高分遥感在铁路建设项目施工期环境监理中的应用

熊文成，李京荣，聂忆黄，涂为民，翟方乐，王东睿

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094；2.四川省环境工程评估中心，四川成都 610093；3.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；4. 四川省环境保护科学研究院，四川成都 610041)

高分遥感在铁路建设项目施工期环境监理中的应用

熊文成1，李京荣1，聂忆黄1，涂为民2，翟方乐3，王东睿4

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094；2.四川省环境工程评估中心，四川成都 610093；3.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；4. 四川省环境保护科学研究院，四川成都 610041)

铁路建设项目具有施工面广、工程量巨大、建设周期长等特点，加之工程交通不便、实施主体多等客观因素，对施工期环境监理提出了极大挑战。基于高分辨率遥感特点与铁路施工期环境监理特点，构建环境监理信息“一张图”，形成对铁路建设项目直观、宏观、客观的展示和把握。通过对比地面和高分遥感图像形成解译标志特征，并从环境监理关注目标遥感监管、声环境敏感点遥感监管、生态敏感区人类活动干扰遥感监管、其他关注目标等四方面开展高分遥感监管应用。结果表明，发挥遥感技术快速、客观、大范围的优势，可以极大地提高环境监理能力和效果，为有效保护沿线生态环境发挥积极作用。

铁路；施工期；环境监理；高分遥感

伴随我国环保事业的不断发展和进步，环境管理部门对建设项目的管理逐渐规范，形成了环境影响评价制度和“三同时”制度[1]，但由于环境管理部门监管力量有限，环境管理过多倚重于环评和环保验收，对项目建设工程中的环境监管较为薄弱，而恰恰这一阶段产生的环境问题，尤其以生态环境破坏较为突出，并且造成许多不可逆的生态影响[2]。因此，开展建设项目施工期环境监理具有重要、迫切的现实需求。

目前，我国铁路建设项目飞速发展，在铁路建设过程中不可避免地会产生环境污染和生态破坏，铁路建设项目在施工期间不断出现被责令停工整改等一系列问题，因此，在铁路建设施工期实施环境监理是十分必要的[3]。由于铁路建设项目路线长，穿越多个地区，且地形复杂，很多地方交通不便，传统地面环境调查很难全面、真实地反映全线环境状况。卫星遥感具有探测范围广、重访周期短、成本低且限制条件少等特点，能够有效弥补地面调查的不足，形成天地互动，可极大地提高铁路建设项目环境监理能力和效果，为有效保护铁路沿线生态环境发挥积极作用。

1 高分遥感技术概况

本文高分遥感影像为高空间分辨率遥感影像的简称，主要是指那些地面分辨率高于5 m的遥感影像。当图像分辨率达到米级时，人们平常视觉所见的多数野外目标物的个体，如单株树、汽车、道路和房子等，在图像上能够直接可见。随着高分卫星遥感技术的突飞猛进，以及铁路施工期环境管理要求的日益提高，开展高分遥感在铁路建设项目施工期环境监理中的应用研究是一个很有意义的研究方向和选择。

1.1 高分遥感技术发展概况

自1999年美国太空成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来，一度披着神秘面纱的高分辨率卫星影像日益为普通百姓所熟悉，而且正在成为人们生活的一部分。现国外主要的高分商业卫星有QB、Worldview、Pleiades、GeoEye等系列。

近年来，我国民用卫星也得到长足发展，基本已经改变依靠国外卫星的局面，国产高分卫星已经成为各行业应用领域的主要数据源。目前，国产高分卫星数据主要有中巴资源卫星系列和高分系列，包括2007年9月19日发射的中巴地球资源卫星02B星(分辨率为2.38 m)、2012年1月9日发射的资源三号(ZY-3)卫星(分辨率2.1 m)、2013年4月26日发射的高分一号卫星(分辨率2 m)、2014年8月19日发射的高分二号卫星(分辨率优于1 m)。高分二号卫星标志着我国遥感卫星进入亚米级“高分时代”。

根据高分专项[4]、《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》[5]等规划，未来我国将发射多颗具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、高辐射分辨率的高分卫星，将进一步丰富高分卫星数据的供给。

1.2 高分遥感技术应用现状

遥感技术广泛应用于铁路建设项目的勘察、勘测、环境监测与评价。王英武等[6]以京九铁路地质调查为例，阐述了遥感技术在可研阶段、初测阶段、勘测设计后期阶段的应用。遥感技术也应用于运营管理方面，成为铁路信息化建设的基本核心技术，包括用航测方法进行既有线复测、既有线病害调查、地籍测量、既有铁路技术改造、地质灾害防治规划等[7]。WANG Z[8]通过遥感的方法调查研究了青藏铁路沿线的地质环境和灾害；Chen F等[9]对在多年冻土区通过卫星SAR测量干预法提取地表变化的可行性进行了研究，并提出对QTR沿线进行持续卫星监控的必要性；David J. Cowen等[10]发展了一种基于雷达数据的GIS辅助铁路建设经济计量模型选择新铁路的最优路线，并将其与传统的调查路线进行比较；王晓臣[11]利用无人机高分遥感技术开展了环评研究。

总之，多源遥感可以在铁路环境监测中发挥重要作用，但结合国家卫星最新发展方向与规划，高分卫星遥感在铁路环境监理中的探索应用还相对较少。

1.3 高分遥感的意义与目的

铁路建设项目环境监理往往偏重建设前期和后期竣工验收阶段的管理，而施工期间环境监理力度却跟不上，一直属于薄弱环节[3]。引入高分卫星遥感技术，应用于铁路施工期环境监理，对于加强施工期环境监理的有效性和全面性具有重要作用。

(1)实现精细化和信息化。铁路建设项目从勘察设计到具体实施，形成大量空间资料数据，各类空间数据可能自成体系，存在数学基础不统一、不一致的情况。基于高分辨率卫星遥感数据底图，在统一坐标系上，可以统一各类数据，形成规范数据集，构建铁路环境管理信息“一张图”。

(2)提高环境监理效率。铁路建设项目环境监理点多线长，地域复杂且交通极为不便。在建设过程中，需掌握土地占用、施工便道、路基填筑、工程临时占地、植被恢复、河流水质、环境应急等情况。高分遥感技术可为全面宏观掌握开工前、实施过程中的各类情况提供技术支持。

(3)弥补地面监测不足。地面监测受限于监测频次、范围、可达性等条件，往往会有些环境问题被遗漏。高分遥感可以多频次、全区域地开展多次监测，对重点关注区域还可以加强频次或采用多源卫星数据提高监测精度。

(4)形成生态环境档案[12]。采集得到的项目实施前期、施工中期及后期等多个期次和阶段的遥感监测数据及其变化分析结果，可以成为铁路建设项目的重要生态环境档案，为后续二次开发评估或其他应用提供数据支持。

2 技术路线与主要内容

高分辨率遥感铁路建设项目施工期环境监理技术路线如图1所示，主要工作包括：

图1 铁路环境监理高分遥感应用技术路线Fig.1 Flow chart of high resolution remote sensing technology application to railway environmental supervision

2.1 监理信息“一张图”

环境监理信息“一张图”，即以高分辨率卫星遥感数据为主题，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，做到对工程环境状况“一览无遗”，对环境问题“心中有数”。“一张图”数据集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。

(1)环评及批复空间化数据：环境影响评价报告中包含大量空间数据及空间要求，如工程线路穿越的自然保护区、国家森林公园、风景名胜区等生态敏感区，声环境敏感点位，饮用水水源地等各类目标及距离要求等数据。

(2)环境监理关注目标分布数据：在实际环境监理过程中，对部分渣场、转运渣场、施工营地、临时工程变更、突发情况、局部地区生态影响等需要更为严密的管控。收集这些目标坐标信息，汇入“一张图”。

(3)铁路建设项目基本信息数据：工程的基本信息包括铁路的走向、车站、隧道、桥梁、路基等信息。

(4)基础地理要素测绘数据：主要包括地形DEM、水文水系、居民点聚居区、行政区划、路网等数据。

(5)高分遥感数据：包括铁路沿线高分辨率遥感数据，以及通过遥感数据监测获得的专题产品、解译结果、分析结果数据。

(6)地面核查数据：针对部分环境监理关注目标、高分遥感解译疑似目标开展地面核查，获得相关属性及其照片，将其与空间点位建立关联，汇入“一张图”。

2.2 环境遥感监管

基于环境“一张图”数据集，利用高分辨率遥感技术开展环境监理关注目标监管、生态敏感区人类活动干扰监管、声环境敏感点监管、其他关注点位监管等四个方面的监测监管。

2.3 环境遥感评估

根据环境遥感监测的结果，对工程变更情况、环评批复落实情况、敏感区保护效果情况、其他重要情况等开展评估，为建设单位、管理单位提供参考。

3 遥感监测应用实践

3.1 环境监理关注点遥感监管

基于“一张图”，开展环境监理关注点遥感监管，对工程临时占用土地、永久占用土地进行动态监管分析。图2为典型关注点位高分二号遥感影像图。

3.2 生态敏感区遥感监管

基于“一张图”开展生态环境敏感区遥感监管，重点核查生态敏感区内存在的渣土、植被破坏等情况，对未申报的渣场及生态敏感区内的植被破坏点进行定位，并开展地面核查。

3.3 声环境敏感点遥感监管

基于“一张图”，开展声环境敏感点遥感监管。对照声环境敏感点测绘图纸，可以利用遥感图像的直观性，形成敏感点直观展示。同时也可监测声屏障工程的布设、拆迁等工序的进度。

3.4 其他关注点位遥感监管

基于“一张图”，可以开展其他关注点位遥感监管，如对河流水环境遥感监管、敏感施工点位生态遥感监管等。

(1)河流水环境遥感监管。利用多时相遥感分析河流水环境前后变化情况，判断工程对区域河流水质的影响。根据河流水系分布，选取沿铁路线典型河段水体，结合高分遥感影像，形成施工前后影像对比，示例如图3。具体评估手段可以利用多光谱遥感反演典型河段水体悬浮物浓度，评估浓度变化。

图2 典型高分二号遥感影像Fig.2 Typical GF-2 satellite images

图3 典型河流点位图像Fig.3 Typical river point GF-2 images

(2)其他点位遥感监管。针对铁路沿线部分隧道施工点造成地下水大量涌出的现象，开展多时相动态遥感监测，评估点位一定范围内的相关生态环境变化。具体评估手段可以是计算多光谱遥感的植被指数、生物物理参量的变化。

4 结论与展望

(1)目前常用的国产高分卫星数据的空间分辨率可以满足铁路施工期环境监理关注目标识别的要求，通过空间大范围辨识施工过程中关注的各类目标，全面系统掌握施工过程中的环境问题。目前常用的国产高分卫星数据的时间分辨率可以满足一年多次的监测频次，随着未来可获取数据的增多，可以以环境问题为导向，开展高分辨率常态化监测监理，定期利用高分辨率遥感数据进行动态监测，重点发现改善不明显、新增的环境问题，保证环境问题调查结果的时效性，并对各工程环境整治、环境保护工作进行有效监督管理。遥感调查结果与实地监理结合起来，通过定期巡检、抽检，推动工作的有效开展。

(2)高分卫星遥感可在铁路施工期环境监理中发挥重要作用，发挥遥感技术快速、客观、大范围的优势，可以对沿线生态环境变化、“三同时”工程措施落实、工程临时占地及生态恢复效果进行综合分析评估，极大地提高环境监理能力和效果，为有效保护沿线独特的生态环境发挥积极作用。

(3)建议进一步加强遥感定量化在铁路施工期环境监理中的应用，可以在施工对河流水质扰动、对植被水分胁迫的遥感反演等方面开展更多研究；探索建立铁路施工期环境遥感监测指标、评价方法体系；开展沿线二次开发及其生态环境效应监测研究，为做好铁路综合环境管理工作提供支撑。

[1] 环境保护部环境工程评估中心. 建设项目环境监理[M]. 北京: 中国环境出版社, 2012: 11- 15.

[2] 谷朝君. 我国环境监理制度建设现状及建议[J]. 环境影响评价, 2015, 37(2): 1- 4.

[3] 黄永. 浅谈我国铁路建设项目环境监理[J]. 河北企业, 2012(10): 34- 34.

[4] 靳颖, 贠敏. 厚积薄发，共迎国产高分辨率卫星遥感数据应用的新时代——专访遥感技术与应用专家、中国科学院院士童庆禧[J]. 卫星应用, 2013(3): 4- 7.

[5] 国家发展改革委, 财政部, 国防科工局. 国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)[EB/OL]. (2015-10-26) [2016-02-16]. http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201510/t20151029_756376.html.

[6] 王英武, 朱觉先. 京九铁路地质调查中遥感技术的应用[J]. 铁道工程学报, 2006(12)suppl: 193- 195.

[7] 李寿兵. 航测遥感技术在运营铁路管理上的应用[J]. 铁道勘察, 2005(3): 1- 3.

[8] Wang Z. Geological Environment and Disasters along railway line in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Earth Science Frontiers, 2007, 14(6): 31- 37.

[9] Chen F, Lin H, Li Z,etal. Interaction between permafrost and infrastructure along the Qinghai-Tibet Railway detected via jointly analysis of C- and L-band small baseline SAR interferometry[J]. Remote Sensing of Environment, 2012, 123(8): 532- 540.

[10] Cowen D J, Jensen J R. A GIS-Assisted Rail Construction Econometric Model that Incorporates LlDAR Data[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2000, 66(11): 1323- 1328.

[11] 王晓臣, 朱京海, 梁婷, 等. 无人机遥感技术在生态环境影响评价中的应用研究[J]. 环境影响评价, 2015, 37(2): 70- 74.

[12] 郭二民, 鲜国, 李传富, 等. 成兰铁路施工期环境管理模式[J]. 环境影响评价, 2015, 37(2): 13- 17.

Research on High Resolution Remote Sensing Technology Application to Railway Environmental Supervision during the Construction Period

XIONG Wen-cheng1, LI Jing-rong1, NIE Yi-huang1, TU Wei-min2, ZHAI Fang-le3, WANG Dong-rui4

(1.Satellite Environment Application Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100094, China;2.Sichuan Environment & Engineering Appraisal Center, Chengdu 610093, China; 3.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environment Protection, Beijing 100012, China; 4.Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, China)

Railway construction project has many challenges, such as wide scope, huge quantities, long construction period, construction multi-body, and big environmental management difficulties. Based on the high resolution remote sensing data features and railway environment management demands during the construction period, this paper established environmental monitoring information “One Land Map”, which gave the railway construction an intuitive, macro, and objective presentation. The interpretation characteristics of high resolution remote sensing data were formed by comparing remote sensing images and ground pictures, and then the remote sensing monitoring on interested objects, remote sensing monitoring on acoustic environment sensitive points, remote sensing monitoring on human activities interference in ecological sensitive areas, and remote sensing monitoring on other concerned objects were carried out. The results showed that due to the advantages of fast, objective, and wide-ranged observation, remote sensing technology can greatly improve the capacity and effectiveness of environmental supervision, and will play an active role in protecting the ecological environment along the railway.

railway; construction period; environmental supervision; high resolution remote sensing

2016-02-16

熊文成(1981—)，男，江西丰城人，博士，高级工程师，主要从事生态环境遥感工作，E-mail：21039037@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.012

X328

A

2095-6444(2017)02-0043-05