高分光學遙感影像在鐵路勘察中的應用及展望

任曉春，李 偉，王 瑋

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

在我國路網覆蓋擴大、功能結構優(yōu)化、既有路網質量提高等多重任務并舉和面向“一帶一路”國際通道建設、高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略不斷推進的背景下，高效完成鐵路勘察設計任務是提升我國鐵路勘察設計技術核心競爭力的重要途徑。當前鐵路勘察設計任務受各種環(huán)境因素的影響愈來愈多，急需提高鐵路勘察設計的定量化和精細化水平。由于高分光學遙感衛(wèi)星具有可視性好、時空分辨率與幾何定位精度高、技術實現(xiàn)性好等特點，因此有必要對目前高分光學遙感影像的發(fā)展及其在鐵路勘察設計領域的應用現(xiàn)狀進行梳理，并以提高勘察設計工作效率和質量為切入點對高分光學遙感影像鐵路勘察設計應用的趨勢進行展望與分析，以期提高我國鐵路勘察設計領域高分光學遙感的應用與系統(tǒng)化水平。

1 高分光學遙感的發(fā)展

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國先后發(fā)射了IKONOS、QuickBird、OrbView、Geoeye、WorldView等系列高分光學遙感衛(wèi)星，形成了空間分辨率為0.31～1 m、時間分辨率為1～3 d的對地觀測能力。且這些衛(wèi)星獲取的高分影像存檔數(shù)據(jù)可以追溯到2000年，在歷史地理信息獲取方面具有重要作用。截至目前，美國在軌運行5顆高分商業(yè)光學遙感衛(wèi)星，分別為Geoeye-1、WorldView-1/2/3/4，能夠在更短的時間內提供高光學解析度、高幾何精度的光學遙感影像[1]。美國商業(yè)光學遙感衛(wèi)星影像地面分辨率和立體成像能力不斷提高，直接定位精度顯著增強，設計理念和技術指標都在穩(wěn)步推進，確保了美國在高分光學遙感衛(wèi)星的領先地位。

法國光學遙感衛(wèi)星主要是SPOT系列衛(wèi)星，在軌運行的有SPOT 6/7和Pleiades-1A/B共4顆。SPOT 6/7衛(wèi)星在保留SPOT系列衛(wèi)星特點的基礎上將空間分辨率提升至1.5 m。Pleiades-1A/B則實現(xiàn)了更高的空間分辨率和觀測靈活性，其空間分辨率達0.5 m，并且在數(shù)據(jù)獲取模式方面也進行了重新設計。這4顆衛(wèi)星形成正交分布的星座，實現(xiàn)了對地觀測任意地點每天兩次重訪的高時間分辨率的特性，形成了大幅寬普查和特定目標區(qū)域詳查的工作模式，成為具有較高技術水準和較強競爭力的高分光學遙感星座[2]。俄羅斯的民用高分光學成像衛(wèi)星目前有3顆在軌運行，Resurs-DK1是該國1999年之后首次發(fā)射的地球觀測衛(wèi)星，其空間分辨率達1 m；Resurs-P系列衛(wèi)星是Resurs-DK1的后繼星座，空間分辨率進一步提高，具有較高的地面定位精度和精細化觀測能力[3]。以色列的EROS-A與EROS-B目前已形成對地觀測星座，在目標影像獲取能力、獲取頻率和獲取質量方面性能突出。印度逐步建立了多種分辨率相結合的遙感衛(wèi)星體系，其中Cartosat-2系列軍民兩用共6顆制圖衛(wèi)星，空間分辨率最高達0.64 m，組成了水平較高的遙感衛(wèi)星星座，形成了相當強大的對地觀測能力[4]。韓國目前擁有3顆高分對地觀測光學衛(wèi)星，分別是KOMPSAT-2/3/3A，空間分辨率在0.4～1 m之間，具有靈活的成像模式和數(shù)據(jù)獲取能力，保證了對地觀測的連續(xù)性，具有較高的利用價值[5]。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在“高分對地觀測系統(tǒng)”國家科技重大專項建設的推動下，我國高分光學遙感時空分辨率得到大幅提升，遙感服務能力明顯增強?！氨本┒枴泵裼蒙虡I(yè)遙感小衛(wèi)星星座(DMC3)是我國首個民用商業(yè)遙感系統(tǒng)，可提供覆蓋全球、空間和時間分辨率俱佳的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間信息產品?！凹忠惶枴眲t是我國第一套自主研發(fā)的商用遙感衛(wèi)星星座，目前包括一顆光學遙感衛(wèi)星和3顆視頻星，分辨率在0.72～1.13 m之間，具備常規(guī)推掃、大角度側擺、同軌立體等多種成像模式，具備開展多領域遙感應用的能力。2017年6月發(fā)射的珠海一號OVS-1A/B是“遙感微納衛(wèi)星星座”中的2顆1.98 m高分視頻衛(wèi)星，該衛(wèi)星星座預計在未來2～3年內部署完成，具有高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機動能力的特點[6]?！案叻忠惶枴?GF-1)和“高分二號”(GF-2)衛(wèi)星是我國高分對地觀測系統(tǒng)中的光學成像遙感衛(wèi)星，標志著中國遙感衛(wèi)星進入亞米級高分時代，與“高分專項”計劃中其他衛(wèi)星和觀測平臺的結合，構成了一個具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率能力的對地觀測系統(tǒng)?！案呔耙惶枴?SuperView-1)是由2顆空間分辨率為0.5 m的高分光學遙感衛(wèi)星組成的，這使得我國商業(yè)遙感數(shù)據(jù)水平進入國際一流行列[7]。

“天繪一號”(TH-1)實現(xiàn)了中國傳輸型立體測繪衛(wèi)星零的突破，空間分辨率為2 m，采用了基于網絡的高效無縫測圖技術和高精度控制定位技術?！百Y源三號”測繪衛(wèi)星(ZY-3)，則是一顆民用高分光學測繪衛(wèi)星，影像數(shù)據(jù)主要應用于地形圖制圖、高程建模及資源調查等，主要滿足1∶5萬比例尺立體測圖和1∶2.5萬比例尺地形圖更新需求，以及生產現(xiàn)勢性強、精度高的基礎地理信息產品[8]。

高分光學遙感影像基于影像少控制點或無控制點的高精度目標定位、立體測圖和變化監(jiān)測是目前的研究熱點，未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在進一步研究大成像孔徑、高空間分辨率、高精度和短周期的遙感衛(wèi)星星座的關鍵技術，以實現(xiàn)對地觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；發(fā)展智能星載數(shù)據(jù)處理、高精度幾何標定和精密定軌以及多源遙感影像復合立體測圖與定位技術，形成和實現(xiàn)高分光學遙感衛(wèi)星的規(guī)?；?、定量化的業(yè)務體系。

2 高分光學遙感影像在鐵路勘察設計中的應用

2.1 地理信息產品生產

高分光學遙感影像為鐵路勘察設計提供了豐富的數(shù)據(jù)源，在鐵路預可行性研究、可行性研究和初測等勘察設計階段日益發(fā)揮重要作用。文獻[9]利用WorldView-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分別在埃塞俄比亞、吉布提等鐵路勘察中進行工程實踐，結果表明通過合理布設外控點，高分衛(wèi)星遙感影像制圖精度和功能可以滿足鐵路勘察設計1∶2000地形圖要求。文獻[10]驗證了基于高分光學衛(wèi)星遙感影像進行大比例尺地形圖更新的方法可大幅減少外業(yè)工作量和生產成本。此外，相關研究人員針對不同高分光學遙感影像地形圖測制，DEM、DOM制作進行試驗驗證，分類比較了不同分辨率的光學遙感影像的制圖精度和制圖能力，為鐵路勘察設計進行遙感數(shù)據(jù)制圖生產提供了理論和試驗依據(jù)[11]。

高分光學遙感影像立體測圖在困難地區(qū)具有獨特的技術優(yōu)勢，如中鐵一院在阿富汗、莫桑比克、巴基斯坦等海外、偏遠工程項目中，受國家安全、經濟效益等影響，在傳統(tǒng)航空攝影測量無法實施的條件下，使用WorldView系列高分衛(wèi)星影像立體數(shù)據(jù)，完成了大比例尺航測制圖及地形圖更新工作，滿足了不同階段的鐵路勘察設計需求。相關成果如圖1所示。

2.2 鐵路地質勘察中的應用

遙感技術在鐵路沿線地質勘察中的地層巖性、地質構造、水文地質概況及不良地質的分布調查與解譯方面發(fā)揮著重要作用。文獻[12]利用高分QuickBird影像提供的豐富地質異常信息，研究了地質構造異常場在影像上的形態(tài)、色調、紋理及地質體在空間的對比關系特征，為認識地質構造提供了一個全新的視角；文獻[13]針對中吉烏鐵路工程勘察區(qū)域地質構造復雜、路線走廊方案比選困難的問題，采用高分遙感技術進行了地質構造解譯和特征分析，科學合理地確定了路線方案。中鐵一院利用高分遙感影像，以數(shù)據(jù)為核心貫穿于“遙感-協(xié)同-設計”勘察生命周期全系列工作流程，構建高分遙感平臺，對不良地質發(fā)育的空間形態(tài)、時間演化、發(fā)育特征等信息進行提取與分析，對提高工作效率，保障工程設計精度具有重要作用。相關研究成果如圖2所示。

鐵路地質勘察可利用包括高分光學遙感影像對線路區(qū)域進行區(qū)域斷裂構造帶、地質災害源進行解譯判定等。未來鐵路地質勘察將基于多源遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)多方位、多視角、多層次和動態(tài)觀測的工程地質勘察技術，最終達到精細化遙感地質調繪技術水平。

2.3 鐵路環(huán)境影響評價

鐵路環(huán)境影響評價針對鐵路沿線土地利用、植被覆蓋、水土流失等環(huán)境因素展開，克服了傳統(tǒng)地面環(huán)境調查難以全面、客觀、動態(tài)反映鐵路沿線環(huán)境狀態(tài)的問題。文獻[14]結合不同數(shù)據(jù)源的試驗驗證，說明了遙感數(shù)據(jù)源質量對生態(tài)評價應用的重要影響；文獻[15]研究構建了環(huán)境監(jiān)理信息“一張圖”的鐵路建設環(huán)境監(jiān)理評價系統(tǒng)，為鐵路綜合環(huán)境管理工作提供了技術支撐。中鐵一院依托“新建鐵路蘭渝線蘭州至廣元段生態(tài)環(huán)境調查”項目，研究形成了利用高分全色數(shù)據(jù)進行生態(tài)環(huán)境調查的相關成果，形成了一套在線路工程生態(tài)環(huán)境調查中的遙感技術應用體系。相關成果如圖3所示。

高分光學遙感衛(wèi)星已在鐵路環(huán)境影響評價中有了一定的研究和應用，需要繼續(xù)研究遙感信息快速提取和影像數(shù)據(jù)自動處理技術，加強實地生態(tài)測量與調查，實現(xiàn)靜態(tài)向動態(tài)評價模式的轉換，將鐵路環(huán)境評價納入鐵路整個運營周期的過程中，不斷提高鐵路環(huán)境評價的質量、時效性和動態(tài)性。

3 結論和展望

高分光學遙感衛(wèi)星在我國鐵路勘察設計領域還存在國外數(shù)據(jù)獲取費用高、制圖周期長、相關政策制約等因素，高分光學遙感影像相關研究與應用呈現(xiàn)離散化特點，系統(tǒng)化和業(yè)務化應用程度較低，數(shù)據(jù)共享與成果利用的規(guī)范化管理，深層化應用等方面存在不足。需要進一步結合鐵路勘察設計特點、總結明確業(yè)務需求，進一步提高鐵路勘察設計一體化、智能化水平。未來的研究重點包括適應于鐵路勘察設計特點的遙感影像高精度的處理和智能信息提取與解譯、業(yè)務應用體系構建等方面，從而形成高效的高分光學衛(wèi)星遙感鐵路勘察設計應用體系。