線生態(tài)環(huán)境發(fā)揮積極作用。

1 高分遙感技術(shù)概況

本文高分遙感影像為高空間分辨率遙感影像的簡(jiǎn)稱，主要是指那些地面分辨率高于5 m的遙感影像。當(dāng)圖像分辨率達(dá)到米級(jí)時(shí)，人們平常視覺所見的多數(shù)野外目標(biāo)物的個(gè)體，如單株樹、汽車、道路和房子等，在圖像上能夠直接可見。隨著高分衛(wèi)星遙感技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及鐵路施工期環(huán)境管理要求的日益提高，開展高分遙感在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)理中的應(yīng)用研究是一個(gè)很有意義的研究方向和選擇。

1.1 高分遙感技術(shù)發(fā)展概況

自1999年美國(guó)太空成像公司發(fā)射世界首顆商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星IKONOS以來，一度披著神秘面紗的高分辨率衛(wèi)星影像日益為普通百姓所熟悉，而且正在成為人們生活的一部分?，F(xiàn)國(guó)外主要的高分商業(yè)衛(wèi)星有QB、Worldview、Pleiades、GeoEye等系列。

近年來，我國(guó)民用衛(wèi)星也得到長(zhǎng)足發(fā)展，基本已經(jīng)改變依靠國(guó)外衛(wèi)星的局面，國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星已經(jīng)成為各行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的主要數(shù)據(jù)源。目前，國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要有中巴資源衛(wèi)星系列和高分系列，包括2007年9月19日發(fā)射的中巴地球資源衛(wèi)星02B星(分辨率為2.38 m)、2012年1月9日發(fā)射的資源三號(hào)(ZY-3)衛(wèi)星(分辨率2.1 m)、2013年4月26日發(fā)射的高分一號(hào)衛(wèi)星(分辨率2 m)、2014年8月19日發(fā)射的高分二號(hào)衛(wèi)星(分辨率優(yōu)于1 m)。高分二號(hào)衛(wèi)星標(biāo)志著我國(guó)遙感衛(wèi)星進(jìn)入亞米級(jí)“高分時(shí)代”。

根據(jù)高分專項(xiàng)[4]、《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》[5]等規(guī)劃，未來我國(guó)將發(fā)射多顆具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率、高輻射分辨率的高分衛(wèi)星，將進(jìn)一步豐富高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的供給。

1.2 高分遙感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)項(xiàng)目的勘察、勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。王英武等[6]以京九鐵路地質(zhì)調(diào)查為例，闡述了遙感技術(shù)在可研階段、初測(cè)階段、勘測(cè)設(shè)計(jì)后期階段的應(yīng)用。遙感技術(shù)也應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)管理方面，成為鐵路信息化建設(shè)的基本核心技術(shù)，包括用航測(cè)方法進(jìn)行既有線復(fù)測(cè)、既有線病害調(diào)查、地籍測(cè)量、既有鐵路技術(shù)改造、地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃等[7]。WANG Z[8]通過遙感的方法調(diào)查研究了青藏鐵路沿線的地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害；Chen F等[9]對(duì)在多年凍土區(qū)通過衛(wèi)星SAR測(cè)量干預(yù)法提取地表變化的可行性進(jìn)行了研究，并提出對(duì)QTR沿線進(jìn)行持續(xù)衛(wèi)星監(jiān)控的必要性；David J. Cowen等[10]發(fā)展了一種基于雷達(dá)數(shù)據(jù)的GIS輔助鐵路建設(shè)經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型選擇新鐵路的最優(yōu)路線，并將其與傳統(tǒng)的調(diào)查路線進(jìn)行比較；王曉臣[11]利用無人機(jī)高分遙感技術(shù)開展了環(huán)評(píng)研究。

總之，多源遙感可以在鐵路環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用，但結(jié)合國(guó)家衛(wèi)星最新發(fā)展方向與規(guī)劃，高分衛(wèi)星遙感在鐵路環(huán)境監(jiān)理中的探索應(yīng)用還相對(duì)較少。

1.3 高分遙感的意義與目的

鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)理往往偏重建設(shè)前期和后期竣工驗(yàn)收階段的管理，而施工期間環(huán)境監(jiān)理力度卻跟不上，一直屬于薄弱環(huán)節(jié)[3]。引入高分衛(wèi)星遙感技術(shù)，應(yīng)用于鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理，對(duì)于加強(qiáng)施工期環(huán)境監(jiān)理的有效性和全面性具有重要作用。

(1)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和信息化。鐵路建設(shè)項(xiàng)目從勘察設(shè)計(jì)到具體實(shí)施，形成大量空間資料數(shù)據(jù)，各類空間數(shù)據(jù)可能自成體系，存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不統(tǒng)一、不一致的情況。基于高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)底圖，在統(tǒng)一坐標(biāo)系上，可以統(tǒng)一各類數(shù)據(jù)，形成規(guī)范數(shù)據(jù)集，構(gòu)建鐵路環(huán)境管理信息“一張圖”。

(2)提高環(huán)境監(jiān)理效率。鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)理點(diǎn)多線長(zhǎng)，地域復(fù)雜且交通極為不便。在建設(shè)過程中，需掌握土地占用、施工便道、路基填筑、工程臨時(shí)占地、植被恢復(fù)、河流水質(zhì)、環(huán)境應(yīng)急等情況。高分遙感技術(shù)可為全面宏觀掌握開工前、實(shí)施過程中的各類情況提供技術(shù)支持。

(3)彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)不足。地面監(jiān)測(cè)受限于監(jiān)測(cè)頻次、范圍、可達(dá)性等條件，往往會(huì)有些環(huán)境問題被遺漏。高分遙感可以多頻次、全區(qū)域地開展多次監(jiān)測(cè)，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域還可以加強(qiáng)頻次或采用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)提高監(jiān)測(cè)精度。

(4)形成生態(tài)環(huán)境檔案[12]。采集得到的項(xiàng)目實(shí)施前期、施工中期及后期等多個(gè)期次和階段的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其變化分析結(jié)果，可以成為鐵路建設(shè)項(xiàng)目的重要生態(tài)環(huán)境檔案，為后續(xù)二次開發(fā)評(píng)估或其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2 技術(shù)路線與主要內(nèi)容

高分辨率遙感鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工期環(huán)境監(jiān)理技術(shù)路線如圖1所示，主要工作包括：

圖1 鐵路環(huán)境監(jiān)理高分遙感應(yīng)用技術(shù)路線Fig.1 Flow chart of high resolution remote sensing technology application to railway environmental supervision

2.1 監(jiān)理信息“一張圖”

環(huán)境監(jiān)理信息“一張圖”，即以高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主題，全面反映鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)、施工期環(huán)境信息動(dòng)態(tài)、環(huán)境敏感信息等綜合情況，做到對(duì)工程環(huán)境狀況“一覽無遺”，對(duì)環(huán)境問題“心中有數(shù)”?！耙粡垐D”數(shù)據(jù)集主要包括環(huán)評(píng)及批復(fù)空間化數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)空間及屬性數(shù)據(jù)、鐵路建設(shè)項(xiàng)目基本信息數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理要素測(cè)繪數(shù)據(jù)、地面核查數(shù)據(jù)和高分遙感數(shù)據(jù)等。

(1)環(huán)評(píng)及批復(fù)空間化數(shù)據(jù)：環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告中包含大量空間數(shù)據(jù)及空間要求，如工程線路穿越的自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)，聲環(huán)境敏感點(diǎn)位，飲用水水源地等各類目標(biāo)及距離要求等數(shù)據(jù)。

(2)環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)分布數(shù)據(jù)：在實(shí)際環(huán)境監(jiān)理過程中，對(duì)部分渣場(chǎng)、轉(zhuǎn)運(yùn)渣場(chǎng)、施工營(yíng)地、臨時(shí)工程變更、突發(fā)情況、局部地區(qū)生態(tài)影響等需要更為嚴(yán)密的管控。收集這些目標(biāo)坐標(biāo)信息，匯入“一張圖”。

(3)鐵路建設(shè)項(xiàng)目基本信息數(shù)據(jù)：工程的基本信息包括鐵路的走向、車站、隧道、橋梁、路基等信息。

(4)基礎(chǔ)地理要素測(cè)繪數(shù)據(jù)：主要包括地形DEM、水文水系、居民點(diǎn)聚居區(qū)、行政區(qū)劃、路網(wǎng)等數(shù)據(jù)。

(5)高分遙感數(shù)據(jù)：包括鐵路沿線高分辨率遙感數(shù)據(jù)，以及通過遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)獲得的專題產(chǎn)品、解譯結(jié)果、分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

(6)地面核查數(shù)據(jù)：針對(duì)部分環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)、高分遙感解譯疑似目標(biāo)開展地面核查，獲得相關(guān)屬性及其照片，將其與空間點(diǎn)位建立關(guān)聯(lián)，匯入“一張圖”。

2.2 環(huán)境遙感監(jiān)管

基于環(huán)境“一張圖”數(shù)據(jù)集，利用高分辨率遙感技術(shù)開展環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)監(jiān)管、生態(tài)敏感區(qū)人類活動(dòng)干擾監(jiān)管、聲環(huán)境敏感點(diǎn)監(jiān)管、其他關(guān)注點(diǎn)位監(jiān)管等四個(gè)方面的監(jiān)測(cè)監(jiān)管。

2.3 環(huán)境遙感評(píng)估

根據(jù)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果，對(duì)工程變更情況、環(huán)評(píng)批復(fù)落實(shí)情況、敏感區(qū)保護(hù)效果情況、其他重要情況等開展評(píng)估，為建設(shè)單位、管理單位提供參考。

3 遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 環(huán)境監(jiān)理關(guān)注點(diǎn)遙感監(jiān)管

基于“一張圖”，開展環(huán)境監(jiān)理關(guān)注點(diǎn)遙感監(jiān)管，對(duì)工程臨時(shí)占用土地、永久占用土地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管分析。圖2為典型關(guān)注點(diǎn)位高分二號(hào)遙感影像圖。

3.2 生態(tài)敏感區(qū)遙感監(jiān)管

基于“一張圖”開展生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)遙感監(jiān)管，重點(diǎn)核查生態(tài)敏感區(qū)內(nèi)存在的渣土、植被破壞等情況，對(duì)未申報(bào)的渣場(chǎng)及生態(tài)敏感區(qū)內(nèi)的植被破壞點(diǎn)進(jìn)行定位，并開展地面核查。

3.3 聲環(huán)境敏感點(diǎn)遙感監(jiān)管

基于“一張圖”，開展聲環(huán)境敏感點(diǎn)遙感監(jiān)管。對(duì)照聲環(huán)境敏感點(diǎn)測(cè)繪圖紙，可以利用遙感圖像的直觀性，形成敏感點(diǎn)直觀展示。同時(shí)也可監(jiān)測(cè)聲屏障工程的布設(shè)、拆遷等工序的進(jìn)度。

3.4 其他關(guān)注點(diǎn)位遙感監(jiān)管

基于“一張圖”，可以開展其他關(guān)注點(diǎn)位遙感監(jiān)管，如對(duì)河流水環(huán)境遙感監(jiān)管、敏感施工點(diǎn)位生態(tài)遙感監(jiān)管等。

(1)河流水環(huán)境遙感監(jiān)管。利用多時(shí)相遙感分析河流水環(huán)境前后變化情況，判斷工程對(duì)區(qū)域河流水質(zhì)的影響。根據(jù)河流水系分布，選取沿鐵路線典型河段水體，結(jié)合高分遙感影像，形成施工前后影像對(duì)比，示例如圖3。具體評(píng)估手段可以利用多光譜遙感反演典型河段水體懸浮物濃度，評(píng)估濃度變化。

圖2 典型高分二號(hào)遙感影像Fig.2 Typical GF-2 satellite images

圖3 典型河流點(diǎn)位圖像Fig.3 Typical river point GF-2 images

(2)其他點(diǎn)位遙感監(jiān)管。針對(duì)鐵路沿線部分隧道施工點(diǎn)造成地下水大量涌出的現(xiàn)象，開展多時(shí)相動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)，評(píng)估點(diǎn)位一定范圍內(nèi)的相關(guān)生態(tài)環(huán)境變化。具體評(píng)估手段可以是計(jì)算多光譜遙感的植被指數(shù)、生物物理參量的變化。

4 結(jié)論與展望

(1)目前常用的國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率可以滿足鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理關(guān)注目標(biāo)識(shí)別的要求，通過空間大范圍辨識(shí)施工過程中關(guān)注的各類目標(biāo)，全面系統(tǒng)掌握施工過程中的環(huán)境問題。目前常用的國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率可以滿足一年多次的監(jiān)測(cè)頻次，隨著未來可獲取數(shù)據(jù)的增多，可以以環(huán)境問題為導(dǎo)向，開展高分辨率常態(tài)化監(jiān)測(cè)監(jiān)理，定期利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)發(fā)現(xiàn)改善不明顯、新增的環(huán)境問題，保證環(huán)境問題調(diào)查結(jié)果的時(shí)效性，并對(duì)各工程環(huán)境整治、環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)行有效監(jiān)督管理。遙感調(diào)查結(jié)果與實(shí)地監(jiān)理結(jié)合起來，通過定期巡檢、抽檢，推動(dòng)工作的有效開展。

(2)高分衛(wèi)星遙感可在鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理中發(fā)揮重要作用，發(fā)揮遙感技術(shù)快速、客觀、大范圍的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境變化、“三同時(shí)”工程措施落實(shí)、工程臨時(shí)占地及生態(tài)恢復(fù)效果進(jìn)行綜合分析評(píng)估，極大地提高環(huán)境監(jiān)理能力和效果，為有效保護(hù)沿線獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境發(fā)揮積極作用。

(3)建議進(jìn)一步加強(qiáng)遙感定量化在鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理中的應(yīng)用，可以在施工對(duì)河流水質(zhì)擾動(dòng)、對(duì)植被水分脅迫的遙感反演等方面開展更多研究；探索建立鐵路施工期環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)、評(píng)價(jià)方法體系；開展沿線二次開發(fā)及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)研究，為做好鐵路綜合環(huán)境管理工作提供支撐。

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Research on High Resolution Remote Sensing Technology Application to Railway Environmental Supervision during the Construction Period

XIONG Wen-cheng1, LI Jing-rong1, NIE Yi-huang1, TU Wei-min2, ZHAI Fang-le3, WANG Dong-rui4

(1.Satellite Environment Application Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100094, China;2.Sichuan Environment & Engineering Appraisal Center, Chengdu 610093, China; 3.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environment Protection, Beijing 100012, China; 4.Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, China)

Railway construction project has many challenges, such as wide scope, huge quantities, long construction period, construction multi-body, and big environmental management difficulties. Based on the high resolution remote sensing data features and railway environment management demands during the construction period, this paper established environmental monitoring information “One Land Map”, which gave the railway construction an intuitive, macro, and objective presentation. The interpretation characteristics of high resolution remote sensing data were formed by comparing remote sensing images and ground pictures, and then the remote sensing monitoring on interested objects, remote sensing monitoring on acoustic environment sensitive points, remote sensing monitoring on human activities interference in ecological sensitive areas, and remote sensing monitoring on other concerned objects were carried out. The results showed that due to the advantages of fast, objective, and wide-ranged observation, remote sensing technology can greatly improve the capacity and effectiveness of environmental supervision, and will play an active role in protecting the ecological environment along the railway.

railway; construction period; environmental supervision; high resolution remote sensing

2016-02-16

熊文成(1981—)，男，江西豐城人，博士，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感工作，E-mail：21039037@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.012

X328

A

2095-6444(2017)02-0043-05