航空遥感技术的发展及铁路应用

郑佳怡 姚京川 郭继亮 冯楠

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.铁科检测有限公司，北京 100081）

遥感（Remote Sensing，RS）是一门从20 世纪60 年代初以航空摄影为基础发展起来的新兴技术，根据传感器搭载工作平台可分为航天遥感、航空遥感、地面遥感3 类［1］。铁路及其附属建筑具有长条状、里程长、跨越地域广、周边环境复杂等特征，遥感技术具有大范围无接触的特点，非常适合应用于铁路工程。目前国内外暂无铁路专用卫星，将已有卫星数据应用于铁路工程中存在分辨率低、有用数据少、重点数据缺失等问题，造成航天遥感在铁路行业应用中时效性低、成本高的现状。航空遥感的高机动性能够为铁路行业提供针对性的高分辨率影像，弥补了航天遥感重访周期长以及地面遥感人工成本高、监测范围小的缺点，航片不仅可单独使用，也可为大范围航天遥感低质量影像区域提供补充数据。因此，航空遥感在铁路行业中应用广泛。

近年来，随着遥感技术的发展，传感器种类不断丰富，探测能力不断提高，迅速发展的雷达干涉测量、高分辨率卫星遥感、高光谱遥感等新技术为应用于铁路行业的航空遥感注入了新的活力。此外，航空遥感技术与全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）技术的3S（RS，GIS，GPS）集成应用，也持续为中国铁路行业提供动态基础信息和科学决策依据［2-3］。因此，有必要对航空遥感关键技术、铁路航空遥感的实际应用以及面临的问题进行研究与讨论。

1 航空遥感技术现状

航空摄影始于19世纪50年代。1858年12月法国的摄影师纳达尔乘坐气球在巴黎上空拍摄了世界上第一幅航空照片，开始了从空中观察地球的历史，1909 年美国的莱特第一次从飞机上拍摄地面像片［4］。经过几十年的发展，航空遥感已从技术探索试验阶段进入到了如今的实际应用与产业形成阶段［5］，在军事、民用、科研等领域受到重视。随着飞机、飞行技术和传感器的发展，航空摄影像片的质量有了很大提高，用途日益广泛。航空遥感是一门系统集成化的技术，其发展受到遥感平台、传感器、摄影方式、信号传输、数据处理等多项技术的影响。

1.1 航空遥感平台

目前，国内外航空遥感的主要搭载平台为有人机、气球、飞艇、无人机等飞行器。自航空遥感出现以来，大型飞机、飞艇一直是航空遥感平台的主力军。近年来，轻小型飞行器的出现降低了航空遥感的成本与技术难度，正逐步成为航空遥感研究的热点［6-7］。

1.1.1 大型平台航空遥感

在轻小型平台出现之前，航空遥感主要依靠大型飞机、飞艇、气球等平台，广泛应用于地图测绘、国土资源调查、军事、科学研究等领域。大型平台承载的航空遥感系统具有如下特点：①续航能力强，作业范围广；②飞行姿态平稳，安全性好，不易受风、气流等影响，获取影像质量稳定，模型解算精度高；③大型平台遥感常承载地理信息采集等航空摄影测量任务，经过长期发展，行业已趋于成熟；④大型平台可同时搭载多个传感器，实现多源、多模态遥感，完成航空遥感系统集成。

大型平台遥感在多个领域已展现出了优秀的问题解决能力。如中国科学院的2 架“奖状S/II”型遥感飞机，在中国航天、航空对地观测技术的发展方面发挥了重要作用。该平台搭载的遥感系统在北京奥运会筹备期与进行期完成了重要的航空遥感监测任务，还完成了多项重要的环境监测、灾情报告及灾后重建工作的遥感监测任务，为中国生态环境变化与恢复的评估、灾后重建等提供了丰富的科学数据。此外，国家重大科技基础设施“航空遥感系统”由2架ARJ-21型遥感飞机搭载，配备10多种新型遥感设备及高性能地面数据处理系统，是目前国内最先进的航空遥感系统。然而，大型平台遥感目前也面临一些问题，比如空域受限导致大型平台航空遥感作业的地点、时间受限较大，降低了机动性；系统还须配备专门设计的飞机、专业飞行员、专业作业人员，技术难度高，经济成本也较高。

1.1.2 轻小型平台航空遥感

小型平台（如小型无人机）的出现推动了航空遥感朝着轻小型方向发展。轻小型平台遥感的优势有：①灵活、实时、高效，相对于传统大型平台遥感对天气、环境、起降场地等要求较低，作业受限较少［8］；②能够快速地对研究区域进行数据采集，不受卫星遥感重访周期等因素的影响［9］；③数据分辨率更高，拓展了航空遥感的空域，成为中小尺度遥感领域的新工具［10］；④相比于卫星遥感和传统大型航空遥感，轻小型遥感的飞行平台、传感器研发、系统维护等成本较低。轻小型平台遥感凭借自身优势，已逐步从原来主要用于辅助政府宏观决策，扩展到经济建设和社会发展的各个领域，展现了优秀的数据获取与处理能力，为测绘、监测提供有用信息。

轻小型平台也有其缺点：①体积小、重量轻，易受风、气流影响导致飞行姿态变化较大，外加目前适合轻小型飞行器搭载的POS（Position and Orientation System，定位定向系统）精度较低，使其获得的遥感数据质量不稳定，影像校正难度较大；②负载重量与动力的双重限制，导致轻小型飞行器的续航能力较差，无法进行大范围作业；③轻小型平台遥感仍处于起步阶段，市场上的系统良莠不齐，没有统一的规范与标准，作业人员门槛低，因此小型平台航空遥感的安全性较差，事故频发。

大型平台与轻小型平台航空遥感系统获取的数据可相互补充，利用大型平台航空遥感进行大范围基础信息获取，利用轻小型平台遥感进行重点区域或信息缺失区域高分辨率精细拍摄。因此，轻小型平台遥感逐步成为研究热点，大型平台与轻小型平台遥感协同发展是航空遥感系统的发展趋势。

1.2 传感器技术

航空遥感平台可搭载各类成像传感器与非成像传感器，如普通光学数码相机、成像光谱仪、SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）、LiDAR（Light Detection And Ranging，激光雷达）、红外辐射计等。

1.2.1 光学数码相机

数码相机出现之前，航空遥感的拍摄工作主要使用胶片相机，胶片相机在进行测图工作之前必须有一个影像数字化的过程，成本高且处理流程复杂。随着摄影技术的发展及各领域对高分辨率数据日益迫切的需求，数码相机广泛应用于航空遥感系统。根据成像方式不同数码相机大致可分为线阵相机与面阵相机。线阵相机沿着航线方向，对地物进行逐行推扫成像。Leica 公司推出的ADS 系列相机即为一款经典线阵航空相机，采用三线阵推扫方式成像，拍摄时有前视、后视和下视3 种投影模式。面阵相机的传感器是由光敏元件组成的一个矩阵，成像时探测器所有的光敏元件同时曝光，不须要进行推扫等机械运动，能直接得到与面阵探测器对应的面阵影像。经典的面阵数码相机有Z/I 公司的DMC 系列［11］、Vexcel 公司的UCD 系列、中科院的MADC 系列、中国测绘研究院的SWDC系列等。这里提及的相机大多须用大型平台搭载，在航空摄影测量方面表现优异。近年来随着无人机等小型平台的发展，航空遥感门槛降低，常见的商业相机也应用于航空遥感，如佳能、索尼、Leica等公司推出的各类小型数码相机，丰富了航空遥感光学载荷的类别。

1.2.2 成像光谱仪

成像光谱仪融合了成像技术和光谱技术，可同时获得地物目标的地理信息与光谱信息，提高了遥感应用的定量化水平，主要工作范围为可见光、近红外和短波红外波段。成像光谱仪的出现使航空遥感技术发生了质的飞跃，从地物分辨发展到对地物直接识别，从探测宏观地物发展到探测地物的组分乃至化学组成。目前国际上主流的机载高光谱仪有美国的AVIRIS，澳大利亚的Hylab，加拿大Itres公司的CASI，SASI，TASI，中国上海技术物理研究所研制的OMIS和PHI［12］。

1.2.3 SAR传感器

SAR 是一种主动式微波传感器，通过向成像区域发射电磁波能量，然后记录来自目标物的返回信号。SAR 主要工作在电磁波谱的微波波段（波长0.1～100.0 cm），不受光照和天气条件的限制，可全天时、全天候对地观测；在一定条件下，波长较长的微波还具有对地物的穿透性，其成像的立体效应增强了地形信息。这些优势使得SAR遥感技术在地质学中得到了广泛应用及深入发展。目前，航空遥感典型机载SAR 系统有美国的AIRSAR 和GeoSAR、加拿大的CV-580SAR、丹麦的EMISAR、德国的E-SAR、巴西的OrbiSAR等，这些传感器覆盖了P，L，C，X 等波段，且一般都具有全极化和干涉测量功能。中国于20 世纪70 年代开始开展机载SAR 的研制，已成功研制了多种型号的机载SAR 系统，如中国测绘研究院牵头研制的CASMSAR 系统，可以获取0.5～5.0 m空间分辨率的多波段（X和P波段）、多极化（HH，HV，VH，VV）干涉与立体SAR 数据，中国航天科工集团第二研究院研制的CSAR 系统，工作波段为C 波段，综合了4种极化方式，集合了实时成像处理和事后高分辨图像精处理功能。

1.2.4 LiDAR传感器

LiDAR 是一种激光探测与测距系统，通过测量飞机的位置、姿态、对地距离及扫描角度，获得地面扫描点的空间位置坐标。LiDAR 属于主动遥感，可全天候工作，有一定的穿透性且周期短、精度高，是目前地形测量和三维建模的重要手段之一。LiDAR系统近年来发展迅速，除了最大测程、脉冲频率、测量精度等硬指标不断提高外，回收回波信号的方式也在进一步改进。目前主流的机载LiDAR 厂商有Leica，Optech，Riegl，Trimble等。近年来出现了一种单光子雷达，采用与以往模式完全不同的光子计数工作模式，功耗更低、探测精度及效率更高，以Leica 公司的SPL100为代表。

目前航空遥感的各类传感器性能逐日上升，种类日益丰富，但中国境内的航空遥感传感器大多为飞机等大型平台设计，轻小型平台航空遥感处于起步阶段，可供选择的传感器较为单一。中国的大多数相关研究依赖他国商业化小型传感器，现已无法满足形式日益丰富的实际应用对数据的要求，对轻小型航空传感器的研制需求也日趋紧迫。

1.3 摄影方式

航空遥感的摄影方式可按像片倾斜角分为垂直摄影和倾斜摄影2类。像片倾斜角是摄影机主光轴与通过透镜中心的地面铅垂线间的夹角。

垂直摄影为像片倾斜角等于0°的摄影。垂直摄影的主光轴垂直于地面，感光胶片与地面平行，在实际作业中当倾斜角小于3°时即可视为垂直摄影。垂直摄影获得的影像称为水平像片，水平像片上各部分的比例尺大致相同，可进行位置关系判断与距离基础量测。传统的航空遥感拍摄方式一般为垂直摄影，航空遥感的重要产品之一即为数字正射模型。

倾斜摄影为像片倾斜角大于3°时的摄影，获得的影像称为倾斜像片。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，如图1 所示。倾斜摄影技术以大范围、高精度、高清晰度、多角度的方式全面感知复杂场景，直接提供了丰富的地物侧面信息，减少了须额外对建筑物侧面纹理信息进行采集及影像修正的工作量，使得三维重建技术的成本大幅降低。

图1 倾斜摄影示意

2 航空遥感在铁路领域的应用

航空遥感作为一种新兴技术应用于铁路勘察设计、施工建设、运营维护等铁路工程各阶段，使大范围、无接触、机动性监测成为可能，逐步打破了传统铁路工程人工、设备高成本的局面。近年来航空遥感在铁路领域的应用情况见图2。

图2 航空遥感在铁路领域中的应用

2.1 航空遥感在铁路勘察设计阶段的应用

航空遥感在铁路勘察设计阶段中主要有两方面应用：地形测量制图与地质资料采集［13］。在铁路勘察设计阶段须进行地形测量与大比例尺地形图制作，在地形资料缺失或精度不高的情况下，利用传统地面测量的方法很难快速完成地形测绘，尤其是在地形地质条件复杂的地区，利用航空遥感可较快地获得区域地形图、数字高程模型等铁路线路设计所需的重要资料。在勘察设计阶段还须对区域地质勘察，航空遥感影像可直接或间接提供沿线大比例尺地质与水文资料。航片反映的地表地物宏观、逼真，根据影像中的纹理、色调、图形等特征，解译出区域内地层、岩性、地质构造、不良地质等信息。

早在1935年中国就已建立了铁路航测分队，完成过重庆—长沙、宝鸡—成都等线路的大比例尺地形图制作与川汉（成都—汉口）铁路等线路的选线图制作。新中国成立后铁道设计总局成立了航测组进行铁道专门的勘察测量工作。中国从20 世纪开始将航空遥感技术应用于铁路勘察设计工作中，至今已有很多成功的案例。在兰新（兰州—乌鲁木齐）铁路选线时缺乏地质资料与地形地图，尤其是兰新线东段，地质地形条件不允许大规模的人力测绘，因此在选线工作中引入了航空测量法，作业人员根据航空遥感影像勾绘出沙漠、沼泽、盐湖、碱滩等不良地质的分布范围，所得信息支持决策，选择出了经济合理的线路方案，大大加快了兰新铁路的勘测工作。“天保大”（天津—保定—大新）铁路的选线也应用了航空遥感技术，通过结合不同时相、不同比例尺的航空像片陆地卫星影像进行室内解译及外业验证，编绘出了1∶10 000 大比例尺工程地质图，为线路专业人员确定主要推荐方案提供了可靠的基础资料。此外，在集通（集宁—通辽）铁路、青藏（西宁—拉萨）铁路格尔木至拉萨段、川藏（成都—拉萨）铁路等线路的勘察设计阶段，航空遥感技术均发挥了极其重要的作用［14］。

随着航空遥感技术的发展，新型摄影方式与多源传感器也被引入到铁路勘察阶段。中铁第一勘察设计院集团有限公司在西藏青藏高原某区段铁路勘察设计阶段，针对测区植被覆盖茂密和地形艰险的现状，利用航空遥感倾斜摄影技术获取了重点边坡坡面的地质信息，构建了680 km2的优于5 cm 的三维实景，并结合二维影像和其他地质资料，利用遥感解译技术方法完成19 处工点的地质信息、地质构造、不良地质、其他潜在威胁对象等因素的信息采集与判别解译［15］。

航空遥感在国外铁路勘察设计工作中也发挥了重要的作用。中国铁路设计集团有限公司在泰国进行泛亚铁路网的勘察设计工作中利用机载激光雷达技术克服了热带雨林地貌复杂、植被茂密、外业风险高的高难度工作环境，为工程提供了1∶2 000 的大比例尺地形图、19 000 个线站桥隧专业横断面等基础资料［16］，促进了中国与国外铁路技术的合作与交流。

2.2 航空遥感在铁路施工建设阶段的应用

航空遥感在铁路施工建设阶段中主要有两方面应用：工程管理监督与施工环境监测。在铁路施工建设阶段须对工程进行管理监督，铁路建设属于大范围、建设周期较长的工程，利用传统台账的方式无法对工程进行整体监控和指导，可视化程度低。利用航空遥感进行定期巡视，可留取高分辨率工程进度资料，还可利用数据建立施工现场三维平台，支持施工部门的决策、完成施工组织管理等，并协助施工单位现场工作（如取弃土场的选取），辅助下一施工阶段的安排。

在铁路施工建设阶段还须对施工环境进行监测，主要包括施工建设中周边生态环境的变化、施工建设中地表地形的变化及地质环境的变化。在铁路建设过程中不可避免地割裂当地的地理环境，对生态、自然景观及地表地质状态带来极大的影响。大多数生态环境与地表地质变化无法短时间内从小范围定点获知，须进行大范围观测。卫星观测受轨道过境范围与时间限制很大，而利用航空遥感数据可以对周边环境、地表地质等进行大规模数据采集与留存，结合遥感图像解译与GIS空间分析技术对施工各类环境进行监测与分析。

近年来，航空遥感技术在铁路建设阶段已有了很多实际应用。中航勘察设计研究院有限公司利用无人机遥感结合卫星遥感的方式对施工现场进行地形和地质地貌、地面建筑物等情况的信息采集，将设计好的铁路三维模型数据导入三维GIS，实现了在建铁路的漫游浏览、三维可视化展示、信息查询及分析功能［17］。中铁二院工程集团有限责任公司利用无人机遥感在成昆（成都—昆明）铁路复线施工建设阶段克服大高差地形获取施工区域的高清影像，结合定位技术完成三维建模，对线路施工开挖土石方量进行监测［18］。此外，中国铁路设计集团有限公司在浙江某铁路项目施工过程中还将航空遥感技术用于地质地形监测，建设过程中隧道口施工场地边坡出现了滑坡迹象，采用无人机搭载高精度POS（GPS+IMU）及倾斜相机利用倾斜摄影技术对施工场地进行三维实景建模，对该滑坡区域进行了为期一周的监测［19］。

2.3 航空遥感在铁路运营维护阶段的应用

航空遥感在铁路运营维护阶段中主要有三方面应用：运营期复测与监测、周边安全监测及铁路基础地理数据信息化。地形地质复测与监测是铁路运营监测的重要内容，相比于构筑物监测，地形地质复测与监测涉及范围广、面积大，定点观测耗费的人力与时间成本高，而航空遥感可在地形地质的复测监控中发挥很大的作用。运营铁路受地理环境变化、地质灾害的影响很大，在山区等复杂地理区域，严峻的地势及灾害环境使作业的难度加大，此时利用航空遥感技术可以获得高分辨率、高时效性的影像数据，对铁路沿线地表环境进行监测，并对威胁铁路行车安全的落石、滑坡、泥石流进行监控与预警，推进智能铁路运营维护。

铁路线路跨度长、跨越地域广且情况复杂，对铁路沿线的安全监测需要投入大量的人力物力，现有的人防物防技术时效性低、误判率高，利用航空遥感技术可对铁路沿线进行定期巡查，尤其是小型遥感平台如无人机遥感系统可以大大缩短安全监测的周期，做到重点区域短时间的持续监测。航空遥感技术配合深度学习等新兴的遥感图像解译技术可做到非法侵线、违规建筑等风险源的快速高效识别。

航空遥感在铁路基础地理数据信息化的过程中也发挥了重要的作用［20］。数量足够、质量达标的铁路基础地理数据是进行铁路运营维护的基础。航空遥感影像可为既有铁路运营维护提供大量基础地理信息，如线路的具体位置、线路周边地理人文环境情况等，还可快速、及时地实现大规模地理信息库重点区域的信息更新，构建铁路沿线三维模型，协助管理部门进行决策，推进铁路运营维护工作的可视化与信息化，大幅提升运营维护效率。

在既有铁路的运营维护阶段，遥感技术也已有不少成功应用案例。京广（北京—广州）铁路是中国第一条利用航空遥感技术进行复测的线路，1960 年进行了安阳至武昌段的航摄，1965 年复测完成了该区间内288 km2的1∶2 000比例尺的地形图。北京铁路局的统计数据显示，常规方法须20年完成的复测任务利用航测方法仅需6 年时间，并且费用仅为常规方法测量的5%［21］。复测成果应用于土地管理与规划、抢险救灾、工程病害防治等多方面。遥感技术在既有铁路的地质监测中也有成功应用，在成昆铁路沙湾至泸沽段，利用传统地面方法调查发现36条泥石流沟，同期利用航空遥感技术则探查验证出73条泥石流沟，航空遥感的探测效率是地面遥感的2～3倍，调查结果也更加全面［22］。

3 铁路航空遥感面临的制约因素

3.1 政策法规的限制

航空遥感涉及复杂、长周期的机场和空域申请流程，对云层等天气条件要求高，时效性较差，无法完成铁路工程突发灾害应急处理等任务。除统一空域管理外，各地方、各行业也依法出台了与其相适配的更为严格的规则与规定，对各类飞行器管制十分严格。但近年来，随着各类飞行器行业的蓬勃发展，1 000 m以下的低空空域一定程度上放开了限制，逐步简化低空空域的申请流程，小型低空遥感（如无人机遥感）发展势头迅猛。

3.2 安全性有待提升

安全因素是制约航空遥感技术在铁路领域应用的主要因素之一。对铁路行业尤其是对铁路既有线路应用航空遥感方面的安全管控十分严格。由于高空空域限制以及铁路日益迫切的实时性监测要求，铁路工程对小型低空遥感，尤其是抵近能力好、时效性高的无人机遥感的需求越来越多。目前国内无人机质量参差不齐，事故率较高，为了避免无人机对铁路行车安全的影响，铁路部门已明文规定在沿线500 m范围内不能飞放无人机、飞艇、气球等飞行器。

创新性不强、核心技术缺乏是国内航空遥感安全性较低的主要原因。中国遥感系统重集成、轻开发，一些核心关键元（器）件须从国外采购，自主研发的飞行平台、传感器、软件系统、高精度POS 与稳定平台可靠性和专业性差，寿命短。近年来，国内的商业无人机生产商与相关科研院所已开始重视飞行控制系统的自主研发，无人机平台稳定性与安全性有了很大程度提高，国产低空遥感平台正在逐步向铁路行业的高安全标准靠近。

3.3 标准缺乏

中国航空遥感产业发展整体上缺乏协同性，军民分立、行业分立、条块分割、标准缺乏导致航空遥感难以统一管理。铁路线路涉及范围广，各省级单位的航空遥感管理标准不统一，相关资源和技术难以有效整合，跨行业数据共享困难，造成了低水平重复建设等问题，加大了铁路复测工作量，进而导致铁路信息化建设受阻。制定铁路相关的航空遥感管理与应用标准的需求日益迫切。

4 结语

航空遥感技术从20 世纪出现以来得到了长足发展，多源、多模式的航空遥感数据已广泛应用于铁路工程的各阶段。航空铁路遥感的应用减少了外业人员、设备的投入，降低了危险地区作业的安全风险，提高了工作效率和经济效益。然而，国内航空遥感在铁路领域的应用时间较短，存在一定程度的不足。随着技术水平与管理水平的不断提高，航空遥感技术将在铁路行业得到更为广泛与深入的应用。