高铁周边环境的空天光学遥感监测及特点分析

李颖婕，金伟其，裘 溯，张紫越，王 霞

（北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081）

当前，我国拥有全球最大规模的高速铁路（简称：高铁）运输网，根据《中国国家铁路集团有限公司2020 年统计公报》显示，截至2020 年末，我国高铁营业里程达3.8 万km，占铁路运营总里程的1/4。我国高铁线路的不断开通运营，促进了国民经济的发展，也对高铁外部环境安全保障工作提出了更高的要求[1]。然而，当前我国高铁外部环境的治理工作仍主要以人工排查方式进行，排查范围大、隐患类型多、参与排查人数少等因素使得高铁外部环境治理工作难以高效、客观、全面地开展。考虑到我国幅员广阔，且有诸多路段处于人烟稀少的山区，列车运行易受周边环境影响，除各种车载、地面安全监测技术外，更广域的周边环境安全监测技术十分必要。

空天光学遥感技术具有探测范围广、多信息综合、周期性等特点，突破了常规地面探测对人力消耗严重、受地理政治因素制约等局限性，通常用于重要活动、大型赛事中的地面安全监控，或为自然灾害[2]（如图1 所示）与公共安全事件提供监测数据支持。作为高铁周边地面监测的重要补充手段，空天光学遥感技术具有广阔的发展空间。本文将在分析当前空天光学遥感及其地面安全监测应用的基础上，分析其用于高铁周边安全监测的需求与特点。

图1 基于无人机遥感影像的滑坡分析[3]

1 空天光学遥感技术及其地面环境安全监测应用

空天光学遥感技术按照遥感器搭载平台的不同，分为以航空器为平台的空基遥感技术和以航天器为平台的天基遥感技术。2005 年，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中确立发展基于卫星、飞机和平流层飞艇的高分辨率对地观测系统以来，我国空天遥感技术逐步迈入国际一流水平。无人机遥感系统在民用市场也得到广泛应用，消费级无人机大量普及，并在大型、集会型活动中辅助安防工作；浮空器遥感系统以政府牵头研发为主，民用方面承担大型赛事、博览会的全天候监控工作，军用方面则主要进行长期边境监控；以光学成像卫星为主的遥感卫星系统在政策支持下加快了商业化脚步，军民融合的天基遥感系统推动了遥感数据的商业化普及，在国民生活的各个领域发挥重要作用。本文的地面环境安全监测应用主要指重大活动安全监控、自然灾害监测及国民经济建设情况监测等。

随着空天技术的迅猛发展，空基、天基遥感探测呈现“三全”（全天候、全天时、全球观测）、“三高”（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率）、“三多”（多平台、多传感器、多角度）的发展趋势[4]。

1.1 空基光学遥感技术及其地面环境安全监测应用

空基遥感平台飞行高度通常在80 km 以下，以无人机和浮空器为主，相比地面探测，其受地理条件限制小且弥补了天基遥感机动性差、易受云层遮挡影响的不足，响应速度快、部署时间短、滞空时间长，可在短时间内对特定区域进行全天候实时探测，常用于大型活动和敏感地区的环境安全监测工作。

1.1.1 无人机遥感系统

随着全球卫星定位系统（GPS）、无刷电机、数字模式无线电等技术的发展，无人机作为一种由无线电或自备程序控制的无人驾驶航空器[5]迅速向民用领域扩展，逐渐成为卫星、有人驾驶飞机遥感的有效补充手段[6]。2010 年后，以大疆创新公司为代表的新兴技术公司将无人机推向消费级市场，扩大了民用无人机在行业的主导地位。

无人机光学遥感是在无人机技术基础上形成的新型航空遥感系统[7]，搭载小型集成式遥感器，实现机动灵活、实时传输、全天候的遥感探测。由于无人机光学遥感系统分辨率高、操作方便，能够在保护人员安全的同时获取更全面、有效的信息，辅助进行安全管控和应急处理，广泛用于聚集性活动监控或固定线路巡视与跟踪。2016 年，杭州G20 峰会现场采用配有高清摄像头的警用无人机实时观察周边动态；2019 年，美国超级碗现场采用大疆 M200无人机连接到具有供电能力的系留基站，对比赛现场进行空中监控，如图2 所示[8]，该无人机飞行高度约为100 m，能够对周边半径1.5 km 的区域进行数小时的实时监控。

图2 系留无人机遥感系统结构

1.1.2 浮空器遥感系统

浮空器是一种效费比高、负载能力强、可长期驻空的遥感探测平台。通过搭载可见光高清相机、红外相机、雷达等设备，浮空器可对某一区域进行长期数据采集，相比无人机安全性更强。按照飞行高度的不同，浮空器分为最高飞行高度为8 km 的中低空浮空器和飞行在20～100 km 的临近空间高空浮空器[6]。

由于无需消耗能源克服自重，浮空器具有更强的搭载能力，驻空时间最长可达几十天，能进行24 h无间断探测，浮空器遥感系统与无人机相比更适用于长期、大范围、全天候的地面安全监测。此外，浮空器遥感系统探测范围更大，例如，驻空高度300 m 的小型机动式系留浮空器可观测范围约20 km，驻空高度4 000 m 的大中型系留浮空器的观测范围则扩大到半径350 km 的区域[9]。

当前，各国对于中低空浮空器的研发已相对成熟。2010 年，上海世博会采用中国电科集团研制的“天眼”车载系留浮空器系统进行世博会监视预警工作[10]，如图3 所示。系统由氦气车、通信测控车、锚泊车和容量达1 600 m3的气球4 部分组成，可抵抗8级台风与雷暴，并搭载4 台可见光高清摄像机、1 台红外相机和1 台高光谱相机，可对16 km2的区域进行全方位、全天候监控。

图3 中国电科“天眼”浮空器

1.2 天基光学遥感技术及其地面环境安全监测应用

天基遥感作为现代遥感技术发展最强势的领域，以人造卫星等航天器为平台搭载可见光、红外、微波等多种遥感器来实现对地观测。其轨道高度通常在几百公里，具有探测范围广、探测周期短、不受地理政治因素限制等特点，可用于地面长期动态监测。

1.2.1 光学成像卫星

遥感卫星按照工作波段可分为光学与雷达卫星，其中，光学成像卫星以可见光、近红外光、短波红外光和热红外波段为工作波段，由于波长比微波短、光谱波段信息丰富，可获取高质量、高空间分辨率的影像，有利于分析地物的光谱特征与空间特征。根据美国忧思科学家联盟（UCS）的数据，截至2018 年11 月底，各国现存的遥感卫星中光学成像卫星占比第一[11]，是当前天基遥感发展的主要方向。

随着空间技术的迅猛发展，光学成像卫星空间分辨率从米级全面进入亚米级。2010 年我国启动高分辨率对地观测系统重大专项，全面提升了对地观测卫星技术水平，为我国发展建设提供了高质量遥感数据支持。此外，自2014 年我国发布《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》，鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星以来，商业遥感卫星产业得到了快速发展，通过小卫星组网技术可形成大覆盖范围、高分辨率、快速响应的对地观测系统。

1.2.2 光学卫星遥感系统

光学卫星遥感系统由于部署在地球同步或太阳同步轨道，可进行大范围的地面环境探测，在寿命期间内，可周期性获取地面探测数据，有利于对区域长期发展变化的监测。同时，随着小卫星星座的成功部署，卫星遥感数据在空间、时间分辨率上与空基遥感系统的差距逐渐缩短，其数据源稳定、数据类型丰富、数据覆盖周期长的优势凸显。

2020 年初，为抗击新冠，武汉市成立联合工作组，使用高分二号、吉林一号、Pleiades 等卫星数据，对武汉火神山、雷神山医院建设情况进行监测分析，并利用珠海一号高光谱卫星收集的周边水域影像数据，分析施工过程对周边水质的影响情况，同时，公开遥感监测影像，让建设进度透明化，对稳定社会情绪起到了重要作用[12]。2020 年3 月5 日四川攀枝花森林火灾和3 月29 日云南南涧森林火灾后，相关部门根据珠海一号高光谱遥感数据对灾前、灾后影像对比反演[13]，进行过火区识别与火烧迹地制图，为火情监测工作提供数据支持。多元、多层次、全方位的高分辨率遥感数据在经济建设、民生发展、国防安全等领域的监测分析方面日益发挥重要作用。

2 高铁周边安全保障的空天光学遥感监测技术分析

分析全国各铁路局集团公司统计的高铁外部环境事故数据[14]可知，自然灾害预测监测和安全隐患排查治理是高铁外部环境治理的重点工作需求。传统的高铁安全监测手段以大量铺设地面监控设备为主，监测范围有限，部署成本过高。空天光学遥感技术能够填补复杂环境与隧道外部难以人工排查的缺陷[15]，从空天视角为安全防范提供更客观、准确、及时的信息。

2.1 应用需求与方法

2.1.1 应用需求

建立高铁周边安全的空天地保障系统，需要满足对高铁周边既有地质灾害筛查和典型隐患识别的需求。以彩钢瓦、塑料大棚和防尘网为例，其尺度从几米到几十米不等。彩钢瓦房顶部的单片彩钢瓦宽度约1 m，常见的活动房最小规格标准为5.62 m×3.80 m，通用塑料温室大棚建造的最佳规模为跨度（短边）8～10 m，工地中常见的盖土防尘网单卷的宽度为6～8 m，为使目标在遥感影像中能够清晰成像，卫星影像分辨率需要达到亚米级，必要时使用空基光学遥感影像进行辅助分析。

2.1.2 应用方法

目前，公开的全色影像可达到0.5 m 的地面分辨率，但多光谱影像的分辨率尚未进入亚米级，从多光谱信息有利于目标检测的角度考虑，传统方法通常结合全色图像进行多光谱遥感图像的全色锐化增强处理，如图4 所示。随着人工智能的发展和应用，使用深度学习技术能够学习影像的隐形特征，进一步提升遥感影像的分辨率，充分结合全色图像的高分辨率和多光谱的光谱信息，提高目标的探测和识别能力。

图4 多光谱与全色遥感图像及其融合图像的比较（Landsat8 影像）

面对具体的应用需求，空天光学遥感系统的应用部署也应有所不同。

（1）在常态化监测任务中，以卫星监测为主，通过定期回访，动态分析高铁周边变化情况，对重点区域，可配合无人机和地面监控系统进行全方位安全监测；

（2）在重大活动等特殊任务中，为保证实时获取高分辨率影像数据，提供全天候高铁周边安全保障，可部署浮空器进行特定区域长时间驻空监测，并联合地面安全保障部门进行隐患及时排查处理与应急指挥工作。

2.2 应用领域

2.2.1 自然灾害预测监测

现在，轩轩上了幼儿园，他的身体还真强壮了很多，不再经常生病，也愿意去幼儿园，就是脾气太难琢磨了。有时他跟小朋友玩得正高兴，突然就没来由地推别人一下、抓别人一把、跺别人一脚。我们真的很纳闷：宝宝的身体不招病了，不会是心理又出问题了吧？

我国山地面积较大，山区地势复杂、偏僻，易发生滑坡、泥石流等自然灾害[16]，是导致高铁事故的最主要原因。空天光学遥感技术可不受地理因素限制对外部环境进行大范围监测，在自然灾害预防、灾情发展检测、灾后评估方面发挥重要作用。

（1）在自然灾害预防方面，地质类灾害的孕育、形成与发生往往与其所处环境的地质情况有关[17]。因此，利用高分辨率卫星影像对灾害易发区进行周期性地质变化监测，根据地面光谱、地形信息，反演地表形变信息[18]，评估高风险区域，发现异常及时报警，为应急处置与调度指挥提供预警信息。

（2）在灾情发展检测方面，根据卫星影像检测的灾情位置，启动空天地结合的应急救援系统，由地面中心派遣无人机到灾情点进行实时灾情监测，并配合通信、导航卫星进行视频回传，及时反馈灾情信息，辅助救援指挥工作。

（3）在灾后评估方面，通过对比灾前、灾后卫星遥感影像，分析受灾区域与灾情发展轨迹，能够有效评估灾情信息，为相关部门后续救灾与恢复提供数据支持。

2.2.2 安全隐患排查治理

高铁周边影响运营安全的安全隐患类型繁多，包括彩钢瓦房、危树等隐患地物[19]，违法违规侵占、施工等情况。传统人工排查方式客观性差、排查效率低，基于空天光学遥感技术采集沿线大范围高分辨率影像可全面获取高铁周边环境信息，探测范围广。安全隐患排查治理可分为隐患智能识别、预警排查、动态回访、事故定责4 部分，如图5 所示。

图5 安全隐患排查治理功能设计

（1）隐患智能识别

结合隐患空间与光谱特征，选取相应波段的高分辨率遥感影像，使用人工智能技术进行遥感影像增强，通过典型隐患地物标注建立隐患地物数据库，采用人工智能目标识别技术，对隐患地物进行智能识别，并使用GIS 技术对隐患信息进行统计分析，从而建立隐患智能识别系统，实现高铁周边隐患快速识别。

（2）预警排查

根据地物位置范围，划分隐患风险等级，针对高风险区域，部署地面监控设备并联合相关部门进行重点监控，分析隐患发展演变趋势；针对已发生侵占事实的情况，由相关人员进行实地排查制止。

（3）动态回访

在排查工作后，利用遥感卫星可对任意地点周期性回访的特点，对排查情况进行定期监测，及时了解新增或复发情况，有效提高隐患处理效率。

（4）事故定责

在侵限事故或违法情况发生后，存储的前期遥感影像数据，可作为有效凭证清晰判定事故责任，确定责任主体，辅助执法人员进行相关处罚。

3 结束语

本文从当前高铁周边安全保障工作需求出发，为解决地面监测局限性大、效率低的问题，结合空天光学遥感系统的探测特点与地面监测应用，从应用需求与应用方法两方面，分析了空天光学遥感技术在高铁周边安全保障工作中的应用前景，为空天光学遥感技术在铁路安全工作中的应用提供了新思路。

随着空天技术在领域重大难题上的突破，为完善高分辨率对地观测体系，我国空天光学遥感系统将向标准化、集成化、智能化发展，建立空天地协同[20]的全天候、全时空、全要素安全保障体系成为必然趋势。高铁运营安全作为经济、社会稳定的重要环节，未来应充分利用遥感大数据优势，探索与空天光学遥感技术更深入、更全面的结合。