高分專(zhuān)項(xiàng)系列衛(wèi)星在鐵路全生命周期應(yīng)用探討

文 | 李平蒼

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

一、高分系列衛(wèi)星主要參數(shù)和服務(wù)領(lǐng)域

中國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“高分專(zhuān)項(xiàng)”）是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》部署的16個(gè)重大科技專(zhuān)項(xiàng)之一，是我國(guó)重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。目前高分系列衛(wèi)星已全部發(fā)射并投入使用，覆蓋了從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到雷達(dá)，從太陽(yáng)同步到地球同步軌道等多種類(lèi)型，構(gòu)成了一個(gè)具有“高空間分辨率、高光譜分辨率、高定位精度和機(jī)動(dòng)能力”的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。

高分一號(hào)衛(wèi)星是高分專(zhuān)項(xiàng)的首發(fā)星，能夠?yàn)閲?guó)土資源部門(mén)、農(nóng)業(yè)部門(mén)、環(huán)境保護(hù)部門(mén)提供高精度、寬范圍的空間觀測(cè)服務(wù)，在地理測(cè)繪、海洋和氣候氣象觀測(cè)、水利和林業(yè)資源監(jiān)測(cè)、城市和交通精細(xì)化管理、疫情評(píng)估與公共衛(wèi)生應(yīng)急、地球系統(tǒng)科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。高分二號(hào)衛(wèi)星主要用戶(hù)為自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部和國(guó)家林業(yè)和草原局等部門(mén)。高分三號(hào)衛(wèi)星主要服務(wù)于海洋、災(zāi)害、水利、氣象等領(lǐng)域，為海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海洋權(quán)益維護(hù)和應(yīng)急防災(zāi)等提供重要技術(shù)支持。高分四號(hào)衛(wèi)星主要應(yīng)用于環(huán)保、海洋、農(nóng)業(yè)、水利等行業(yè)，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、林火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地震構(gòu)造信息提取、氣象天氣監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。高分五號(hào)衛(wèi)星是世界首顆實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣和陸地綜合觀測(cè)的全譜段高光譜衛(wèi)星，在環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源調(diào)查和氣候變化研究等方面發(fā)揮重要作用。高分六號(hào)衛(wèi)星是一顆低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，主要用于對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草原等資源監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)等重大需求提供遙感數(shù)據(jù)支撐。高分七號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)首顆民用亞米級(jí)光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，在高分辨率立體測(cè)圖、國(guó)土測(cè)繪、城鄉(xiāng)建設(shè)、統(tǒng)計(jì)調(diào)查等方面發(fā)揮重要作用。

二、我國(guó)鐵路建設(shè)基本程序

截至2021 年底，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程突破15萬(wàn)千米，其中高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破4 萬(wàn)千米，穩(wěn)居世界第一，基本形成布局合理、覆蓋廣泛、層次分明、安全高效的鐵路網(wǎng)絡(luò)。鐵路作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，是拉動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的“火車(chē)頭”，帶動(dòng)了中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，我國(guó)近些年高速鐵路的迅速發(fā)展為人們的出行、物資的運(yùn)輸帶來(lái)了極大的便利，中國(guó)高鐵已成為享譽(yù)世界的“中國(guó)名片”。我國(guó)鐵路基本建設(shè)程序一般分為四個(gè)階段：立項(xiàng)決策階段、設(shè)計(jì)階段、工程實(shí)施階段和竣工驗(yàn)收階段。按照我國(guó)鐵路從無(wú)到有的全壽命周期考慮，鐵路的整個(gè)生命周期可分為規(guī)劃與勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)三個(gè)階段。

研究如何將高分系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)充分應(yīng)用于我國(guó)鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的各個(gè)階段，對(duì)于進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星的應(yīng)用價(jià)值、提升中國(guó)高鐵技術(shù)水平、促進(jìn)國(guó)家高新技術(shù)融合發(fā)展都具有十分重要的意義。

三、高分系列衛(wèi)星在鐵路全生命周期的應(yīng)用場(chǎng)景

1.鐵路規(guī)劃與勘察設(shè)計(jì)階段

（1）制作中比例尺影像地形圖

鐵路建設(shè)項(xiàng)目不同階段用圖種類(lèi)不同，在進(jìn)行鐵路網(wǎng)規(guī)劃和項(xiàng)目預(yù)可行性研究階段一般需要在1∶50000、1∶100000 等中比例尺地形圖上進(jìn)行選線，由于申請(qǐng)國(guó)家相應(yīng)基本比例尺地形圖需要辦理申請(qǐng)手續(xù)且需要較長(zhǎng)的周期，可以利用高分一號(hào)、二號(hào)及滿(mǎn)足影像分辨率要求的其他高分影像數(shù)據(jù)，結(jié)合SRTM、GDEM 等全球公共DEM 數(shù)據(jù)制作1∶50000、1∶100000等中比例尺的影像地形圖，用于鐵路選線，滿(mǎn)足鐵路項(xiàng)目前期方案研究的需要。圖1 為利用高分一號(hào)衛(wèi)星影像及公共數(shù)據(jù)制作的1∶50000 比例尺影像地形圖。

圖1 1:50000 影像地形圖

（2）制作鐵路遙感專(zhuān)題圖

鐵路遙感專(zhuān)題圖是以遙感影像作為底圖，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、專(zhuān)題信息數(shù)據(jù)等分類(lèi)集成，進(jìn)行圖面設(shè)計(jì)配圖，著重表示一種或多種鐵路相關(guān)信息的影像圖。鐵路勘察設(shè)計(jì)階段，線路、站場(chǎng)、地質(zhì)、橋梁、環(huán)保等專(zhuān)業(yè)一般會(huì)通過(guò)專(zhuān)題圖的形式展示線路方案走向、車(chē)站分布、地質(zhì)礦產(chǎn)情況、環(huán)保及水源保護(hù)區(qū)分布等，常見(jiàn)的專(zhuān)題圖有路網(wǎng)規(guī)劃圖、線路平縱斷面縮圖、鐵路地理位置示意圖、環(huán)保示意圖等，鐵路遙感專(zhuān)題圖的比例尺依據(jù)線路長(zhǎng)度、圖幅大小等因素確定，比例尺可能會(huì)從一萬(wàn)至百萬(wàn)，對(duì)于影像分辨率的要求比較寬，可以根據(jù)專(zhuān)題圖的比例尺和項(xiàng)目特點(diǎn)選擇適宜的高分系列影像數(shù)據(jù)。

（3）鐵路三維虛擬踏勘

鐵路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，在航空攝影開(kāi)展前，可利用高分一號(hào)、二號(hào)、六號(hào)、七號(hào)等衛(wèi)星影像、公共DEM 數(shù)據(jù)、線路方案及地理矢量等數(shù)據(jù)制作鐵路線路沿線大范圍三維地形場(chǎng)景，能夠形象展示線路方案沿線的三維地形地貌情況，可以輔助專(zhuān)業(yè)人員室內(nèi)三維虛擬踏勘，進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少現(xiàn)場(chǎng)踏勘的頻次，還可用于線路方案的三維展示和匯報(bào)。圖2 為利用高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作的鐵路沿線三維地形場(chǎng)景。

圖2 鐵路三維地形場(chǎng)景

（4）測(cè)繪1∶10000 比例尺地形圖

高分七號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)首顆民用亞米級(jí)光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，影像分辨率優(yōu)于0.8m，其上搭載了激光測(cè)高儀，用于廣義稀疏控制點(diǎn)測(cè)量，對(duì)立體線陣測(cè)繪相機(jī)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行高程誤差修正，提高了立體圖像的高程精度，滿(mǎn)足在少量控制點(diǎn)條件下實(shí)現(xiàn)1∶10000 精度立體測(cè)圖的需求。目前高分七號(hào)衛(wèi)星立體影像數(shù)據(jù)已覆蓋中國(guó)絕大部分地區(qū)，基本可以滿(mǎn)足我國(guó)鐵路項(xiàng)目1∶10000 比例尺地形圖的成圖需要。

我國(guó)鐵路項(xiàng)目在勘察設(shè)計(jì)階段需要的1∶10000和1∶2000 等大比例尺地形圖多數(shù)是通過(guò)航空攝影測(cè)量的方式完成，對(duì)于一個(gè)大中型鐵路項(xiàng)目一般會(huì)開(kāi)展兩次航空攝影，首次航空攝影是在鐵路項(xiàng)目初測(cè)前進(jìn)行，利用大幅面數(shù)碼航攝儀獲取線路方案（含比較線）不少于6km（考慮1∶10000 圖成圖范圍）寬度，分辨率優(yōu)于0.2m 的數(shù)碼影像，完成線路沿線的1∶10000 和1∶2000 數(shù)字地形圖；第二次航空攝影一般在鐵路項(xiàng)目定測(cè)階段進(jìn)行，利用機(jī)載激光雷達(dá)獲取線路方案1km 范圍的激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，主要是為完成定測(cè)階段橫斷面、工點(diǎn)地形等測(cè)繪工作。高分七號(hào)衛(wèi)星立體影像在鐵路1∶10000地形圖的應(yīng)用，可以改進(jìn)以往鐵路項(xiàng)目的航飛作業(yè)模式，在航空攝影時(shí)不用再考慮1∶10000 地形圖的成圖要求，這樣可以大幅縮小航空攝影的寬度，筆者認(rèn)為綜合考慮初定測(cè)各項(xiàng)成圖工作的需要，可以將兩次航空攝影改為一次，主要作業(yè)模式如下：在鐵路項(xiàng)目初測(cè)前利用高分七號(hào)衛(wèi)星立體影像完成線路1∶10000 地形圖，初測(cè)時(shí)各專(zhuān)業(yè)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查在1∶10000 地形圖上進(jìn)行方案優(yōu)化，待方案基本穩(wěn)定后利用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行一次航空攝影獲取線路沿線激光點(diǎn)云和影像，考慮方案后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整的需要，可以按照線路方案2km 的寬度進(jìn)行航飛，這樣既能滿(mǎn)足初測(cè)階段1∶2000 地形圖成圖需要，又能滿(mǎn)足后續(xù)項(xiàng)目定測(cè)階段橫斷面、工點(diǎn)地形等測(cè)繪工作要求。這種方式不僅會(huì)節(jié)省航飛費(fèi)用，還會(huì)縮短航飛周期，提高鐵路項(xiàng)目勘測(cè)效率。

（5）鐵路地質(zhì)遙感解譯

鐵路工程沿線的地質(zhì)狀況對(duì)于安全運(yùn)營(yíng)十分重要，在鐵路項(xiàng)目勘察階段一定要探測(cè)清楚，在艱險(xiǎn)山區(qū)更為重要，選線時(shí)要確保線路有效避開(kāi)滑坡、崩塌、沉降漏斗等不良地質(zhì)區(qū)域，這就是所謂的地質(zhì)選線，它對(duì)鐵路線路方案的可行性、工程設(shè)置以及安全運(yùn)營(yíng)等起到至關(guān)重要的作用。在鐵路選線過(guò)程中通過(guò)將不同波譜信息的多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理分析，綜合判釋?zhuān)梢杂行П孀R(shí)出滑坡、崩塌等不良地質(zhì)（如圖3 所示），為鐵路選線提供參考，輔助線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。高分系列衛(wèi)星可以獲取多個(gè)波段的遙感數(shù)據(jù)，如高分二號(hào)、三號(hào)、五號(hào)衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)波譜范圍涵蓋微波、紅外光、近紅外光、可見(jiàn)光等，讓地質(zhì)遙感解譯完全采用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)成為可能。

圖3 某鐵路項(xiàng)目滑坡、崩塌解譯

2.鐵路施工建設(shè)階段

（1）鐵路建設(shè)階段的環(huán)境監(jiān)測(cè)

當(dāng)前“綠水青山就是金山銀山”理念深入人心，人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)。鐵路施工建設(shè)過(guò)程中如果防護(hù)不當(dāng)會(huì)破壞沿線自然風(fēng)貌，造成水土流失和環(huán)境污染。鐵路項(xiàng)目線路長(zhǎng)，一般穿越多個(gè)地區(qū)，沿線地形復(fù)雜、交通不便，單靠人工現(xiàn)場(chǎng)巡查，很難全面真實(shí)掌握沿線環(huán)境狀況，而高分衛(wèi)星影像具有探測(cè)范圍廣、影像分辨率高、重訪周期短、限制條件少等特點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)地面環(huán)境巡查不足、環(huán)境監(jiān)管不全面的缺點(diǎn)。基于高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立環(huán)境遙感監(jiān)管“一張圖”，通過(guò)多期遙感數(shù)據(jù)智能環(huán)境變化識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程周邊環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，基于“一張圖”能夠全面動(dòng)態(tài)掌握鐵路項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的土地占用、施工便道、臨時(shí)占地、取棄土場(chǎng)、植被破壞與恢復(fù)等情況，做到對(duì)工程環(huán)境狀況“一覽無(wú)遺”，大幅提升鐵路工程施工建設(shè)階段環(huán)境問(wèn)題整治、環(huán)境保護(hù)工作監(jiān)督管理的信息化水平、能力和效果。

（2）鐵路三維電子沙盤(pán)

近幾年三維電子沙盤(pán)在鐵路工程建設(shè)管理中的應(yīng)用增多，與傳統(tǒng)實(shí)體沙盤(pán)相比更具有實(shí)用價(jià)值。鐵路三維電子沙盤(pán)是在鐵路勘察設(shè)計(jì)三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成了鐵路路基、橋梁、隧道等模型及其他相關(guān)數(shù)據(jù)并具有空間分析功能的三維可視化信息系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度三維形象展示管理（如圖4所示）、工點(diǎn)施工模擬仿真、施工便道三維設(shè)計(jì)、大臨工程選址等功能，有效輔助施工建設(shè)和管理，提升鐵路建設(shè)管理的信息化水平。高分二號(hào)、七號(hào)衛(wèi)星影像分辨率優(yōu)于1m，可用作電子沙盤(pán)的三維地形場(chǎng)景，由于衛(wèi)星重訪周期短，能夠滿(mǎn)足鐵路施工過(guò)程中沿線地形場(chǎng)景經(jīng)常性更新的需要。

圖4 電子沙盤(pán)施工進(jìn)度展示

3.鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

（1）基于遙感的鐵路外部風(fēng)險(xiǎn)源智能監(jiān)測(cè)

高速鐵路速度快，運(yùn)行平穩(wěn)舒適，乘車(chē)體驗(yàn)愉悅，得到廣大乘客的一致認(rèn)可，但高鐵之所以能夠快速、平穩(wěn)、安全運(yùn)營(yíng)與運(yùn)維保障息息相關(guān)。鐵路周邊存在大量人類(lèi)活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生威脅鐵路正常運(yùn)營(yíng)的隱患風(fēng)險(xiǎn)，如鐵路沿線的彩鋼瓦房、塑料大棚、取土挖沙、違法施工等，鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)定期會(huì)對(duì)鐵路周邊一定范圍內(nèi)開(kāi)展巡視和隱患排查，但完全依靠人工現(xiàn)場(chǎng)巡查很難做到面面俱到，近兩年因彩鋼瓦、塑料薄膜等侵入到高鐵線路導(dǎo)致停車(chē)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給人們正常出行帶來(lái)較大影響。基于衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航攝、深度學(xué)習(xí)與移動(dòng)智能巡檢相結(jié)合的天空地一體化技術(shù)，建立高鐵外部風(fēng)險(xiǎn)源遙感智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，具有風(fēng)險(xiǎn)源變化的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)源的信息化管理、移動(dòng)智能巡檢等功能，實(shí)現(xiàn)路外環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的詳細(xì)建檔—智能監(jiān)測(cè)—發(fā)現(xiàn)復(fù)核—處置銷(xiāo)號(hào)的信息化閉環(huán)管理，真正從技術(shù)手段上做好高鐵沿線風(fēng)險(xiǎn)源的管控工作，確保高鐵安全運(yùn)營(yíng)。高分二號(hào)、高分七號(hào)等高分衛(wèi)星可以定期獲取鐵路沿線的高分辨率影像數(shù)據(jù)，為定期進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源變化檢測(cè)識(shí)別提供遙感數(shù)據(jù)支撐。

（2）鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)

我國(guó)位于亞洲大陸東部，瀕臨太平洋，季風(fēng)氣候顯著，疆域遼闊，地形復(fù)雜，具有多樣的氣候類(lèi)型，地質(zhì)災(zāi)害多樣頻發(fā)。鐵路一般跨越不同的自然和地理區(qū)域，鐵路周邊如果發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害勢(shì)必影響鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，鐵路運(yùn)維管理部門(mén)會(huì)定期對(duì)沿線地質(zhì)災(zāi)害（如洪澇、坍塌、泥石流等）情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查和評(píng)估。利用高分遙感影像開(kāi)展沿線地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別解譯具有非常重要的意義，可以進(jìn)行大范圍災(zāi)害普查，定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握鐵路沿線災(zāi)害變化情況，重點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)確認(rèn)，能夠大幅減少野外工作量，提高災(zāi)害調(diào)查防治效率，提升鐵路運(yùn)維管理水平。

四、結(jié)論與展望

高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)已在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)、水利、國(guó)土、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，在鐵路行業(yè)的應(yīng)用也已涉及鐵路項(xiàng)目前期規(guī)劃研究、勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期，但目前高分衛(wèi)星在鐵路領(lǐng)域研究應(yīng)用的深度不夠，在影像制圖、地形圖測(cè)繪等方面應(yīng)用較多，在鐵路施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的應(yīng)用還處于探索階段，應(yīng)用還不夠充分。筆者認(rèn)為高分系列衛(wèi)星遙感在鐵路行業(yè)應(yīng)用不充分的主要原因有兩個(gè)方面：一方面是高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)最高影像分辨率為0.8m，與國(guó)外高分衛(wèi)星有差距，影像分辨率還需進(jìn)一步提高；數(shù)據(jù)獲取的靈活性與提供服務(wù)的及時(shí)性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。另一方面是高分衛(wèi)星遙感在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用研究的投入不足。隨著國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星影像分辨率的進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)獲取能力的進(jìn)一步提升，以及應(yīng)用研究力度的加大，高分系列衛(wèi)星在鐵路行業(yè)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，越來(lái)越深入，在我國(guó)鐵路智能建設(shè)和智能運(yùn)維等深層次應(yīng)用中必將發(fā)揮重要作用。