卫星遥感在铁路监测中的应用进展

文 | 姚京川 梁志广 郭继亮 张勇1， 简国辉1， 袁慕策1， 王无敌

1.中国铁道科学研究院集团有限公司

2.高速铁路轨道技术国家重点实验室

3.铁科检测有限公司

4.中科卫星（山东）科技集团有限公司

近年来，我国卫星遥感技术取得了重大进展，已有多个系列遥感卫星投入运行，包括高分系列遥感卫星（GF）、资源系列遥感卫星（CBERS/ZY）、环境系列遥感卫星（HJ）、高景遥感卫星（SuperView）、海洋系列遥感卫星（HY）、风云气象系列卫星（FY）、北京系列卫星（BJ）等。这些卫星负载不同载荷、包含光学和雷达等不同类型探测器、拥有亚米级的时空分辨率和短重访周期，可提供强大的对地观测能力[1]。各系列卫星侧重点不同，在农业、林业、海洋、水利、矿产、交通、减灾和测绘等领域协同发挥作用。目前，这些遥感卫星正在逐步形成体系，为生产生活、应急处置、科学研究等方面提供实时准确的信息，不断降低对国外遥感卫星数据的依赖。同时，当前涌现的各种具体应用对卫星遥感技术也提出了更高的要求，包括更大的观测范围、更高的时空分辨率、更智能的应急响应能力等，这对卫星及其载荷的设计和研制都提出了新的要求，也出现了各种针对具体需求的定制化载荷和控制系统。

截至2022 年底，全国铁路营业里程达到15.5万千米，其中高铁4.2 万千米。2016 年版国家《中长期铁路网规划》（2016—2035 年）规划的“八纵八横”高铁网主骨架覆盖性和通达性进一步提升，多条线路分批次开通运营、开工建设、完成规划和勘探等。其中，西部铁路网持续建设中，西部12省区市的铁路营业里程达6.3 万千米，其中高铁1.1万千米。同时，以“雅万高铁”“中老泰铁路”为代表的境外铁路建设项目不断推进，中国铁路已成为国际产能合作的重要代表。

我国铁路的全生命周期可分为勘测、施工、运营维护三个阶段，在不同阶段对于监测有不同的需求[2]。卫星测量技术作为重要的测量技术之一，具有大范围、高频次、无接触的区域监测能力，可提供亚米级的高分辨率遥感影像和丰富的数据。近年来，遥感技术在高精度基础地理测绘、地物检测识别等方面发挥着越来越重要的作用。国内的研究人员已在多个方面开展铁路遥感监测应用研究和工程尝试，取得了良好进展。本文分别介绍卫星遥感技术在铁路勘测、施工、运营维护三个阶段的应用进展。

一、卫星遥感在铁路勘测中的应用

作为铁路生命周期的开始，铁路勘测经信息收集、综合分析后出具选线的可行性方案。20 世纪70 年代后期，我国已经开始在铁路新线选线勘测中应用陆地卫星TM 遥感图像，其高空间分辨率、波谱分辨率和多波段影像可提供更大信息量。随着诸多长大铁路项目的启动，卫星遥感在铁路勘测中发挥出越来越重要的作用，有效地提高了勘测效率和质量。

目前，已有多颗商业对地观测卫星投入使用，大部分均可满足铁路勘测中的制图要求，包括GeoEye-1、QuickBird、IKONOS、SPOT 等。传感器已经覆盖多光谱波段、近红外、远红外、短波红外和微波L 波段等，分辨率可达到亚米级，重访周期也在不断缩短，最短可到1 天内。

基于所得到的卫星图像和数据，可导入相关软件进行处理，结合人工判释和测量生成各种比例尺的地形图，满足勘察设计的初步需要。不同地面分辨率影像可以得到不同比例尺的测图，分辨率为0.28-0.56m 的影像可以用于绘制比例尺为1:2000的测图；分辨率为0.4-0.8m 的影像可以用于绘制比例尺为1:5000 的测图；分辨率为0.8-1.6m 的影像可以用于绘制比例尺为1:10000 的测图；分辨率为1.0-2.4m 的影像可以用于绘制比例尺为1:25000的测图；分辨率为1.4-3.2m 的影像可以用于绘制比例尺为1:50000 的测图[3]。

除制图外，还可以利用卫星遥感图像生成信息量更大的二维数字正射影像图或三维数字立体景观图，为铁路勘测提供全方位信息。目前，越来越多的铁路勘测设计正在基于高分辨率遥感数据，提取线路规划地的遥感三维数据源，构建并显示三维场景，更直观地辅助选线决策。通过将遥感技术、数字摄影测量技术、虚拟现实技术、数字地质技术综合集成，所建立的三维可视化选线地理模型，可同时满足地质选线和环境选线要求[4]。基于建筑信息模型（BIM）和地理信息系统（GIS）的三维线路场景构建，可进一步利用遥感影像数据，辅助线路方案比选[5]。当前研究大多数基于国外商业卫星数据源，随着国内遥感卫星在传感器种类、分辨率、重访周期等关键参数上不断取得进展，数据源正在逐渐向国内遥感卫星转换。目前国内高分、资源系列卫星的传感器已经覆盖全色、多光谱波段、近红外、中短波红外等，分辨率可达到亚米级，重访周期最短可到20 s，并且根据需求发展出陆地和大气观测专用卫星（如高分五号）、地球同步轨道遥感卫星（如高分四号）等特殊用途卫星。

中国高铁技术已经开始输出海外，海外铁路的勘测设计中，最大的难点之一即某些地区地形图资料的缺乏。基于高分辨率卫星影像的铁路勘测制图可以得到较高的精度、较好的时效性和较高的数据采集效率，结合国产遥感卫星如高分系列，可进一步降低数据成本，提高我国高铁技术的整体竞争力，适用于海外铁路建设项目[6]。

二、卫星遥感在施工中的应用

施工是铁路生命周期中技术要求最高、影响因素最多的阶段，主要包括工程地质监测和生态环境监测等，涉及的监测目标物种类多样（如岩石、植被等），对技术应用的要求更具体、难度更大。

1.工程地质监测

铁路工程地质监测需全面评估和分析铁路沿线的工程地质条件，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质等。卫星遥感在铁路施工中有多种具体应用。早在20 世纪90 年代，卫星遥感图像和航空遥感图像就已经应用于铁路施工的地质判释。基于地质学、地貌学、水文学、工程地质学综合分析的方法，基于遥感图像解译内昆线新寨隧道的滑坡、崩塌、岩堆、落水洞、漏斗等地质病害及其成因，为铁路隧道的合理设计和施工提供了决策依据。

利用卫星遥感图像可编制工作地质图。路瀚等采用遥感信息分析、工程地质遥感解译和野外验证相结合的方法，以高分二号和Landsat-8 图像信息为依据，对地质体复杂的铁路路线走廊带的地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质及特殊地质现象进行全面的工程地质条件解译（图1）[7]。除制图外，卫星遥感技术与GPS、区域地质图、工勘资料等多源空间数据结合，可建立三维遥感地质勘察技术，实现了遥感解译高精度、高效率、大比例及解译成果制图一体化[8]。

图1 基于遥感图像解译复杂地质区域地质特点

除了光学遥感影像外，卫星雷达遥感影像也开始应用于铁路工程地质勘测。与光学遥感影像相比，雷达遥感不受光照和天气影响，具有一定的地表穿透性，还可进行立体成像，获得独特的地表地物信息。谭衢霖等针对遥感雷达图像在铁路的应用，分析了铁路工程地质遥感中雷达图像的应用效果。雷达遥感图像在不同的地质应用中具有特定的雷达回波响应特征[9]。近年来，干涉雷达遥感技术不断发展，与航空遥感、高分辨无人机机载激光雷达等技术一同应用于高效率的铁路工程地质条件综合勘察。

2.生态环境监测

铁路建设项目施工过程可对生态环境造成影响，包括周边植被、水土、农田等，需进行综合评价。早期研究中，铁路建设对生态环境系统的影响缺乏监测指标和监测技术方案，采用的是行业标准HJ/T192-2006《生态环境状况评价技术规范（试行）》中规定的指标体系和计算方法。基于卫星遥感图像可对铁路沿线的生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度、土地退化指数、环境质量指数和生态环境状况指数进行计算和分级研判。近期，宋珺等通过分析铁路施工期生态环境的影响范围和因子，筛选确立具有可操作性的生态环境监测指标，并进一步以卫星遥感、无人机遥感、远程监测和地面监测等技术为支撑，构建了全面的监测技术方案。其中，生态指标中的生态系统、土地利用、植被、景观和生态敏感区监测要求，可采用卫星遥感的监测方式，选择具有植被观测能力的传感器和分辨率为米级的遥感数据，例如国内资源卫星或者高分卫星影像，取得良好的监测结果[10]。生态环境部卫星环境应用中心基于国产高分卫星遥感数据，进行了铁路施工期环境监理，充分发挥了遥感技术快速、客观、大范围的优势，构建环境监理信息“一张图”，涵盖了主要包括环评及批复空间化数据、环境监理关注目标空间及属性数据、铁路建设项目基本信息数据、基础地理要素测绘数据、地面核查数据和高分遥感数据等数据，全面反映铁路建设项目环评批复、施工期环境信息动态、环境敏感信息等综合情况[11]。

此外，利用对不同时期卫星遥感数据的对比分析，还可监测动态变化。山西省原平市某高铁的制梁场，在监测高速铁路建设中临时性工程用地土地复垦情况中，即利用了卫星遥感方法的观测范围大、监测精度高、长时间序列监测等优势，通过使用Landsat-8 陆地卫星的光学遥感影像，选用遥感图像处理软件计算比对土地损毁前、土地损毁后、土地复垦前和土地复垦后共4 期遥感影像中的植被覆盖度，及时有效且动态监测铁路临时用地的复垦信息（图2）[12]。图像显示了土地损毁前、土地损毁后、土地复垦前和土地复垦后的植被覆盖度先急剧降低、再缓慢回升的过程。研究人员还基于不同时段的卫星遥感数据，通过分析植被类型、面积、空间分布的变化情况，结合第四次大熊猫调查数据评估了西成客运专线对沿线大熊猫栖息地的影响，并尝试进行规律研究，寻找影响因素，最大限度降低人为干扰[13]。

图2 遥感影像植被覆盖度等级分布图[12]

三、卫星遥感在铁路运营中的应用

铁路运营监测是铁路生命周期中持续时间最长的一个阶段，目的是监测铁路基础设施的服役状态，包括对基础设施变形、结构健康、轨道几何状况的监测，以及对外部环境和地质灾害等状况的监测。

1.铁路基础设施形变监测

铁路载荷、路基和基础设施形变直接影响铁路运营安全。当前，监测主要通过在地面监测点设置水准仪、移动检测车等方式进行，空间覆盖范围和连续性差。雷达技术由于其全天时、全天候、大范围，不受天气影响等特点，逐渐成为遥感卫星配备的主要探测器之一。目前，商用探测器主要采用C、X 和L 波段，成像的空间分辨率达到亚米级、幅宽高达数千米，重访周期短至数小时，其性能仍在不断提高。

合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）是当前最适合研究铁路基础设施微小形变的应用技术。InSAR 技术通过雷达复影像数据的相位信息，可获取地形信息。其中，合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）作为InSAR 技术的一个分支，同时包含地形信息和地表形变信息，当其用于对地面进行大范围的形变监测时，精度可达厘米级。在对缓慢变形的地表进行监测时，需采用时间基线很大的影像对，因此可产生去相干和大气传播误差，影响D-InSAR 处理结果的精度和可靠性。2000 年，Ferretti 团队提出了永久散射体干涉处理技术（PSInSAR），应用散射强且稳定的地物（即永久散射体）作为目标进行相位和形变分析，该技术将时间序列干涉SAR 的精度提升至毫米级。2003 年，Berardino 等提出了小基线集算法（SBAS），利用短的时间和空间基线干涉对不同时序的SAR 数据进行干涉处理，并且利用复多视技术提升信噪比、利用奇异值分解法进行参数估计，以此来连接不同干涉图集合之间的不连续部分。各种新技术提高了监测的精度，为铁路载荷、路基和基础设施形变监测提供有力工具。

在国内，近年来已有多项基于卫星遥感的InSAR 技术应用于铁路形变的监测。研究人员基于InSAR 时序分析对华北平原区地面沉降进行连续动态监测，以中高分辨率InSAR 相结合完成了京津高铁、京沪线、京山线、京九线等重大工程区地面沉降详细监测，完善了重大工程区地表形变监测与评估方法，实现了地面沉降InSAR 监测工作的流程化[14]。在北京和天津的市区选择适当的永久散射体点位，采用PS-InSAR 技术，可在同一基准上、较大范围内监测其地面沉降特征[15]。对于农耕区永久散射体点位较少的地区，利用CR-InSAR 等技术，通过布设一定数量的人造角反射器（CR），结合PS-InSAR 综合进行铁路沉降监测[16]。在对西部青藏铁路拉萨至那曲段的监测中，研究人员利用先进合成孔径雷达（ASAR）和TerraSAR-X 数据，采用了满秩矩阵小基线子集InSAR（FRAM-SBAS）时间序列分析方法，进行长达10 年的监测，得到毫米级精度的全面而详细的铁路沉降信息，以及与周围地质灾害和断层的关系[17]，其中当雄段2003—2010 年形变图见图3。

图3 青藏铁路当雄段从2003-2010 年的形变图[17]

目前，铁路沉降监测的研究仍主要是基于国外商业卫星遥感图像和数据，随着国产雷达卫星的发射，以及监测数据处理技术的发展，InSAR 系统已经逐步实现国产化和集成化。国产SAR 卫星已经开始覆盖不同波段（C 波段、Ku 波段和L 波段），分辨率达到亚米级，成像质量逐渐提高，重访周期可在数小时内。以北斗二代为基础开发出铁路沉降塌陷实时监测系统，已开始用于进行铁路沉降、塌陷等事故的实时应急响应。

2.外部环境和地质灾害监测

铁路沿线的外部环境和地质灾害监测，是铁路工程运营维护阶段安全监测的重要内容。目前进行铁路安全管理的方法主要是采用“人防、物防和技防”的安全保障体系，较难完成大范围监测及危害预判，尤其是偏远地区铁路沿线。卫星遥感可动态采集外部环境和地质灾害监测所需要的影像，并对图像进行比对和解释，识别特征变化和预判地质灾害发生的可能性，将监测区段划分不同风险等级，分级管理，具备高频率、实时性、智能化的特点[18]。图4 为基于卫星遥感技术对武九高铁鄂州东站至大冶北站区段危害区域进行等级划分。

图4 危害区域等级色块划分[18]

铁路沿线环境监测需要对特定精细目标进行持续监测。基于对高分二号卫星遥感影像的分析，结合GIS 建立的铁路土地监察管理系统，可定期更新卫星遥感影像数据，自动化监察铁路土地变化并及时报警，实现铁路土地用地监测和非法侵占监测[19]。基于对不同时刻卫星遥感图像的处理，可根据观测目标设置异常特征，并通过监测异常特征的变化持续监控铁路线路安全，当异常特征的变化超过指定阈值，则进行异常预警。当前，卫星高分辨遥感影像中的目标识别技术不断发展，可基于机器学习尝试识别检测高速铁路沿线区域的高危物，有望实现对铁路沿线环境的精细化、动态监测。

与沿线环境不同，对地质灾害的监测偏重变化检测和危险预警。国内外研究人员对使用卫星遥感技术进行地质灾害监测做了大量研究，包括寻找各种灾害地貌的图形特征等。在此基础上，汇集各种地学专题图形和遥感图像数据建立“灾害地貌专家系统”，设置数据与图像的存贮更新、查询检索、分析处理、图像显示和自动制图功能，可对灾害地貌过程进行专家级的预测和评价[20]。这些跨学科的研究为后续地质危害监测在铁路中的应用打下了基础。

四、结论与展望

目前，国内遥感卫星数量不断增加，数据量和数据质量均不断提升。基于卫星遥感的监测技术在铁路勘测、施工和运营中的应用不断增加，显示出国产化、系统化、智能化的特点。目前，卫星遥感技术在铁路领域的应用研究表现出如下具体趋势。

在铁路勘测方面，卫星遥感技术的应用日趋成熟，从二维制图到三维建模，大大提高选线效率，目前，已经可以基于国产卫星得到亚米级分辨率的遥感图像和数据，降低了数据成本。随着国内卫星技术水平和商业化水平的提高，基于国外卫星的数据可被进一步替代。同时，基于卫星遥感系统勘测选线的标准化工作亟需完善，这有助于提高勘测技术水平，加速我国铁路技术出口。

在铁路施工方面，卫星遥感技术的应用还处于探索和研究阶段。无论是工程地质还是生态环境监测，均有特殊要求，包括铁路基础设施检测所需的长大线状目标、高精度形位测量，以及包括岩石、植物在内的多种类特定目标物测量等，而当前遥感卫星的主要运营模式为周期性地获取大范围区域的大气状况、地表覆盖、气象水文等信息，其传感器设计尚不能完全满足需求，因此，应针对铁路相关需求开展卫星轨道、数据采集和处理系统、传感器性能、地面辅助测量等不同方面的研究。

在铁路运营方面，卫星遥感技术的应用尚不充分，与国外技术仍有较大差距，其系统化、智能化、实时性还需进一步提高。基于卫星遥感的沿线环境和地质灾害监测系统，对于长大铁路，尤其是西部地区、山区铁路的安全运营，以及我国铁路运维水平的提升，都具有重要意义。考虑到外部环境的复杂性和地质灾害的多样性，亟待开发具有针对性的遥感探测器和数据分析方法。卫星遥感技术应基于其全天时、全天候、大范围的优势，与当前成熟的铁路监测技术集成和互补，在我国铁路智能运营应用中发挥作用，保障我国高速铁路安全运营，促进相关技术积累和自主化。