铁路外部环境风险源遥感监测及管理研究

2021-09-08肖铭哲

铁道勘察 2021年4期

肖铭哲

(中国铁路广州局集团有限公司,广州 511487)

1 概述

截至2020年底,我国铁路营业里程达到14.63万km,其中高铁里程3.79万km。铁路外部环境风险源已成为铁路安全问题整治工作的主要对象,做好铁路外部环境安全问题整治工作是防范化解铁路重大安全隐患、确保高铁和旅客列车安全重要手段。同时,也对铁路外部风险源的监测提出了更高的要求[1-3]。

目前,铁路外部风险源发现、巡检、处置等环节多采用人工方式完成。但该方式在大范围监测方面存在明显不足[4]。具体体现为:①受人力资源的限制,一线工区人员工作任务饱满,在铁路沿线周边环境巡检工作中难以投入较多人力;②在南方山区,地质地貌条件复杂,隧道顶部、密林区等段落,人员难以到达,不能做到全覆盖的巡检,存在安全防护的盲区和漏洞;③受检查人员视线角度的限制,实地巡检或者高铁添乘检查存在视线遮挡,高层建筑物屋顶等风险等级较高的隐患点无法被准确发现;④风险源的管控信息化水平较低,仍然以外业纸质记录,内业电子表格的方式进行管理,不同管理层级之间存在信息孤岛。

卫星遥感数据具有时空分辨率高、宏观性强、可视性好、纹理丰富等特点[5],其高分光学遥感影像可用于铁路勘察中的地理信息产品制作、地质遥感解译与环境影响评价[6-7]。光学、微波、卫星定位等遥感技术在既有铁路地灾防治中已有深入研究[8-11],借助卫星遥感技术大范围、快速重返拍摄获取数据的能力,于胜利等在铁路周边环境隐患识别与监测中进行尝试[12-14]。但是目前的研究成果中,针对卫星遥感技术与GIS技术融合应用于铁路路外风险源的监测与管理的研究还相对较少。

2 总体技术思路

为了解决上述人工监测中存在的弊端,结合路外环境风险源监测的现状与一线工区人员的业务需求,提出一种基于遥感技术的路外环境风险源定期动态监测方法,以实现对每个风险源的全周期的信息化管理。其基本流程见图1。

图1 铁路外部环境风险源遥感动态监测工艺流程

(1)资料整理

资料整理工作主要包括线位资料收集、整理,系统平台底图影像制作,不同级别行政区界、各等级名称注记等基础地理信息数据资料的收集整理。资料整理工作的主要目的是为桌面管理系统与移动巡检APP的搭建提供基础数据,以便于后续风险源部分属性信息的自动计算(如起止里程、距离线位距离、所处省、市、县及镇等)。

(2)卫星动态监测

卫星动态监测主要用于代替传统无差异人工巡检,采用高精度遥感变化自动检测方法[15-16],严密监控新增风险源及风险源处置现状,实现对风险源档案的动态更新,降低漏检率,增大监测覆盖面。基于卫星遥感定期监测可发现变化的风险源,并自动推送到系统平台,一方面可以指导人工巡检,提高针对性;其次,可以复核处理情况是否与实际相符;最后,还可以发现漏检的风险源。

(3)系统平台搭建

铁路路外风险源监测管理系统主要包括路外风险源桌面管理系统与移动智能巡检APP两大部分。通过两个软件的协同作业可以实现海量路外风险源数据的高效管理;基于二维GIS技术对铁路外部环风险源建立多维时空数据库,实现风险源的时空属性查询和多维度统计分析,并将GIS技术与铁路外部环风险源管理业务进行深度融合,可实现风险源的“发现-复核-处置-销号”的全周期管理回溯,大大提高站段的管理效率与一线巡检人员的工作效率。

3 技术适用性分析

卫星遥感技术具有宏观性强、周期性拍摄、影像色彩纹理丰富等特点,相较于传统人工巡检方式具有显著的优势。该技术在既有铁路灾害早期识别、铁路勘察设计等领域已有泛应用。但对于铁路沿线彩钢房、防尘网等重点监测对象,目前缺少相关应用研究。结合广铁集团相关线路中的示范应用,从影像分辨率、卫星数据源类别、卫星重访周期3个关键因素出发,对卫星遥感技术在铁路路外风险源监测中的可行性进行深入分析。

(1)影像分辨率

影像分辨率代表卫星识别地物的清晰程度。需要从投入成本,识别精度、处理工作量等方面综合考虑,选择合适分辨率的影像。为了验证不同分辨率对风险源识别效果的影响,制作了同一观测区域的不同分辨率的影像(见图2)。从图2中可以发现,0.2m、0.5m、1m分辨率影像均能够有效区分彩钢房地物,2m分辨率影像相对模糊,彩钢房色彩以及边界显示不清晰。考虑监测成本以及数据处理效率等问题,尽管0.2m分辨率的监测精度较高,但其成本为0.5m或者1m数据的数倍,在长期业务化的动态监测中性价比不高。因此,在路外风险源监测中,可以在城市等建筑物密集的区域使用0.5m分辨率卫星影像,在山区及建构筑物稀疏的区域使用1m分辨率卫星影像。

图2 不同分辨率卫星影像对比

(2)卫星数据源

铁路线里程长,覆盖面广,卫星影像分辨率越高,则其单景拍摄的范围越小。为了实现多线路、长里程的铁路路外风险源监测,需要多颗卫星协同拍摄,以实现全覆盖的监测。目前,全球在轨的商业化卫星中,满足路外风险源监测的卫星数据源见表1[17-19]。

表 1 卫星数量源情况统计

(3)重访周期

路外风险源巡检周期一般为1个月,故卫星对铁路同一区域拍摄的重访时间不能小于1个月。由于铁路呈带状分布,并且易受天气环境的影响,单一卫星的拍摄效率不能满足大范围铁路的业务化监测需求。从表1中可以看出,单一卫星星座的重访时间最高为0.5d,通过综合多颗卫星数据,在不考虑天气因素条件下,可以满足每月1次的监测需求。

4 实施方案

4.1 基础资料准备与整理

基础资料主要包括线位、底图及基础地理数据等资料,导入平台之前,需要针对线位进行深加工处理,底图进行色彩调整与坐标转换,基础地理数据进行格式转换等工作。资料整理的基本流程见图3。

图3 资料准备流程

(1)线位资料整理

在路外风险源管理过程中,所有风险源位置全部以里程作为基准进行定位,外业巡检、复核也按照里程段落开展。因此,需要将收集的不同坐标线位进行坐标转换,结合收集的里程位置资料,建立经纬度坐标与里程坐标之间的换算关系,以实现系统平台中任意风险源的里程与距离的自动计算。

线位资料整理还包括基于铁路中线资料的安保区范围线、用地红线范围线以及100m监测范围线的制作。根据不同范围线的具体描述,以铁路中线为基准进行矢量范围的偏移操作,完成范围线的制作。

(2)平台底图与基础地理数据整理

底图可以采用谷歌卫星影像,导入平台之前需要完成影像的色彩调整,影像坐标与格式的转换等操作。

基础地理数据主要用于辅助风险源属性信息的描述,不同等级行政区界线、名称注记等资料收集之后,进行坐标与格式的转换后导入系统平台。

4.2 基于卫星遥感的风险源动态监测方法

借助于卫星遥感技术手段,能有效克服人工巡检作业巡视范围受限、受环境因素影响大的弊端,提升铁路沿线风险源问题的排查和监测科学化程度,大幅度减少现场人工排查问题和整治情况巡检工作。一方面需要利用专业的遥感解译技术手段实现精确的铁路沿线变化检测,另一方面则需要结合运营铁路专题信息开展必要的GIS分析,形成便于路外环境整治工作的专题报告,便于后期开展相应的沿线问题普查、详查、核查等环节工作,其流程见图4。

图4 遥感风险源监测技术流程

(1)数据获取及数据预处理

根据监测需求,通过事先收集和整理的铁路位置资料,选择合适的在轨高分光学遥感卫星作为数据源,制定拍摄计划,以获取铁路里程段落两侧一定宽度范围内的卫星遥感影像。借助遥感数据处理软件完成数据的辐射及几何校正、影像精确配准及监测范围裁切等工作,用于后续影像解译和分析。

(2)面向对象的遥感变化检测

在两期高分遥感影像数据精确配准后,采用面向对象的分类方法开展数据的比对分析,提取档期数据变化区域,对高铁沿线200m宽度范围的缓冲区域内开展空间信息分析计算变化区域。为克服直接利用像元进行分析方法的局限性,提高识别精度,在影像特征分割的基础上,对分割对象进行监督分类,并对分类后的结果进行变化监测分析,其优势是将高铁沿线各类地物按属性进行分类和变化监测,克服了像素级变化的干扰,有利于整体把握地物类型的变化,提高风险源目标检测的边界精度和属性精度。

(3)风险源变化检测成果专题库构建

通过提取变化的区域,并经过形状规则化处理,形成安全隐患目标检测变化矢量图,通过收集和制作的铁路线位及桥墩位置信息,在同一坐标系统中分析变化目标的地理空间位置信息及铁路关联信息,进而得到每一个变化区域的空间属性特征。其中地理空间位置信息包括面积、长宽、所属行政区域等信息,铁路关联信息包括隐患的里程、偏距、行别等信息。

对变化检测结果图斑进行综合判视,复核变化问题属性并将其纳入指定的风险源类别,将检测结果进行标准化入库,实现用户层面检测结果在线查看和分析,如图5所示。将风险检测成果分发至用户,便于根据变化信息定向指导排查工作。通过多期数据的对比和时序监测数据分析,跟进现存环境问题的发展以及已处置问题的销号情况;评估铁路沿线风险源目标在时间和空间上变化的分布模式,对监测成果的演变情况和背后的规律进行总结,对将来发生的变化进行预测,对后续排查和整治工作提供依据。

图5 风险源变化检测结果展示

4.3 外部环境风险源信息化管理

将卫星遥感监测的手段引入风险源监测管理中,建设相关的铁路路外风险源监测管理系统,提升铁路外部环境管理信息化水平。通过建立一个统一的平台,全面统筹铁路外部环环境管理相关工作与铁路运营其他工作关系,提升路局铁路管理整体水平。

基于卫星遥感的铁路路外风险源监测管理系统的主要模块见图6,包括以下几个方面内容。

图6 铁路路外风险源监测管理系统主要功能

(1)铁路外部环境台账

实现铁路路外风险源管理的信息化,必须以既有的铁路台账为数据根本,深入分析既有资料,提炼铁路外部环境风险源属性要点,挖掘既有台账资料的最大价值,做好既有资料的梳理工作,为既有资料归档入库做准备。

(2)铁路外部风险源监测管理系统数据库

包括站段及车间工区管辖里程信息、铁路运营桥墩里程信息,铁路运营区间里程分段信息、铁路运营线路形式信息、铁路安保区范围信息、铁路用地界信息、铁路穿越行政区分界信息、铁路工务管理人员信息等,同时结合铁路外部环境首次建档成果,完成两库融合,进行数据库的逻辑表结构设计工作;根据数据的特点比选合适的数据库管理系统及数据引擎,建立铁路路外风险源监测管理信息化系统的数据库建设。

(3)日常管控工作业务标准化流程和制度

要完成铁路路外风险源监测管理系统的建设,必须对既有的铁路外部环境管控工作业务流程进行精简和优化,提炼当前工作中的要点,同时结合卫星遥感监测技术优势,建立一套集“监测-发现-复核-处置-销号-复查-统计-分析-决策”于一体的标准化的铁路外部环境风险源全生命周期管理流程,同时配套制度一套用于约束的制度,促进铁路周边环境管控常态化、系统化、健康化发展。

(4)监测管理系统功能设计

结合铁路外部环境日常管控工作业务标准化流程,以铁路外部环境数据库为基础,进行铁路路外风险源监测管理系统的功能设计与实现工作。根据前期调研,该系统应充分考虑当前路局的用户特点,以简单化、自动化、智能化为设计原则。

5 工程实例

以广深港高铁某段落为例,实验段长度为30km,采用三期覆盖监测范围内影像数据对比分析,分为2019年12月15日和2020年4月7日、2020年4月7日和2020年4月28日两组开展,横向范围为线位两侧200m内,经精确配准后的影像叠加分析,针对变化区域提取结果结合训练样本构建分类器进行分析,结合人工解译对风险源进行类别判别,并对其进行空间分析,得到结果见表2,两期变化检测对比结果见图7。