衛(wèi)星遙感在鐵路監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

文 | 姚京川 梁志廣 郭繼亮 張勇1， 簡(jiǎn)國(guó)輝1， 袁慕策1， 王無敵

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司

2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.鐵科檢測(cè)有限公司

4.中科衛(wèi)星（山東）科技集團(tuán)有限公司

近年來，我國(guó)衛(wèi)星遙感技術(shù)取得了重大進(jìn)展，已有多個(gè)系列遙感衛(wèi)星投入運(yùn)行，包括高分系列遙感衛(wèi)星（GF）、資源系列遙感衛(wèi)星（CBERS/ZY）、環(huán)境系列遙感衛(wèi)星（HJ）、高景遙感衛(wèi)星（SuperView）、海洋系列遙感衛(wèi)星（HY）、風(fēng)云氣象系列衛(wèi)星（FY）、北京系列衛(wèi)星（BJ）等。這些衛(wèi)星負(fù)載不同載荷、包含光學(xué)和雷達(dá)等不同類型探測(cè)器、擁有亞米級(jí)的時(shí)空分辨率和短重訪周期，可提供強(qiáng)大的對(duì)地觀測(cè)能力[1]。各系列衛(wèi)星側(cè)重點(diǎn)不同，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、水利、礦產(chǎn)、交通、減災(zāi)和測(cè)繪等領(lǐng)域協(xié)同發(fā)揮作用。目前，這些遙感衛(wèi)星正在逐步形成體系，為生產(chǎn)生活、應(yīng)急處置、科學(xué)研究等方面提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息，不斷降低對(duì)國(guó)外遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的依賴。同時(shí)，當(dāng)前涌現(xiàn)的各種具體應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)也提出了更高的要求，包括更大的觀測(cè)范圍、更高的時(shí)空分辨率、更智能的應(yīng)急響應(yīng)能力等，這對(duì)衛(wèi)星及其載荷的設(shè)計(jì)和研制都提出了新的要求，也出現(xiàn)了各種針對(duì)具體需求的定制化載荷和控制系統(tǒng)。

截至2022 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15.5萬千米，其中高鐵4.2 萬千米。2016 年版國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016—2035 年）規(guī)劃的“八縱八橫”高鐵網(wǎng)主骨架覆蓋性和通達(dá)性進(jìn)一步提升，多條線路分批次開通運(yùn)營(yíng)、開工建設(shè)、完成規(guī)劃和勘探等。其中，西部鐵路網(wǎng)持續(xù)建設(shè)中，西部12省區(qū)市的鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)6.3 萬千米，其中高鐵1.1萬千米。同時(shí)，以“雅萬高鐵”“中老泰鐵路”為代表的境外鐵路建設(shè)項(xiàng)目不斷推進(jìn)，中國(guó)鐵路已成為國(guó)際產(chǎn)能合作的重要代表。

我國(guó)鐵路的全生命周期可分為勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)三個(gè)階段，在不同階段對(duì)于監(jiān)測(cè)有不同的需求[2]。衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)作為重要的測(cè)量技術(shù)之一，具有大范圍、高頻次、無接觸的區(qū)域監(jiān)測(cè)能力，可提供亞米級(jí)的高分辨率遙感影像和豐富的數(shù)據(jù)。近年來，遙感技術(shù)在高精度基礎(chǔ)地理測(cè)繪、地物檢測(cè)識(shí)別等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。國(guó)內(nèi)的研究人員已在多個(gè)方面開展鐵路遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究和工程嘗試，取得了良好進(jìn)展。本文分別介紹衛(wèi)星遙感技術(shù)在鐵路勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)三個(gè)階段的應(yīng)用進(jìn)展。

一、衛(wèi)星遙感在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用

作為鐵路生命周期的開始，鐵路勘測(cè)經(jīng)信息收集、綜合分析后出具選線的可行性方案。20 世紀(jì)70 年代后期，我國(guó)已經(jīng)開始在鐵路新線選線勘測(cè)中應(yīng)用陸地衛(wèi)星TM 遙感圖像，其高空間分辨率、波譜分辨率和多波段影像可提供更大信息量。隨著諸多長(zhǎng)大鐵路項(xiàng)目的啟動(dòng)，衛(wèi)星遙感在鐵路勘測(cè)中發(fā)揮出越來越重要的作用，有效地提高了勘測(cè)效率和質(zhì)量。

目前，已有多顆商業(yè)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星投入使用，大部分均可滿足鐵路勘測(cè)中的制圖要求，包括GeoEye-1、QuickBird、IKONOS、SPOT 等。傳感器已經(jīng)覆蓋多光譜波段、近紅外、遠(yuǎn)紅外、短波紅外和微波L 波段等，分辨率可達(dá)到亞米級(jí)，重訪周期也在不斷縮短，最短可到1 天內(nèi)。

基于所得到的衛(wèi)星圖像和數(shù)據(jù)，可導(dǎo)入相關(guān)軟件進(jìn)行處理，結(jié)合人工判釋和測(cè)量生成各種比例尺的地形圖，滿足勘察設(shè)計(jì)的初步需要。不同地面分辨率影像可以得到不同比例尺的測(cè)圖，分辨率為0.28-0.56m 的影像可以用于繪制比例尺為1:2000的測(cè)圖；分辨率為0.4-0.8m 的影像可以用于繪制比例尺為1:5000 的測(cè)圖；分辨率為0.8-1.6m 的影像可以用于繪制比例尺為1:10000 的測(cè)圖；分辨率為1.0-2.4m 的影像可以用于繪制比例尺為1:25000的測(cè)圖；分辨率為1.4-3.2m 的影像可以用于繪制比例尺為1:50000 的測(cè)圖[3]。

除制圖外，還可以利用衛(wèi)星遙感圖像生成信息量更大的二維數(shù)字正射影像圖或三維數(shù)字立體景觀圖，為鐵路勘測(cè)提供全方位信息。目前，越來越多的鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)正在基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，提取線路規(guī)劃地的遙感三維數(shù)據(jù)源，構(gòu)建并顯示三維場(chǎng)景，更直觀地輔助選線決策。通過將遙感技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字地質(zhì)技術(shù)綜合集成，所建立的三維可視化選線地理模型，可同時(shí)滿足地質(zhì)選線和環(huán)境選線要求[4]?；诮ㄖ畔⒛Ｐ停˙IM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的三維線路場(chǎng)景構(gòu)建，可進(jìn)一步利用遙感影像數(shù)據(jù)，輔助線路方案比選[5]。當(dāng)前研究大多數(shù)基于國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，隨著國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星在傳感器種類、分辨率、重訪周期等關(guān)鍵參數(shù)上不斷取得進(jìn)展，數(shù)據(jù)源正在逐漸向國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星轉(zhuǎn)換。目前國(guó)內(nèi)高分、資源系列衛(wèi)星的傳感器已經(jīng)覆蓋全色、多光譜波段、近紅外、中短波紅外等，分辨率可達(dá)到亞米級(jí)，重訪周期最短可到20 s，并且根據(jù)需求發(fā)展出陸地和大氣觀測(cè)專用衛(wèi)星（如高分五號(hào)）、地球同步軌道遙感衛(wèi)星（如高分四號(hào)）等特殊用途衛(wèi)星。

中國(guó)高鐵技術(shù)已經(jīng)開始輸出海外，海外鐵路的勘測(cè)設(shè)計(jì)中，最大的難點(diǎn)之一即某些地區(qū)地形圖資料的缺乏?；诟叻直媛市l(wèi)星影像的鐵路勘測(cè)制圖可以得到較高的精度、較好的時(shí)效性和較高的數(shù)據(jù)采集效率，結(jié)合國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星如高分系列，可進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)成本，提高我國(guó)高鐵技術(shù)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，適用于海外鐵路建設(shè)項(xiàng)目[6]。

二、衛(wèi)星遙感在施工中的應(yīng)用

施工是鐵路生命周期中技術(shù)要求最高、影響因素最多的階段，主要包括工程地質(zhì)監(jiān)測(cè)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等，涉及的監(jiān)測(cè)目標(biāo)物種類多樣（如巖石、植被等），對(duì)技術(shù)應(yīng)用的要求更具體、難度更大。

1.工程地質(zhì)監(jiān)測(cè)

鐵路工程地質(zhì)監(jiān)測(cè)需全面評(píng)估和分析鐵路沿線的工程地質(zhì)條件，包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)等。衛(wèi)星遙感在鐵路施工中有多種具體應(yīng)用。早在20 世紀(jì)90 年代，衛(wèi)星遙感圖像和航空遙感圖像就已經(jīng)應(yīng)用于鐵路施工的地質(zhì)判釋。基于地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、水文學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)綜合分析的方法，基于遙感圖像解譯內(nèi)昆線新寨隧道的滑坡、崩塌、巖堆、落水洞、漏斗等地質(zhì)病害及其成因，為鐵路隧道的合理設(shè)計(jì)和施工提供了決策依據(jù)。

利用衛(wèi)星遙感圖像可編制工作地質(zhì)圖。路瀚等采用遙感信息分析、工程地質(zhì)遙感解譯和野外驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以高分二號(hào)和Landsat-8 圖像信息為依據(jù)，對(duì)地質(zhì)體復(fù)雜的鐵路路線走廊帶的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行全面的工程地質(zhì)條件解譯（圖1）[7]。除制圖外，衛(wèi)星遙感技術(shù)與GPS、區(qū)域地質(zhì)圖、工勘資料等多源空間數(shù)據(jù)結(jié)合，可建立三維遙感地質(zhì)勘察技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遙感解譯高精度、高效率、大比例及解譯成果制圖一體化[8]。

圖1 基于遙感圖像解譯復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)

除了光學(xué)遙感影像外，衛(wèi)星雷達(dá)遙感影像也開始應(yīng)用于鐵路工程地質(zhì)勘測(cè)。與光學(xué)遙感影像相比，雷達(dá)遙感不受光照和天氣影響，具有一定的地表穿透性，還可進(jìn)行立體成像，獲得獨(dú)特的地表地物信息。譚衢霖等針對(duì)遙感雷達(dá)圖像在鐵路的應(yīng)用，分析了鐵路工程地質(zhì)遙感中雷達(dá)圖像的應(yīng)用效果。雷達(dá)遙感圖像在不同的地質(zhì)應(yīng)用中具有特定的雷達(dá)回波響應(yīng)特征[9]。近年來，干涉雷達(dá)遙感技術(shù)不斷發(fā)展，與航空遙感、高分辨無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)等技術(shù)一同應(yīng)用于高效率的鐵路工程地質(zhì)條件綜合勘察。

2.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工過程可對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，包括周邊植被、水土、農(nóng)田等，需進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。早期研究中，鐵路建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響缺乏監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T192-2006《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》中規(guī)定的指標(biāo)體系和計(jì)算方法?；谛l(wèi)星遙感圖像可對(duì)鐵路沿線的生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度、土地退化指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分級(jí)研判。近期，宋珺等通過分析鐵路施工期生態(tài)環(huán)境的影響范圍和因子，篩選確立具有可操作性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并進(jìn)一步以衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)等技術(shù)為支撐，構(gòu)建了全面的監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。其中，生態(tài)指標(biāo)中的生態(tài)系統(tǒng)、土地利用、植被、景觀和生態(tài)敏感區(qū)監(jiān)測(cè)要求，可采用衛(wèi)星遙感的監(jiān)測(cè)方式，選擇具有植被觀測(cè)能力的傳感器和分辨率為米級(jí)的遙感數(shù)據(jù)，例如國(guó)內(nèi)資源衛(wèi)星或者高分衛(wèi)星影像，取得良好的監(jiān)測(cè)結(jié)果[10]。生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心基于國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行了鐵路施工期環(huán)境監(jiān)理，充分發(fā)揮了遙感技術(shù)快速、客觀、大范圍的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)理信息“一張圖”，涵蓋了主要包括環(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)等數(shù)據(jù)，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[11]。

此外，利用對(duì)不同時(shí)期衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，還可監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化。山西省原平市某高鐵的制梁場(chǎng)，在監(jiān)測(cè)高速鐵路建設(shè)中臨時(shí)性工程用地土地復(fù)墾情況中，即利用了衛(wèi)星遙感方法的觀測(cè)范圍大、監(jiān)測(cè)精度高、長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，通過使用Landsat-8 陸地衛(wèi)星的光學(xué)遙感影像，選用遙感圖像處理軟件計(jì)算比對(duì)土地?fù)p毀前、土地?fù)p毀后、土地復(fù)墾前和土地復(fù)墾后共4 期遙感影像中的植被覆蓋度，及時(shí)有效且動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鐵路臨時(shí)用地的復(fù)墾信息（圖2）[12]。圖像顯示了土地?fù)p毀前、土地?fù)p毀后、土地復(fù)墾前和土地復(fù)墾后的植被覆蓋度先急劇降低、再緩慢回升的過程。研究人員還基于不同時(shí)段的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過分析植被類型、面積、空間分布的變化情況，結(jié)合第四次大熊貓調(diào)查數(shù)據(jù)評(píng)估了西成客運(yùn)專線對(duì)沿線大熊貓棲息地的影響，并嘗試進(jìn)行規(guī)律研究，尋找影響因素，最大限度降低人為干擾[13]。

圖2 遙感影像植被覆蓋度等級(jí)分布圖[12]

三、衛(wèi)星遙感在鐵路運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

鐵路運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)是鐵路生命周期中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)階段，目的是監(jiān)測(cè)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的服役狀態(tài)，包括對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施變形、結(jié)構(gòu)健康、軌道幾何狀況的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)外部環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害等狀況的監(jiān)測(cè)。

1.鐵路基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)

鐵路載荷、路基和基礎(chǔ)設(shè)施形變直接影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。當(dāng)前，監(jiān)測(cè)主要通過在地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置水準(zhǔn)儀、移動(dòng)檢測(cè)車等方式進(jìn)行，空間覆蓋范圍和連續(xù)性差。雷達(dá)技術(shù)由于其全天時(shí)、全天候、大范圍，不受天氣影響等特點(diǎn)，逐漸成為遙感衛(wèi)星配備的主要探測(cè)器之一。目前，商用探測(cè)器主要采用C、X 和L 波段，成像的空間分辨率達(dá)到亞米級(jí)、幅寬高達(dá)數(shù)千米，重訪周期短至數(shù)小時(shí)，其性能仍在不斷提高。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）是當(dāng)前最適合研究鐵路基礎(chǔ)設(shè)施微小形變的應(yīng)用技術(shù)。InSAR 技術(shù)通過雷達(dá)復(fù)影像數(shù)據(jù)的相位信息，可獲取地形信息。其中，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)（D-InSAR）作為InSAR 技術(shù)的一個(gè)分支，同時(shí)包含地形信息和地表形變信息，當(dāng)其用于對(duì)地面進(jìn)行大范圍的形變監(jiān)測(cè)時(shí)，精度可達(dá)厘米級(jí)。在對(duì)緩慢變形的地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需采用時(shí)間基線很大的影像對(duì)，因此可產(chǎn)生去相干和大氣傳播誤差，影響D-InSAR 處理結(jié)果的精度和可靠性。2000 年，F(xiàn)erretti 團(tuán)隊(duì)提出了永久散射體干涉處理技術(shù)（PSInSAR），應(yīng)用散射強(qiáng)且穩(wěn)定的地物（即永久散射體）作為目標(biāo)進(jìn)行相位和形變分析，該技術(shù)將時(shí)間序列干涉SAR 的精度提升至毫米級(jí)。2003 年，Berardino 等提出了小基線集算法（SBAS），利用短的時(shí)間和空間基線干涉對(duì)不同時(shí)序的SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，并且利用復(fù)多視技術(shù)提升信噪比、利用奇異值分解法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以此來連接不同干涉圖集合之間的不連續(xù)部分。各種新技術(shù)提高了監(jiān)測(cè)的精度，為鐵路載荷、路基和基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)提供有力工具。

在國(guó)內(nèi)，近年來已有多項(xiàng)基于衛(wèi)星遙感的InSAR 技術(shù)應(yīng)用于鐵路形變的監(jiān)測(cè)。研究人員基于InSAR 時(shí)序分析對(duì)華北平原區(qū)地面沉降進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以中高分辨率InSAR 相結(jié)合完成了京津高鐵、京滬線、京山線、京九線等重大工程區(qū)地面沉降詳細(xì)監(jiān)測(cè)，完善了重大工程區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了地面沉降InSAR 監(jiān)測(cè)工作的流程化[14]。在北京和天津的市區(qū)選擇適當(dāng)?shù)挠谰蒙⑸潴w點(diǎn)位，采用PS-InSAR 技術(shù)，可在同一基準(zhǔn)上、較大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)其地面沉降特征[15]。對(duì)于農(nóng)耕區(qū)永久散射體點(diǎn)位較少的地區(qū)，利用CR-InSAR 等技術(shù)，通過布設(shè)一定數(shù)量的人造角反射器（CR），結(jié)合PS-InSAR 綜合進(jìn)行鐵路沉降監(jiān)測(cè)[16]。在對(duì)西部青藏鐵路拉薩至那曲段的監(jiān)測(cè)中，研究人員利用先進(jìn)合成孔徑雷達(dá)（ASAR）和TerraSAR-X 數(shù)據(jù)，采用了滿秩矩陣小基線子集InSAR（FRAM-SBAS）時(shí)間序列分析方法，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10 年的監(jiān)測(cè)，得到毫米級(jí)精度的全面而詳細(xì)的鐵路沉降信息，以及與周圍地質(zhì)災(zāi)害和斷層的關(guān)系[17]，其中當(dāng)雄段2003—2010 年形變圖見圖3。

圖3 青藏鐵路當(dāng)雄段從2003-2010 年的形變圖[17]

目前，鐵路沉降監(jiān)測(cè)的研究仍主要是基于國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星遙感圖像和數(shù)據(jù)，隨著國(guó)產(chǎn)雷達(dá)衛(wèi)星的發(fā)射，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，InSAR 系統(tǒng)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化和集成化。國(guó)產(chǎn)SAR 衛(wèi)星已經(jīng)開始覆蓋不同波段（C 波段、Ku 波段和L 波段），分辨率達(dá)到亞米級(jí)，成像質(zhì)量逐漸提高，重訪周期可在數(shù)小時(shí)內(nèi)。以北斗二代為基礎(chǔ)開發(fā)出鐵路沉降塌陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已開始用于進(jìn)行鐵路沉降、塌陷等事故的實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng)。

2.外部環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

鐵路沿線的外部環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，是鐵路工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。目前進(jìn)行鐵路安全管理的方法主要是采用“人防、物防和技防”的安全保障體系，較難完成大范圍監(jiān)測(cè)及危害預(yù)判，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)鐵路沿線。衛(wèi)星遙感可動(dòng)態(tài)采集外部環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)所需要的影像，并對(duì)圖像進(jìn)行比對(duì)和解釋，識(shí)別特征變化和預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，將監(jiān)測(cè)區(qū)段劃分不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，分級(jí)管理，具備高頻率、實(shí)時(shí)性、智能化的特點(diǎn)[18]。圖4 為基于衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)武九高鐵鄂州東站至大冶北站區(qū)段危害區(qū)域進(jìn)行等級(jí)劃分。

圖4 危害區(qū)域等級(jí)色塊劃分[18]

鐵路沿線環(huán)境監(jiān)測(cè)需要對(duì)特定精細(xì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)?；趯?duì)高分二號(hào)衛(wèi)星遙感影像的分析，結(jié)合GIS 建立的鐵路土地監(jiān)察管理系統(tǒng)，可定期更新衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，自動(dòng)化監(jiān)察鐵路土地變化并及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)鐵路土地用地監(jiān)測(cè)和非法侵占監(jiān)測(cè)[19]?；趯?duì)不同時(shí)刻衛(wèi)星遙感圖像的處理，可根據(jù)觀測(cè)目標(biāo)設(shè)置異常特征，并通過監(jiān)測(cè)異常特征的變化持續(xù)監(jiān)控鐵路線路安全，當(dāng)異常特征的變化超過指定閾值，則進(jìn)行異常預(yù)警。當(dāng)前，衛(wèi)星高分辨遙感影像中的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)不斷發(fā)展，可基于機(jī)器學(xué)習(xí)嘗試識(shí)別檢測(cè)高速鐵路沿線區(qū)域的高危物，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線環(huán)境的精細(xì)化、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

與沿線環(huán)境不同，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)偏重變化檢測(cè)和危險(xiǎn)預(yù)警。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)使用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)做了大量研究，包括尋找各種災(zāi)害地貌的圖形特征等。在此基礎(chǔ)上，匯集各種地學(xué)專題圖形和遙感圖像數(shù)據(jù)建立“災(zāi)害地貌專家系統(tǒng)”，設(shè)置數(shù)據(jù)與圖像的存貯更新、查詢檢索、分析處理、圖像顯示和自動(dòng)制圖功能，可對(duì)災(zāi)害地貌過程進(jìn)行專家級(jí)的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[20]。這些跨學(xué)科的研究為后續(xù)地質(zhì)危害監(jiān)測(cè)在鐵路中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

四、結(jié)論與展望

目前，國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量均不斷提升?；谛l(wèi)星遙感的監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路勘測(cè)、施工和運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用不斷增加，顯示出國(guó)產(chǎn)化、系統(tǒng)化、智能化的特點(diǎn)。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用研究表現(xiàn)出如下具體趨勢(shì)。

在鐵路勘測(cè)方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，從二維制圖到三維建模，大大提高選線效率，目前，已經(jīng)可以基于國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星得到亞米級(jí)分辨率的遙感圖像和數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)成本。隨著國(guó)內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)水平和商業(yè)化水平的提高，基于國(guó)外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)可被進(jìn)一步替代。同時(shí)，基于衛(wèi)星遙感系統(tǒng)勘測(cè)選線的標(biāo)準(zhǔn)化工作亟需完善，這有助于提高勘測(cè)技術(shù)水平，加速我國(guó)鐵路技術(shù)出口。

在鐵路施工方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用還處于探索和研究階段。無論是工程地質(zhì)還是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，均有特殊要求，包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)所需的長(zhǎng)大線狀目標(biāo)、高精度形位測(cè)量，以及包括巖石、植物在內(nèi)的多種類特定目標(biāo)物測(cè)量等，而當(dāng)前遙感衛(wèi)星的主要運(yùn)營(yíng)模式為周期性地獲取大范圍區(qū)域的大氣狀況、地表覆蓋、氣象水文等信息，其傳感器設(shè)計(jì)尚不能完全滿足需求，因此，應(yīng)針對(duì)鐵路相關(guān)需求開展衛(wèi)星軌道、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、傳感器性能、地面輔助測(cè)量等不同方面的研究。

在鐵路運(yùn)營(yíng)方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用尚不充分，與國(guó)外技術(shù)仍有較大差距，其系統(tǒng)化、智能化、實(shí)時(shí)性還需進(jìn)一步提高?；谛l(wèi)星遙感的沿線環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于長(zhǎng)大鐵路，尤其是西部地區(qū)、山區(qū)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，以及我國(guó)鐵路運(yùn)維水平的提升，都具有重要意義。考慮到外部環(huán)境的復(fù)雜性和地質(zhì)災(zāi)害的多樣性，亟待開發(fā)具有針對(duì)性的遙感探測(cè)器和數(shù)據(jù)分析方法。衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)基于其全天時(shí)、全天候、大范圍的優(yōu)勢(shì)，與當(dāng)前成熟的鐵路監(jiān)測(cè)技術(shù)集成和互補(bǔ)，在我國(guó)鐵路智能運(yùn)營(yíng)應(yīng)用中發(fā)揮作用，保障我國(guó)高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)積累和自主化。