高分光学遥感影像在铁路勘察中的应用及展望

任晓春，李 伟，王 玮

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

在我国路网覆盖扩大、功能结构优化、既有路网质量提高等多重任务并举和面向“一带一路”国际通道建设、高速铁路“走出去”战略不断推进的背景下，高效完成铁路勘察设计任务是提升我国铁路勘察设计技术核心竞争力的重要途径。当前铁路勘察设计任务受各种环境因素的影响愈来愈多，急需提高铁路勘察设计的定量化和精细化水平。由于高分光学遥感卫星具有可视性好、时空分辨率与几何定位精度高、技术实现性好等特点，因此有必要对目前高分光学遥感影像的发展及其在铁路勘察设计领域的应用现状进行梳理，并以提高勘察设计工作效率和质量为切入点对高分光学遥感影像铁路勘察设计应用的趋势进行展望与分析，以期提高我国铁路勘察设计领域高分光学遥感的应用与系统化水平。

1 高分光学遥感的发展

1.1 国外发展现状

美国先后发射了IKONOS、QuickBird、OrbView、Geoeye、WorldView等系列高分光学遥感卫星，形成了空间分辨率为0.31～1 m、时间分辨率为1～3 d的对地观测能力。且这些卫星获取的高分影像存档数据可以追溯到2000年，在历史地理信息获取方面具有重要作用。截至目前，美国在轨运行5颗高分商业光学遥感卫星，分别为Geoeye-1、WorldView-1/2/3/4，能够在更短的时间内提供高光学解析度、高几何精度的光学遥感影像[1]。美国商业光学遥感卫星影像地面分辨率和立体成像能力不断提高，直接定位精度显著增强，设计理念和技术指标都在稳步推进，确保了美国在高分光学遥感卫星的领先地位。

法国光学遥感卫星主要是SPOT系列卫星，在轨运行的有SPOT 6/7和Pleiades-1A/B共4颗。SPOT 6/7卫星在保留SPOT系列卫星特点的基础上将空间分辨率提升至1.5 m。Pleiades-1A/B则实现了更高的空间分辨率和观测灵活性，其空间分辨率达0.5 m，并且在数据获取模式方面也进行了重新设计。这4颗卫星形成正交分布的星座，实现了对地观测任意地点每天两次重访的高时间分辨率的特性，形成了大幅宽普查和特定目标区域详查的工作模式，成为具有较高技术水准和较强竞争力的高分光学遥感星座[2]。俄罗斯的民用高分光学成像卫星目前有3颗在轨运行，Resurs-DK1是该国1999年之后首次发射的地球观测卫星，其空间分辨率达1 m；Resurs-P系列卫星是Resurs-DK1的后继星座，空间分辨率进一步提高，具有较高的地面定位精度和精细化观测能力[3]。以色列的EROS-A与EROS-B目前已形成对地观测星座，在目标影像获取能力、获取频率和获取质量方面性能突出。印度逐步建立了多种分辨率相结合的遥感卫星体系，其中Cartosat-2系列军民两用共6颗制图卫星，空间分辨率最高达0.64 m，组成了水平较高的遥感卫星星座，形成了相当强大的对地观测能力[4]。韩国目前拥有3颗高分对地观测光学卫星，分别是KOMPSAT-2/3/3A，空间分辨率在0.4～1 m之间，具有灵活的成像模式和数据获取能力，保证了对地观测的连续性，具有较高的利用价值[5]。

1.2 国内发展现状

目前，在“高分对地观测系统”国家科技重大专项建设的推动下，我国高分光学遥感时空分辨率得到大幅提升，遥感服务能力明显增强。“北京二号”民用商业遥感小卫星星座(DMC3)是我国首个民用商业遥感系统，可提供覆盖全球、空间和时间分辨率俱佳的遥感卫星数据和空间信息产品。“吉林一号”则是我国第一套自主研发的商用遥感卫星星座，目前包括一颗光学遥感卫星和3颗视频星，分辨率在0.72～1.13 m之间，具备常规推扫、大角度侧摆、同轨立体等多种成像模式，具备开展多领域遥感应用的能力。2017年6月发射的珠海一号OVS-1A/B是“遥感微纳卫星星座”中的2颗1.98 m高分视频卫星，该卫星星座预计在未来2～3年内部署完成，具有高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力的特点[6]。“高分一号”(GF-1)和“高分二号”(GF-2)卫星是我国高分对地观测系统中的光学成像遥感卫星，标志着中国遥感卫星进入亚米级高分时代，与“高分专项”计划中其他卫星和观测平台的结合，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。“高景一号”(SuperView-1)是由2颗空间分辨率为0.5 m的高分光学遥感卫星组成的，这使得我国商业遥感数据水平进入国际一流行列[7]。

“天绘一号”(TH-1)实现了中国传输型立体测绘卫星零的突破，空间分辨率为2 m，采用了基于网络的高效无缝测图技术和高精度控制定位技术。“资源三号”测绘卫星(ZY-3)，则是一颗民用高分光学测绘卫星，影像数据主要应用于地形图制图、高程建模及资源调查等，主要满足1∶5万比例尺立体测图和1∶2.5万比例尺地形图更新需求，以及生产现势性强、精度高的基础地理信息产品[8]。

高分光学遥感影像基于影像少控制点或无控制点的高精度目标定位、立体测图和变化监测是目前的研究热点，未来的发展趋势主要体现在进一步研究大成像孔径、高空间分辨率、高精度和短周期的遥感卫星星座的关键技术，以实现对地观测数据的连续性；发展智能星载数据处理、高精度几何标定和精密定轨以及多源遥感影像复合立体测图与定位技术，形成和实现高分光学遥感卫星的规模化、定量化的业务体系。

2 高分光学遥感影像在铁路勘察设计中的应用

2.1 地理信息产品生产

高分光学遥感影像为铁路勘察设计提供了丰富的数据源，在铁路预可行性研究、可行性研究和初测等勘察设计阶段日益发挥重要作用。文献[9]利用WorldView-2卫星影像数据分别在埃塞俄比亚、吉布提等铁路勘察中进行工程实践，结果表明通过合理布设外控点，高分卫星遥感影像制图精度和功能可以满足铁路勘察设计1∶2000地形图要求。文献[10]验证了基于高分光学卫星遥感影像进行大比例尺地形图更新的方法可大幅减少外业工作量和生产成本。此外，相关研究人员针对不同高分光学遥感影像地形图测制，DEM、DOM制作进行试验验证，分类比较了不同分辨率的光学遥感影像的制图精度和制图能力，为铁路勘察设计进行遥感数据制图生产提供了理论和试验依据[11]。

高分光学遥感影像立体测图在困难地区具有独特的技术优势，如中铁一院在阿富汗、莫桑比克、巴基斯坦等海外、偏远工程项目中，受国家安全、经济效益等影响，在传统航空摄影测量无法实施的条件下，使用WorldView系列高分卫星影像立体数据，完成了大比例尺航测制图及地形图更新工作，满足了不同阶段的铁路勘察设计需求。相关成果如图1所示。

2.2 铁路地质勘察中的应用

遥感技术在铁路沿线地质勘察中的地层岩性、地质构造、水文地质概况及不良地质的分布调查与解译方面发挥着重要作用。文献[12]利用高分QuickBird影像提供的丰富地质异常信息，研究了地质构造异常场在影像上的形态、色调、纹理及地质体在空间的对比关系特征，为认识地质构造提供了一个全新的视角；文献[13]针对中吉乌铁路工程勘察区域地质构造复杂、路线走廊方案比选困难的问题，采用高分遥感技术进行了地质构造解译和特征分析，科学合理地确定了路线方案。中铁一院利用高分遥感影像，以数据为核心贯穿于“遥感-协同-设计”勘察生命周期全系列工作流程，构建高分遥感平台，对不良地质发育的空间形态、时间演化、发育特征等信息进行提取与分析，对提高工作效率，保障工程设计精度具有重要作用。相关研究成果如图2所示。

铁路地质勘察可利用包括高分光学遥感影像对线路区域进行区域断裂构造带、地质灾害源进行解译判定等。未来铁路地质勘察将基于多源遥感数据实现多方位、多视角、多层次和动态观测的工程地质勘察技术，最终达到精细化遥感地质调绘技术水平。

2.3 铁路环境影响评价

铁路环境影响评价针对铁路沿线土地利用、植被覆盖、水土流失等环境因素展开，克服了传统地面环境调查难以全面、客观、动态反映铁路沿线环境状态的问题。文献[14]结合不同数据源的试验验证，说明了遥感数据源质量对生态评价应用的重要影响；文献[15]研究构建了环境监理信息“一张图”的铁路建设环境监理评价系统，为铁路综合环境管理工作提供了技术支撑。中铁一院依托“新建铁路兰渝线兰州至广元段生态环境调查”项目，研究形成了利用高分全色数据进行生态环境调查的相关成果，形成了一套在线路工程生态环境调查中的遥感技术应用体系。相关成果如图3所示。

高分光学遥感卫星已在铁路环境影响评价中有了一定的研究和应用，需要继续研究遥感信息快速提取和影像数据自动处理技术，加强实地生态测量与调查，实现静态向动态评价模式的转换，将铁路环境评价纳入铁路整个运营周期的过程中，不断提高铁路环境评价的质量、时效性和动态性。

3 结论和展望

高分光学遥感卫星在我国铁路勘察设计领域还存在国外数据获取费用高、制图周期长、相关政策制约等因素，高分光学遥感影像相关研究与应用呈现离散化特点，系统化和业务化应用程度较低，数据共享与成果利用的规范化管理，深层化应用等方面存在不足。需要进一步结合铁路勘察设计特点、总结明确业务需求，进一步提高铁路勘察设计一体化、智能化水平。未来的研究重点包括适应于铁路勘察设计特点的遥感影像高精度的处理和智能信息提取与解译、业务应用体系构建等方面，从而形成高效的高分光学卫星遥感铁路勘察设计应用体系。