铁路应急测绘保障体系建设研究

邓继伟,赵 海,张冠军

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

引言

铁路应急测绘是铁路主管部门为应对自然灾害、事故灾难和公共安全等突发事件，高效、高质量地提供各类基础地理信息数据、测绘成果和技术服务的保障性工作，可以根据灾情需要开展卫星定位、快速勘测、测绘成果制作及实时监测等技术服务[1]。铁路应急测绘保障工作贯穿铁路突发事件的预防、响应、处置和恢复全过程，是铁路应急保障体系建设的首要内容和基础性工作。

近年来，仅中国铁路设计集团参与的铁路工程相关的应急抢险项目就有数起，如某铁路隧道疑似滑坡、某客专隧道裂缝、某客专隧道进口洞顶地表冲沟整治、某铁路隧道进口陡坡发生滑塌、某铁路AT所及某铁路大桥洪水灾害、某铁路大桥安全监测等。另外，世界范围内火车脱轨、异物侵线及悬浮物悬挂接触网等各类事故时有发生，严重影响列车运营安全。

铁路应急测绘保障工作总体呈现“急、难、险”特点，任务艰巨且社会关注度极高，责任重大。因此，构建全面、先进、现代化的新型铁路工程应急测绘保障体系[2]，研究面向新技术、新装备的应急测绘保障基本技术流程，完善相关技术标准和规范，对全面提升铁路行业的应急测绘保障能力十分必要。通过建立健全铁路应急测绘保障系统，可以制定出针对各类常见突发自然灾害或突发事件的应急预案[3]，为铁路应急抢险指挥提供决策依据；可以更灵活、更准确地选用专业测绘技术与测绘装备进行勘测，为抢险工程勘察设计提供最准确有效的应急解决措施[4]；可以提供最专业的铁路应急测绘保障队伍，最大程度保证抢险工程建设管理和运营安全的高效性、快速性和准确性。

1 铁路应急测绘保障现状分析

《中华人民共和国测绘法》对国家应急测绘保障工作有明确规定，该工作是自然资源部门的法定职责。原国家测绘局于2009年颁布了《国家测绘应急保障预案》，随后上海、天津、福建等各地也陆续制定了相应的地方应急测绘保障预案[5]。2019年底，国家应急保障能力建设项目基本完成，卫星航空应急测绘、灾害现场应急勘测、应急测绘数据快速集成处理与成果发布、应急测绘地理信息资源共享等系统相继投入使用[6]。国家应急测绘保障体系在处理大型公共突发事件中发挥了重要作用，主要体现在以下几个方面：提供各种详实的基础地理信息数据为抢险救灾、分析灾后形势提供宝贵的基础资料；组织获取灾害发生后的航摄遥感实时影像和地理信息数据，对抗灾救灾指挥决策、灾情评估等具有重要作用[7]；维护、更新应急地理信息服务平台，服务主管部门决策和指挥等。

相较于国家应急测绘保障能力建设，铁路系统目前尚未建立铁路应急测绘保障体系，没有形成成熟可行的应急测绘保障机制。总结近年来的铁路工程应急测绘保障项目的经验，可以发现现阶段铁路应急测绘保障主要存在以下困难。

(1)铁路应急测绘保障体系不健全。铁路应急测绘保障主要是针对突发事件进行地理信息测绘工作，其工作性质本身属于测绘专业领域，但由于灾害区域的复杂性，任务执行过程中具备一定的危险性与不确定性[8]。另外，突发事件现场的决策者往往不是测绘专业人员，测绘专业仅凭现场人员发来的局部图片或者简单语言描述去决定如何响应应急测绘保障难度很大。因此，需要研究并制定针对各类常见突发自然灾害或突发事件的预案，形成完善的铁路工程应急测绘保障体系，再出现类似事件时，可以更快速、准确地确定所需要的技术、装备、人员和方案[9]。

(2)铁路应急测绘队伍建设不完善。铁路应急抢险是一场与时间赛跑的战斗，作为排头兵的测绘人员必须做到分秒必争，因此作业人员的专业素质以及装备仪器配备尤为重要。目前由于铁路行业缺乏专业应急测绘保障人才队伍，重大灾害发生时往往只能临时抽调人员和仪器开展工作，无法最大程度保证应急测绘的效率[10]。因此，针对铁路行业应急保障的具体需求，组建一支能够辐射全国铁路网、“天空地”一体化、机动灵活的国家级铁路应急测绘队伍十分必要。

(3)灾后现场数据获取能力和传输效率不足。突发事件区域通常存在交通破坏、环境复杂、气象恶劣及地面控制信息损毁等诸多不利因素，严重影响灾后现场传统测绘手段的数据获取效率和精度[11]。因此，应急救援项目需要研究灾害区域地理坐标基准快速构建、多源传感器高精度集成及高分辨率遥感数据获取等技术，例如利用北斗技术快速建立测区控制基准；配套搭载高精度的定位定姿设备来辅助提升航测遥感数据的获取精度和质量；通过多种数据采集技术相组合的方式，提升数据采集的灵活度、准确性和作业效率；通过应急保障车、5G传输或者卫星传输专网等，保证应急测绘保障的信息交换的有效性和工作可行性[12]。

(4)数据处理、信息挖掘及发布服务等关键技术不成熟。铁路应急测绘保障重点在于时间紧迫，每个环节都要求高效、快速、准确。得益于当前高性能计算技术的快速发展，以软硬件结合的异构高性能处理技术和集群并行处理的流计算技术形成，使得数据实时处理成为可能。例如，云计算可以大幅提升数据在线处理效率，提升时效性；计算机视觉、深度学习和人工智能网络等技术，可以提升基于地理信息数据的道路、河流及建筑等典型空间对象的识别、提取的精度和效率[13]。多源空间与非空间数据融合处理技术的不断发展，让灾害现场的灾损信息智能化对比、提取与综合解译的实现成为可能，但是目前这些技术均还不成熟，如果要应用在铁路应急测绘保障中，需要进一步深入研究和立项攻关。

总体而言，铁路应急测绘保障的能力和发展程度仍落后于国家其他领先行业，因此，急需加快构建铁路应急测绘保障体系，做好顶层设计。在整个铁路行业，建设专业应急救援队伍，配置现代化应急测绘保障装备，强化应急测绘保障宣传、教育、培训和演练，制定铁路应急测绘保障预案，提升灾害监测预警的及时性与准确性。通过铁路应急测绘保障体系建设，构建应急测绘数据的获取、处理与分析，以及灾情监测、评估与服务等技术体系和装备体系，形成高适应性、高机动性、高响应速度的铁路应急测绘保障服务能力[14]。

2 铁路应急测绘保障体系建设

2.1 构建铁路应急测绘保障体系

铁路应急测绘保障体系的核心是铁路主管部门面对突发事件时，能够高效有序地提供基础地理信息数据的获取、传输、处理与分析，和应急服务平台运行、维护与更新等测绘技术保障服务[15]。

铁路应急测绘保障体系建设应包括铁路应急测绘装备及队伍建设、铁路应急测绘保障预案及工作机制建设、铁路应急测绘保障技术体系建设和铁路应急测绘保障中心建设等内容。如图1所示。

图1 铁路应急测绘保障体系

(1)铁路应急测绘装备及队伍建设。应急测绘装备包括工业级无人机，各类光学、多光谱及激光雷达传感器，应急保障车，全站仪及GNSS接收机等人工或自动化监测设备。队伍建设主要为培养一大批专业素质过硬的专业技术人员，遇到灾害时具备机动灵活、快速响应的能力。

(2)铁路应急测绘保障预案及工作机制建设。铁路应急测绘保障预案是铁路应急测绘管理工作的重要基础，更是铁路应急测绘保障体系建设的首要工作，包括应急测绘保障范围、技术体系、应急响应、指挥调度和保障措施等内容。铁路应急测绘工作机制是铁路应急测绘保障预案能否顺利落实和执行的重要保证；通过应急测绘工作机制的建设，铁路应急测绘保障队伍应具备在国内铁路发生重大突发事件后12 h内能够达到现场并提供第一批现场应急测绘成果的能力，初步满足铁路主管部门应对突发事件和防灾减灾等工作的需要，如图2所示。

图2 铁路应急测绘保障工作机制

(3)铁路应急测绘保障技术体系建设。包括铁路应急测绘保障法律法规和铁路应急测绘技术规程及标准的建设。在国家层面，《中华人民共和国测绘法》《中华人民共和国突发事件应对法》《中华人民共和国测绘成果管理条例》等法律法规对应急测绘保障工作提出了明确要求，铁路应急测绘保障工作过程中可以参照执行。铁路系统可以依据这些法律法规制定相应的规章制度，依托现有的技术应用经验及总结，制定相应的铁路应急测绘技术规程，各执行单位根据实际作业需要可以制定相应的应急测绘作业手册或者标准化作业流程。

2.2 建设铁路应急测绘保障中心

铁路应急测绘保障中心的主要任务是结合既有案例及收集相关资料，制定铁路工程应急测绘保障预案、作业标准及构建应急测绘保障体系。根据铁路工程应急测绘的具体需求，研究应急测绘响应机制及技术装备配备，研究专业的铁路应急测绘团队建设，形成一支技术能力和思想素质过硬的铁路应急测绘保障队伍，快速执行应急测绘保障工作。

铁路应急测绘保障中心具体建设可分为三部分，分别是铁路应急测绘保障组织机构建设、铁路应急测绘保障指挥中心建设和铁路应急测绘保障资源共享中心建设。应急测绘保障组织机构包括设立专门的应急保障领导小组，负责领导、统筹、组织全国铁路应急测绘保障工作，指挥协调下设各机构实施应急保障工作，在领导小组的领导下密切配合，各机构共同承担相应应急测绘保障任务[16]。应急测绘保障指挥中心根据测绘应急保障资源共享中心提供的数据和成果信息做出快速响应、合理准确的决策和指挥调度。铁路应急测绘保障资源共享中心负责应急测绘数据的收集、采集、处理与分析、发布与提供等，是铁路应急保障体系最关键的部分。

(1)建设铁路应急测绘保障组织机构

铁路应急测绘保障组织机构设置至少应包括领导组、技术专家团队、设备保障组、任务调度组、执行工作组和技术攻关组等，各分支机构各司其职，协同工作，如图3所示。

图3 铁路应急测绘保障组织机构

铁路应急测绘保障中心的建设可以分两步走，前期以中国国家铁路集团驻地(北京)建设铁路应急测绘保障主中心，在国铁集团相关部门的领导下建立应急测绘保障指挥中心，在国铁集团主数据中心搭建铁路应急测绘保障资源共享中心；后期根据应急测绘保障需要，在东南、西南、华中、华北、西北及东北等地分别建立应急测绘联络分中心。从而实现面向全路建立相应应急测绘保障主中心和各应急测绘联络分中心的布局计划，达到辐射全国铁路的效果。

(2)建设铁路应急测绘保障指挥中心

铁路应急测绘保障指挥中心的功能在于，根据铁路应急测绘保障资源共享中心提供的测绘地理信息数据和成果信息快速响应做出正确有效的决策，并开展应急指挥调度工作。应急测绘保障指挥中心的建设应包括视频协同工作系统建设、与应急测绘保障资源共享中心进行信息交换的应急专网建设、与灾害现场应急测绘保障工作组之间的数据回传专网建设等。通过应急专网、数据回传专网及视频协同工作系统的建设，可以大幅提高灾害现场资料获取、处理及分析的时效性，同时也可以大幅提升指挥中心的决策效率和决策有效性。

(3)建设铁路应急测绘保障资源共享中心

铁路应急测绘保障资源共享中心的建设应该包括数据源、软硬件环境、资源管理及发布系统等。

①数据源。主要包括高分辨率卫星遥感数据、InSAR数据、航空摄影数据、无人机低空航摄数据、三维激光点云数据、GNSS卫星定位数据、全站仪人工/自动化观测数据及水准测量数据等；还包括测绘成果/产品数据库、地质资料数据库及其他信息资料数据库等[17]。

②软硬件环境。主要为支撑数据库、数据收发、成果分析应用及维护系统平台运行的软硬件环境，如数据处理、数据存储服务器和软件系统、用于海量数据管理的数据库软件环境、实时传输系统和各类数据处理软件系统等。

③资源管理及发布系统。主要包括应急测绘保障的信息收集、数据存储及成果管理一体化应用系统，集数据分析、统计输出及查询决策为一体的综合应用系统，以及涵盖数据发布、更新及实时传输等的数据交换系统。

3 铁路应急测绘保障关键技术研究

针对铁路工程应急抢险急、难、险特点，构建先进的现代铁路工程应急测绘保障技术体系，从顶层设计开始，开展铁路应急测绘关键技术研究，探索新型装备的引入可行性和梳理作业流程，完善相关技术标准和规范，全面提升铁路行业的应急测绘保障服务能力。

(1)重大灾害区域高精度位置基准服务技术研究。针对重大灾害区域环境复杂、定位和通讯基础设施薄弱导致的高精度位置难测难达的问题，研究基于北斗卫星的环境自适应重大灾害区高精度位置服务技术，为多源地理数据一体化处理提供空间基准信息。

(2)多源传感器高精度集成采集技术研究。研究航空摄影平台搭载相适应的光学相机、倾斜相机、激光雷达、多光谱和视频等传感器，能够从多角度和维度对构(建)筑物地理信息、几何信息和光谱特征信息进行采集，从而获取准确的多源测绘地理信息数据[18]。还可利用星载设备，如高分卫星影像、星载InSAR数据等，在高空针对灾害地点全貌进行数据获取和分析，以此来保证区域地理信息数据的准确度，便于指挥中心根据现场情况进行更加准确的分析。基于多传感器的高精度集成数据获取技术具备高灵活性和高效率的优势。

(3)多源异构数据高性能智能化处理技术研究。研究空间数据融合、空间非空间数据协同处理方法及应用，通过采用多源空间数据(如影像、激光点云等)融合技术，整合不同数据源的特点，实现优势互补，最大限度提升数据的应用价值。利用多源空间与非空间数据(如灾害现场的文本信息、矢量数据、卫星/航摄数据、激光点云、照片、视频等数据)的融合处理技术，充分发挥各数据源优势，实现数据价值的深度挖掘分析，提升综合应用效果。通过将设计资料、地质资料及其他灾情信息快速融合展示，灾损信息智能化对比提取与综合解译，实现基于二/三维GIS平台的数据成果发布[19]。技术流程如图4所示。

图4 多源异构数据融合处理技术流程

(4)铁路沿线地质灾害要素遥感智能识别与动态监测方法研究。采用机器学习方法从多源遥感影像中提取地质灾害要素特征，结合铁路工程特点进行危险程度评估与排查。利用多期数据进行序列影像配准及分析处理，提取潜在危险源。

(5)铁路工程结构物及周边灾害实时自动化、智能化监测技术。研究铁路工程构(建)筑物及周边环境持续自动化监测方法，开展基于电子测角、测距、计算和数据存储单元等组成的多维监测系统研制，对监测数据进行实时动态配准并进行序列数据比对分析。建设自动化监测数据管理分析平台，实现数据实时获取、传输、处理及分析，形成真正意义上的实时动态智能监测[20]。

(6)既有铁路轨道线形快速获取及线位重构技术研究。突发自然灾害或者事故灾难情况下，既有铁路可能会面临损坏风险，且经过长期运营，轨道线形不可避免偏离原设计线位。铁路应急测绘保障中，需要研究复杂天气、地形和交通环境下利用无人机倾斜摄影、机载激光雷达、三维激光扫描、GNSS-RTK及全站仪等空地一体的轨道线形快速获取技术；研究基于多源多模态数据融合的高效高精度三维线位重构技术[21]。

(7)无人机数据实时图传及远程直播技术研究。针对重大灾害实时地理信息数据获取不及时的问题，研究基于5G技术的无人机数据实时回传及视频直播技术方法，从而对应急抢险方案设计及决策制定形成有效数据支持[22]。

4 结论

防灾减灾、灾后快速恢复及重建是铁路行业需要面对的一项重要问题，也是对铁路应急测绘保障提出的新要求，因此，铁路应急测绘保障体系建设是一项有着重大作用和意义的工程。建立完备的铁路应急测绘保障体系，要全面兼顾铁路应急保障测绘体系各个部分的建设，不仅需要加强应急测绘装备能力、资源获取能力和数据处理能力等资源保障能力的建设，还要加强技术攻关能力和专业人才队伍的建设，更要创新和丰富应急测绘保障的手段。通过铁路应急测绘保障体系的构建和铁路应急测绘保障中心的建设，在面对突发事件时，可以大幅提高铁路应急测绘保障的响应速度和能力，保证铁路应急测绘保障工作的快速响应、有序指挥及高效运转，进而全面提升铁路行业的应急测绘保障服务能力。