高鐵周邊環(huán)境的空天光學(xué)遙感監(jiān)測及特點分析

李穎婕，金偉其，裘 溯，張紫越，王 霞

（北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081）

當(dāng)前，我國擁有全球最大規(guī)模的高速鐵路（簡稱：高鐵）運輸網(wǎng)，根據(jù)《中國國家鐵路集團有限公司2020 年統(tǒng)計公報》顯示，截至2020 年末，我國高鐵營業(yè)里程達3.8 萬km，占鐵路運營總里程的1/4。我國高鐵線路的不斷開通運營，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展，也對高鐵外部環(huán)境安全保障工作提出了更高的要求[1]。然而，當(dāng)前我國高鐵外部環(huán)境的治理工作仍主要以人工排查方式進行，排查范圍大、隱患類型多、參與排查人數(shù)少等因素使得高鐵外部環(huán)境治理工作難以高效、客觀、全面地開展?？紤]到我國幅員廣闊，且有諸多路段處于人煙稀少的山區(qū)，列車運行易受周邊環(huán)境影響，除各種車載、地面安全監(jiān)測技術(shù)外，更廣域的周邊環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)十分必要。

空天光學(xué)遙感技術(shù)具有探測范圍廣、多信息綜合、周期性等特點，突破了常規(guī)地面探測對人力消耗嚴重、受地理政治因素制約等局限性，通常用于重要活動、大型賽事中的地面安全監(jiān)控，或為自然災(zāi)害[2]（如圖1 所示）與公共安全事件提供監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。作為高鐵周邊地面監(jiān)測的重要補充手段，空天光學(xué)遙感技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。本文將在分析當(dāng)前空天光學(xué)遙感及其地面安全監(jiān)測應(yīng)用的基礎(chǔ)上，分析其用于高鐵周邊安全監(jiān)測的需求與特點。

圖1 基于無人機遙感影像的滑坡分析[3]

1 空天光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)用

空天光學(xué)遙感技術(shù)按照遙感器搭載平臺的不同，分為以航空器為平臺的空基遙感技術(shù)和以航天器為平臺的天基遙感技術(shù)。2005 年，在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》中確立發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機和平流層飛艇的高分辨率對地觀測系統(tǒng)以來，我國空天遙感技術(shù)逐步邁入國際一流水平。無人機遙感系統(tǒng)在民用市場也得到廣泛應(yīng)用，消費級無人機大量普及，并在大型、集會型活動中輔助安防工作；浮空器遙感系統(tǒng)以政府牽頭研發(fā)為主，民用方面承擔(dān)大型賽事、博覽會的全天候監(jiān)控工作，軍用方面則主要進行長期邊境監(jiān)控；以光學(xué)成像衛(wèi)星為主的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)在政策支持下加快了商業(yè)化腳步，軍民融合的天基遙感系統(tǒng)推動了遙感數(shù)據(jù)的商業(yè)化普及，在國民生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文的地面環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)用主要指重大活動安全監(jiān)控、自然災(zāi)害監(jiān)測及國民經(jīng)濟建設(shè)情況監(jiān)測等。

隨著空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，空基、天基遙感探測呈現(xiàn)“三全”（全天候、全天時、全球觀測）、“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率）、“三多”（多平臺、多傳感器、多角度）的發(fā)展趨勢[4]。

1.1 空基光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)用

空基遙感平臺飛行高度通常在80 km 以下，以無人機和浮空器為主，相比地面探測，其受地理條件限制小且彌補了天基遙感機動性差、易受云層遮擋影響的不足，響應(yīng)速度快、部署時間短、滯空時間長，可在短時間內(nèi)對特定區(qū)域進行全天候?qū)崟r探測，常用于大型活動和敏感地區(qū)的環(huán)境安全監(jiān)測工作。

1.1.1 無人機遙感系統(tǒng)

隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、無刷電機、數(shù)字模式無線電等技術(shù)的發(fā)展，無人機作為一種由無線電或自備程序控制的無人駕駛航空器[5]迅速向民用領(lǐng)域擴展，逐漸成為衛(wèi)星、有人駕駛飛機遙感的有效補充手段[6]。2010 年后，以大疆創(chuàng)新公司為代表的新興技術(shù)公司將無人機推向消費級市場，擴大了民用無人機在行業(yè)的主導(dǎo)地位。

無人機光學(xué)遙感是在無人機技術(shù)基礎(chǔ)上形成的新型航空遙感系統(tǒng)[7]，搭載小型集成式遙感器，實現(xiàn)機動靈活、實時傳輸、全天候的遙感探測。由于無人機光學(xué)遙感系統(tǒng)分辨率高、操作方便，能夠在保護人員安全的同時獲取更全面、有效的信息，輔助進行安全管控和應(yīng)急處理，廣泛用于聚集性活動監(jiān)控或固定線路巡視與跟蹤。2016 年，杭州G20 峰會現(xiàn)場采用配有高清攝像頭的警用無人機實時觀察周邊動態(tài)；2019 年，美國超級碗現(xiàn)場采用大疆 M200無人機連接到具有供電能力的系留基站，對比賽現(xiàn)場進行空中監(jiān)控，如圖2 所示[8]，該無人機飛行高度約為100 m，能夠?qū)χ苓叞霃?.5 km 的區(qū)域進行數(shù)小時的實時監(jiān)控。

圖2 系留無人機遙感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 浮空器遙感系統(tǒng)

浮空器是一種效費比高、負載能力強、可長期駐空的遙感探測平臺。通過搭載可見光高清相機、紅外相機、雷達等設(shè)備，浮空器可對某一區(qū)域進行長期數(shù)據(jù)采集，相比無人機安全性更強。按照飛行高度的不同，浮空器分為最高飛行高度為8 km 的中低空浮空器和飛行在20～100 km 的臨近空間高空浮空器[6]。

由于無需消耗能源克服自重，浮空器具有更強的搭載能力，駐空時間最長可達幾十天，能進行24 h無間斷探測，浮空器遙感系統(tǒng)與無人機相比更適用于長期、大范圍、全天候的地面安全監(jiān)測。此外，浮空器遙感系統(tǒng)探測范圍更大，例如，駐空高度300 m 的小型機動式系留浮空器可觀測范圍約20 km，駐空高度4 000 m 的大中型系留浮空器的觀測范圍則擴大到半徑350 km 的區(qū)域[9]。

當(dāng)前，各國對于中低空浮空器的研發(fā)已相對成熟。2010 年，上海世博會采用中國電科集團研制的“天眼”車載系留浮空器系統(tǒng)進行世博會監(jiān)視預(yù)警工作[10]，如圖3 所示。系統(tǒng)由氦氣車、通信測控車、錨泊車和容量達1 600 m3的氣球4 部分組成，可抵抗8級臺風(fēng)與雷暴，并搭載4 臺可見光高清攝像機、1 臺紅外相機和1 臺高光譜相機，可對16 km2的區(qū)域進行全方位、全天候監(jiān)控。

圖3 中國電科“天眼”浮空器

1.2 天基光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測應(yīng)用

天基遙感作為現(xiàn)代遙感技術(shù)發(fā)展最強勢的領(lǐng)域，以人造衛(wèi)星等航天器為平臺搭載可見光、紅外、微波等多種遙感器來實現(xiàn)對地觀測。其軌道高度通常在幾百公里，具有探測范圍廣、探測周期短、不受地理政治因素限制等特點，可用于地面長期動態(tài)監(jiān)測。

1.2.1 光學(xué)成像衛(wèi)星

遙感衛(wèi)星按照工作波段可分為光學(xué)與雷達衛(wèi)星，其中，光學(xué)成像衛(wèi)星以可見光、近紅外光、短波紅外光和熱紅外波段為工作波段，由于波長比微波短、光譜波段信息豐富，可獲取高質(zhì)量、高空間分辨率的影像，有利于分析地物的光譜特征與空間特征。根據(jù)美國憂思科學(xué)家聯(lián)盟（UCS）的數(shù)據(jù)，截至2018 年11 月底，各國現(xiàn)存的遙感衛(wèi)星中光學(xué)成像衛(wèi)星占比第一[11]，是當(dāng)前天基遙感發(fā)展的主要方向。

隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，光學(xué)成像衛(wèi)星空間分辨率從米級全面進入亞米級。2010 年我國啟動高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項，全面提升了對地觀測衛(wèi)星技術(shù)水平，為我國發(fā)展建設(shè)提供了高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)支持。此外，自2014 年我國發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新重點領(lǐng)域投融資機制鼓勵社會投資的指導(dǎo)意見》，鼓勵民間資本研制、發(fā)射和運營商業(yè)遙感衛(wèi)星以來，商業(yè)遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，通過小衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)可形成大覆蓋范圍、高分辨率、快速響應(yīng)的對地觀測系統(tǒng)。

1.2.2 光學(xué)衛(wèi)星遙感系統(tǒng)

光學(xué)衛(wèi)星遙感系統(tǒng)由于部署在地球同步或太陽同步軌道，可進行大范圍的地面環(huán)境探測，在壽命期間內(nèi)，可周期性獲取地面探測數(shù)據(jù)，有利于對區(qū)域長期發(fā)展變化的監(jiān)測。同時，隨著小衛(wèi)星星座的成功部署，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在空間、時間分辨率上與空基遙感系統(tǒng)的差距逐漸縮短，其數(shù)據(jù)源穩(wěn)定、數(shù)據(jù)類型豐富、數(shù)據(jù)覆蓋周期長的優(yōu)勢凸顯。

2020 年初，為抗擊新冠，武漢市成立聯(lián)合工作組，使用高分二號、吉林一號、Pleiades 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)情況進行監(jiān)測分析，并利用珠海一號高光譜衛(wèi)星收集的周邊水域影像數(shù)據(jù)，分析施工過程對周邊水質(zhì)的影響情況，同時，公開遙感監(jiān)測影像，讓建設(shè)進度透明化，對穩(wěn)定社會情緒起到了重要作用[12]。2020 年3 月5 日四川攀枝花森林火災(zāi)和3 月29 日云南南澗森林火災(zāi)后，相關(guān)部門根據(jù)珠海一號高光譜遙感數(shù)據(jù)對災(zāi)前、災(zāi)后影像對比反演[13]，進行過火區(qū)識別與火燒跡地制圖，為火情監(jiān)測工作提供數(shù)據(jù)支持。多元、多層次、全方位的高分辨率遙感數(shù)據(jù)在經(jīng)濟建設(shè)、民生發(fā)展、國防安全等領(lǐng)域的監(jiān)測分析方面日益發(fā)揮重要作用。

2 高鐵周邊安全保障的空天光學(xué)遙感監(jiān)測技術(shù)分析

分析全國各鐵路局集團公司統(tǒng)計的高鐵外部環(huán)境事故數(shù)據(jù)[14]可知，自然災(zāi)害預(yù)測監(jiān)測和安全隱患排查治理是高鐵外部環(huán)境治理的重點工作需求。傳統(tǒng)的高鐵安全監(jiān)測手段以大量鋪設(shè)地面監(jiān)控設(shè)備為主，監(jiān)測范圍有限，部署成本過高?？仗旃鈱W(xué)遙感技術(shù)能夠填補復(fù)雜環(huán)境與隧道外部難以人工排查的缺陷[15]，從空天視角為安全防范提供更客觀、準確、及時的信息。

2.1 應(yīng)用需求與方法

2.1.1 應(yīng)用需求

建立高鐵周邊安全的空天地保障系統(tǒng)，需要滿足對高鐵周邊既有地質(zhì)災(zāi)害篩查和典型隱患識別的需求。以彩鋼瓦、塑料大棚和防塵網(wǎng)為例，其尺度從幾米到幾十米不等。彩鋼瓦房頂部的單片彩鋼瓦寬度約1 m，常見的活動房最小規(guī)格標準為5.62 m×3.80 m，通用塑料溫室大棚建造的最佳規(guī)模為跨度（短邊）8～10 m，工地中常見的蓋土防塵網(wǎng)單卷的寬度為6～8 m，為使目標在遙感影像中能夠清晰成像，衛(wèi)星影像分辨率需要達到亞米級，必要時使用空基光學(xué)遙感影像進行輔助分析。

2.1.2 應(yīng)用方法

目前，公開的全色影像可達到0.5 m 的地面分辨率，但多光譜影像的分辨率尚未進入亞米級，從多光譜信息有利于目標檢測的角度考慮，傳統(tǒng)方法通常結(jié)合全色圖像進行多光譜遙感圖像的全色銳化增強處理，如圖4 所示。隨著人工智能的發(fā)展和應(yīng)用，使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠?qū)W習(xí)影像的隱形特征，進一步提升遙感影像的分辨率，充分結(jié)合全色圖像的高分辨率和多光譜的光譜信息，提高目標的探測和識別能力。

圖4 多光譜與全色遙感圖像及其融合圖像的比較（Landsat8 影像）

面對具體的應(yīng)用需求，空天光學(xué)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用部署也應(yīng)有所不同。

（1）在常態(tài)化監(jiān)測任務(wù)中，以衛(wèi)星監(jiān)測為主，通過定期回訪，動態(tài)分析高鐵周邊變化情況，對重點區(qū)域，可配合無人機和地面監(jiān)控系統(tǒng)進行全方位安全監(jiān)測；

（2）在重大活動等特殊任務(wù)中，為保證實時獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，提供全天候高鐵周邊安全保障，可部署浮空器進行特定區(qū)域長時間駐空監(jiān)測，并聯(lián)合地面安全保障部門進行隱患及時排查處理與應(yīng)急指揮工作。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.2.1 自然災(zāi)害預(yù)測監(jiān)測

現(xiàn)在，軒軒上了幼兒園，他的身體還真強壯了很多，不再經(jīng)常生病，也愿意去幼兒園，就是脾氣太難琢磨了。有時他跟小朋友玩得正高興，突然就沒來由地推別人一下、抓別人一把、跺別人一腳。我們真的很納悶：寶寶的身體不招病了，不會是心理又出問題了吧？

我國山地面積較大，山區(qū)地勢復(fù)雜、偏僻，易發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害[16]，是導(dǎo)致高鐵事故的最主要原因?？仗旃鈱W(xué)遙感技術(shù)可不受地理因素限制對外部環(huán)境進行大范圍監(jiān)測，在自然災(zāi)害預(yù)防、災(zāi)情發(fā)展檢測、災(zāi)后評估方面發(fā)揮重要作用。

（1）在自然災(zāi)害預(yù)防方面，地質(zhì)類災(zāi)害的孕育、形成與發(fā)生往往與其所處環(huán)境的地質(zhì)情況有關(guān)[17]。因此，利用高分辨率衛(wèi)星影像對災(zāi)害易發(fā)區(qū)進行周期性地質(zhì)變化監(jiān)測，根據(jù)地面光譜、地形信息，反演地表形變信息[18]，評估高風(fēng)險區(qū)域，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，為應(yīng)急處置與調(diào)度指揮提供預(yù)警信息。

（2）在災(zāi)情發(fā)展檢測方面，根據(jù)衛(wèi)星影像檢測的災(zāi)情位置，啟動空天地結(jié)合的應(yīng)急救援系統(tǒng)，由地面中心派遣無人機到災(zāi)情點進行實時災(zāi)情監(jiān)測，并配合通信、導(dǎo)航衛(wèi)星進行視頻回傳，及時反饋災(zāi)情信息，輔助救援指揮工作。

（3）在災(zāi)后評估方面，通過對比災(zāi)前、災(zāi)后衛(wèi)星遙感影像，分析受災(zāi)區(qū)域與災(zāi)情發(fā)展軌跡，能夠有效評估災(zāi)情信息，為相關(guān)部門后續(xù)救災(zāi)與恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 安全隱患排查治理

高鐵周邊影響運營安全的安全隱患類型繁多，包括彩鋼瓦房、危樹等隱患地物[19]，違法違規(guī)侵占、施工等情況。傳統(tǒng)人工排查方式客觀性差、排查效率低，基于空天光學(xué)遙感技術(shù)采集沿線大范圍高分辨率影像可全面獲取高鐵周邊環(huán)境信息，探測范圍廣。安全隱患排查治理可分為隱患智能識別、預(yù)警排查、動態(tài)回訪、事故定責(zé)4 部分，如圖5 所示。

圖5 安全隱患排查治理功能設(shè)計

（1）隱患智能識別

結(jié)合隱患空間與光譜特征，選取相應(yīng)波段的高分辨率遙感影像，使用人工智能技術(shù)進行遙感影像增強，通過典型隱患地物標注建立隱患地物數(shù)據(jù)庫，采用人工智能目標識別技術(shù)，對隱患地物進行智能識別，并使用GIS 技術(shù)對隱患信息進行統(tǒng)計分析，從而建立隱患智能識別系統(tǒng)，實現(xiàn)高鐵周邊隱患快速識別。

（2）預(yù)警排查

根據(jù)地物位置范圍，劃分隱患風(fēng)險等級，針對高風(fēng)險區(qū)域，部署地面監(jiān)控設(shè)備并聯(lián)合相關(guān)部門進行重點監(jiān)控，分析隱患發(fā)展演變趨勢；針對已發(fā)生侵占事實的情況，由相關(guān)人員進行實地排查制止。

（3）動態(tài)回訪

在排查工作后，利用遙感衛(wèi)星可對任意地點周期性回訪的特點，對排查情況進行定期監(jiān)測，及時了解新增或復(fù)發(fā)情況，有效提高隱患處理效率。

（4）事故定責(zé)

在侵限事故或違法情況發(fā)生后，存儲的前期遙感影像數(shù)據(jù)，可作為有效憑證清晰判定事故責(zé)任，確定責(zé)任主體，輔助執(zhí)法人員進行相關(guān)處罰。

3 結(jié)束語

本文從當(dāng)前高鐵周邊安全保障工作需求出發(fā)，為解決地面監(jiān)測局限性大、效率低的問題，結(jié)合空天光學(xué)遙感系統(tǒng)的探測特點與地面監(jiān)測應(yīng)用，從應(yīng)用需求與應(yīng)用方法兩方面，分析了空天光學(xué)遙感技術(shù)在高鐵周邊安全保障工作中的應(yīng)用前景，為空天光學(xué)遙感技術(shù)在鐵路安全工作中的應(yīng)用提供了新思路。

隨著空天技術(shù)在領(lǐng)域重大難題上的突破，為完善高分辨率對地觀測體系，我國空天光學(xué)遙感系統(tǒng)將向標準化、集成化、智能化發(fā)展，建立空天地協(xié)同[20]的全天候、全時空、全要素安全保障體系成為必然趨勢。高鐵運營安全作為經(jīng)濟、社會穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，未來應(yīng)充分利用遙感大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，探索與空天光學(xué)遙感技術(shù)更深入、更全面的結(jié)合。