李穎婕，金偉其，裘 溯，張紫越，王 霞

（北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

當(dāng)前，我國擁有全球最大規(guī)模的高速鐵路（簡(jiǎn)稱：高鐵）運(yùn)輸網(wǎng)，根據(jù)《中國國家鐵路集團(tuán)有限公司2020 年統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2020 年末，我國高鐵營業(yè)里程達(dá)3.8 萬km，占鐵路運(yùn)營總里程的1/4。我國高鐵線路的不斷開通運(yùn)營，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也對(duì)高鐵外部環(huán)境安全保障工作提出了更高的要求[1]。然而，當(dāng)前我國高鐵外部環(huán)境的治理工作仍主要以人工排查方式進(jìn)行，排查范圍大、隱患類型多、參與排查人數(shù)少等因素使得高鐵外部環(huán)境治理工作難以高效、客觀、全面地開展?？紤]到我國幅員廣闊，且有諸多路段處于人煙稀少的山區(qū)，列車運(yùn)行易受周邊環(huán)境影響，除各種車載、地面安全監(jiān)測(cè)技術(shù)外，更廣域的周邊環(huán)境安全監(jiān)測(cè)技術(shù)十分必要。

空天光學(xué)遙感技術(shù)具有探測(cè)范圍廣、多信息綜合、周期性等特點(diǎn)，突破了常規(guī)地面探測(cè)對(duì)人力消耗嚴(yán)重、受地理政治因素制約等局限性，通常用于重要活動(dòng)、大型賽事中的地面安全監(jiān)控，或?yàn)樽匀粸?zāi)害[2]（如圖1 所示）與公共安全事件提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持。作為高鐵周邊地面監(jiān)測(cè)的重要補(bǔ)充手段，空天光學(xué)遙感技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。本文將在分析當(dāng)前空天光學(xué)遙感及其地面安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，分析其用于高鐵周邊安全監(jiān)測(cè)的需求與特點(diǎn)。

圖1 基于無人機(jī)遙感影像的滑坡分析[3]

1 空天光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用

空天光學(xué)遙感技術(shù)按照遙感器搭載平臺(tái)的不同，分為以航空器為平臺(tái)的空基遙感技術(shù)和以航天器為平臺(tái)的天基遙感技術(shù)。2005 年，在《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》中確立發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機(jī)和平流層飛艇的高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)以來，我國空天遙感技術(shù)逐步邁入國際一流水平。無人機(jī)遙感系統(tǒng)在民用市場(chǎng)也得到廣泛應(yīng)用，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)大量普及，并在大型、集會(huì)型活動(dòng)中輔助安防工作；浮空器遙感系統(tǒng)以政府牽頭研發(fā)為主，民用方面承擔(dān)大型賽事、博覽會(huì)的全天候監(jiān)控工作，軍用方面則主要進(jìn)行長(zhǎng)期邊境監(jiān)控；以光學(xué)成像衛(wèi)星為主的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)在政策支持下加快了商業(yè)化腳步，軍民融合的天基遙感系統(tǒng)推動(dòng)了遙感數(shù)據(jù)的商業(yè)化普及，在國民生活的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文的地面環(huán)境安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用主要指重大活動(dòng)安全監(jiān)控、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)情況監(jiān)測(cè)等。

隨著空天技術(shù)的迅猛發(fā)展，空基、天基遙感探測(cè)呈現(xiàn)“三全”（全天候、全天時(shí)、全球觀測(cè)）、“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率）、“三多”（多平臺(tái)、多傳感器、多角度）的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

1.1 空基光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用

空基遙感平臺(tái)飛行高度通常在80 km 以下，以無人機(jī)和浮空器為主，相比地面探測(cè)，其受地理?xiàng)l件限制小且彌補(bǔ)了天基遙感機(jī)動(dòng)性差、易受云層遮擋影響的不足，響應(yīng)速度快、部署時(shí)間短、滯空時(shí)間長(zhǎng)，可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)探測(cè)，常用于大型活動(dòng)和敏感地區(qū)的環(huán)境安全監(jiān)測(cè)工作。

1.1.1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)

隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、無刷電機(jī)、數(shù)字模式無線電等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)作為一種由無線電或自備程序控制的無人駕駛航空器[5]迅速向民用領(lǐng)域擴(kuò)展，逐漸成為衛(wèi)星、有人駕駛飛機(jī)遙感的有效補(bǔ)充手段[6]。2010 年后，以大疆創(chuàng)新公司為代表的新興技術(shù)公司將無人機(jī)推向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，擴(kuò)大了民用無人機(jī)在行業(yè)的主導(dǎo)地位。

無人機(jī)光學(xué)遙感是在無人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上形成的新型航空遙感系統(tǒng)[7]，搭載小型集成式遙感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活、實(shí)時(shí)傳輸、全天候的遙感探測(cè)。由于無人機(jī)光學(xué)遙感系統(tǒng)分辨率高、操作方便，能夠在保護(hù)人員安全的同時(shí)獲取更全面、有效的信息，輔助進(jìn)行安全管控和應(yīng)急處理，廣泛用于聚集性活動(dòng)監(jiān)控或固定線路巡視與跟蹤。2016 年，杭州G20 峰會(huì)現(xiàn)場(chǎng)采用配有高清攝像頭的警用無人機(jī)實(shí)時(shí)觀察周邊動(dòng)態(tài)；2019 年，美國超級(jí)碗現(xiàn)場(chǎng)采用大疆 M200無人機(jī)連接到具有供電能力的系留基站，對(duì)比賽現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行空中監(jiān)控，如圖2 所示[8]，該無人機(jī)飛行高度約為100 m，能夠?qū)χ苓叞霃?.5 km 的區(qū)域進(jìn)行數(shù)小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 系留無人機(jī)遙感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 浮空器遙感系統(tǒng)

浮空器是一種效費(fèi)比高、負(fù)載能力強(qiáng)、可長(zhǎng)期駐空的遙感探測(cè)平臺(tái)。通過搭載可見光高清相機(jī)、紅外相機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備，浮空器可對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集，相比無人機(jī)安全性更強(qiáng)。按照飛行高度的不同，浮空器分為最高飛行高度為8 km 的中低空浮空器和飛行在20～100 km 的臨近空間高空浮空器[6]。

由于無需消耗能源克服自重，浮空器具有更強(qiáng)的搭載能力，駐空時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)幾十天，能進(jìn)行24 h無間斷探測(cè)，浮空器遙感系統(tǒng)與無人機(jī)相比更適用于長(zhǎng)期、大范圍、全天候的地面安全監(jiān)測(cè)。此外，浮空器遙感系統(tǒng)探測(cè)范圍更大，例如，駐空高度300 m 的小型機(jī)動(dòng)式系留浮空器可觀測(cè)范圍約20 km，駐空高度4 000 m 的大中型系留浮空器的觀測(cè)范圍則擴(kuò)大到半徑350 km 的區(qū)域[9]。

當(dāng)前，各國對(duì)于中低空浮空器的研發(fā)已相對(duì)成熟。2010 年，上海世博會(huì)采用中國電科集團(tuán)研制的“天眼”車載系留浮空器系統(tǒng)進(jìn)行世博會(huì)監(jiān)視預(yù)警工作[10]，如圖3 所示。系統(tǒng)由氦氣車、通信測(cè)控車、錨泊車和容量達(dá)1 600 m3的氣球4 部分組成，可抵抗8級(jí)臺(tái)風(fēng)與雷暴，并搭載4 臺(tái)可見光高清攝像機(jī)、1 臺(tái)紅外相機(jī)和1 臺(tái)高光譜相機(jī)，可對(duì)16 km2的區(qū)域進(jìn)行全方位、全天候監(jiān)控。

圖3 中國電科“天眼”浮空器

1.2 天基光學(xué)遙感技術(shù)及其地面環(huán)境安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用

天基遙感作為現(xiàn)代遙感技術(shù)發(fā)展最強(qiáng)勢(shì)的領(lǐng)域，以人造衛(wèi)星等航天器為平臺(tái)搭載可見光、紅外、微波等多種遙感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。其軌道高度通常在幾百公里，具有探測(cè)范圍廣、探測(cè)周期短、不受地理政治因素限制等特點(diǎn)，可用于地面長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.2.1 光學(xué)成像衛(wèi)星

遙感衛(wèi)星按照工作波段可分為光學(xué)與雷達(dá)衛(wèi)星，其中，光學(xué)成像衛(wèi)星以可見光、近紅外光、短波紅外光和熱紅外波段為工作波段，由于波長(zhǎng)比微波短、光譜波段信息豐富，可獲取高質(zhì)量、高空間分辨率的影像，有利于分析地物的光譜特征與空間特征。根據(jù)美國憂思科學(xué)家聯(lián)盟（UCS）的數(shù)據(jù)，截至2018 年11 月底，各國現(xiàn)存的遙感衛(wèi)星中光學(xué)成像衛(wèi)星占比第一[11]，是當(dāng)前天基遙感發(fā)展的主要方向。

隨著空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，光學(xué)成像衛(wèi)星空間分辨率從米級(jí)全面進(jìn)入亞米級(jí)。2010 年我國啟動(dòng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)，全面提升了對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星技術(shù)水平，為我國發(fā)展建設(shè)提供了高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)支持。此外，自2014 年我國發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會(huì)投資的指導(dǎo)意見》，鼓勵(lì)民間資本研制、發(fā)射和運(yùn)營商業(yè)遙感衛(wèi)星以來，商業(yè)遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，通過小衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)可形成大覆蓋范圍、高分辨率、快速響應(yīng)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。

1.2.2 光學(xué)衛(wèi)星遙感系統(tǒng)

光學(xué)衛(wèi)星遙感系統(tǒng)由于部署在地球同步或太陽同步軌道，可進(jìn)行大范圍的地面環(huán)境探測(cè)，在壽命期間內(nèi)，可周期性獲取地面探測(cè)數(shù)據(jù)，有利于對(duì)區(qū)域長(zhǎng)期發(fā)展變化的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，隨著小衛(wèi)星星座的成功部署，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在空間、時(shí)間分辨率上與空基遙感系統(tǒng)的差距逐漸縮短，其數(shù)據(jù)源穩(wěn)定、數(shù)據(jù)類型豐富、數(shù)據(jù)覆蓋周期長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)凸顯。

2020 年初，為抗擊新冠，武漢市成立聯(lián)合工作組，使用高分二號(hào)、吉林一號(hào)、Pleiades 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)武漢火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并利用珠海一號(hào)高光譜衛(wèi)星收集的周邊水域影像數(shù)據(jù)，分析施工過程對(duì)周邊水質(zhì)的影響情況，同時(shí)，公開遙感監(jiān)測(cè)影像，讓建設(shè)進(jìn)度透明化，對(duì)穩(wěn)定社會(huì)情緒起到了重要作用[12]。2020 年3 月5 日四川攀枝花森林火災(zāi)和3 月29 日云南南澗森林火災(zāi)后，相關(guān)部門根據(jù)珠海一號(hào)高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)災(zāi)前、災(zāi)后影像對(duì)比反演[13]，進(jìn)行過火區(qū)識(shí)別與火燒跡地制圖，為火情監(jiān)測(cè)工作提供數(shù)據(jù)支持。多元、多層次、全方位的高分辨率遙感數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、民生發(fā)展、國防安全等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)分析方面日益發(fā)揮重要作用。

2 高鐵周邊安全保障的空天光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

分析全國各鐵路局集團(tuán)公司統(tǒng)計(jì)的高鐵外部環(huán)境事故數(shù)據(jù)[14]可知，自然災(zāi)害預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)和安全隱患排查治理是高鐵外部環(huán)境治理的重點(diǎn)工作需求。傳統(tǒng)的高鐵安全監(jiān)測(cè)手段以大量鋪設(shè)地面監(jiān)控設(shè)備為主，監(jiān)測(cè)范圍有限，部署成本過高?？仗旃鈱W(xué)遙感技術(shù)能夠填補(bǔ)復(fù)雜環(huán)境與隧道外部難以人工排查的缺陷[15]，從空天視角為安全防范提供更客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息。

2.1 應(yīng)用需求與方法

2.1.1 應(yīng)用需求

建立高鐵周邊安全的空天地保障系統(tǒng)，需要滿足對(duì)高鐵周邊既有地質(zhì)災(zāi)害篩查和典型隱患識(shí)別的需求。以彩鋼瓦、塑料大棚和防塵網(wǎng)為例，其尺度從幾米到幾十米不等。彩鋼瓦房頂部的單片彩鋼瓦寬度約1 m，常見的活動(dòng)房最小規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)為5.62 m×3.80 m，通用塑料溫室大棚建造的最佳規(guī)模為跨度（短邊）8～10 m，工地中常見的蓋土防塵網(wǎng)單卷的寬度為6～8 m，為使目標(biāo)在遙感影像中能夠清晰成像，衛(wèi)星影像分辨率需要達(dá)到亞米級(jí)，必要時(shí)使用空基光學(xué)遙感影像進(jìn)行輔助分析。

2.1.2 應(yīng)用方法

目前，公開的全色影像可達(dá)到0.5 m 的地面分辨率，但多光譜影像的分辨率尚未進(jìn)入亞米級(jí)，從多光譜信息有利于目標(biāo)檢測(cè)的角度考慮，傳統(tǒng)方法通常結(jié)合全色圖像進(jìn)行多光譜遙感圖像的全色銳化增強(qiáng)處理，如圖4 所示。隨著人工智能的發(fā)展和應(yīng)用，使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠?qū)W習(xí)影像的隱形特征，進(jìn)一步提升遙感影像的分辨率，充分結(jié)合全色圖像的高分辨率和多光譜的光譜信息，提高目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。

圖4 多光譜與全色遙感圖像及其融合圖像的比較（Landsat8 影像）

面對(duì)具體的應(yīng)用需求，空天光學(xué)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用部署也應(yīng)有所不同。

（1）在常態(tài)化監(jiān)測(cè)任務(wù)中，以衛(wèi)星監(jiān)測(cè)為主，通過定期回訪，動(dòng)態(tài)分析高鐵周邊變化情況，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，可配合無人機(jī)和地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全方位安全監(jiān)測(cè)；

（2）在重大活動(dòng)等特殊任務(wù)中，為保證實(shí)時(shí)獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，提供全天候高鐵周邊安全保障，可部署浮空器進(jìn)行特定區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間駐空監(jiān)測(cè)，并聯(lián)合地面安全保障部門進(jìn)行隱患及時(shí)排查處理與應(yīng)急指揮工作。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

2.2.1 自然災(zāi)害預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)在，軒軒上了幼兒園，他的身體還真強(qiáng)壯了很多，不再經(jīng)常生病，也愿意去幼兒園，就是脾氣太難琢磨了。有時(shí)他跟小朋友玩得正高興，突然就沒來由地推別人一下、抓別人一把、跺別人一腳。我們真的很納悶：寶寶的身體不招病了，不會(huì)是心理又出問題了吧？

我國山地面積較大，山區(qū)地勢(shì)復(fù)雜、偏僻，易發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害[16]，是導(dǎo)致高鐵事故的最主要原因?？仗旃鈱W(xué)遙感技術(shù)可不受地理因素限制對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，在自然災(zāi)害預(yù)防、災(zāi)情發(fā)展檢測(cè)、災(zāi)后評(píng)估方面發(fā)揮重要作用。

（1）在自然災(zāi)害預(yù)防方面，地質(zhì)類災(zāi)害的孕育、形成與發(fā)生往往與其所處環(huán)境的地質(zhì)情況有關(guān)[17]。因此，利用高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行周期性地質(zhì)變化監(jiān)測(cè)，根據(jù)地面光譜、地形信息，反演地表形變信息[18]，評(píng)估高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警，為應(yīng)急處置與調(diào)度指揮提供預(yù)警信息。

（2）在災(zāi)情發(fā)展檢測(cè)方面，根據(jù)衛(wèi)星影像檢測(cè)的災(zāi)情位置，啟動(dòng)空天地結(jié)合的應(yīng)急救援系統(tǒng)，由地面中心派遣無人機(jī)到災(zāi)情點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)災(zāi)情監(jiān)測(cè)，并配合通信、導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行視頻回傳，及時(shí)反饋災(zāi)情信息，輔助救援指揮工作。

（3）在災(zāi)后評(píng)估方面，通過對(duì)比災(zāi)前、災(zāi)后衛(wèi)星遙感影像，分析受災(zāi)區(qū)域與災(zāi)情發(fā)展軌跡，能夠有效評(píng)估災(zāi)情信息，為相關(guān)部門后續(xù)救災(zāi)與恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 安全隱患排查治理

高鐵周邊影響運(yùn)營安全的安全隱患類型繁多，包括彩鋼瓦房、危樹等隱患地物[19]，違法違規(guī)侵占、施工等情況。傳統(tǒng)人工排查方式客觀性差、排查效率低，基于空天光學(xué)遙感技術(shù)采集沿線大范圍高分辨率影像可全面獲取高鐵周邊環(huán)境信息，探測(cè)范圍廣。安全隱患排查治理可分為隱患智能識(shí)別、預(yù)警排查、動(dòng)態(tài)回訪、事故定責(zé)4 部分，如圖5 所示。

圖5 安全隱患排查治理功能設(shè)計(jì)

（1）隱患智能識(shí)別

結(jié)合隱患空間與光譜特征，選取相應(yīng)波段的高分辨率遙感影像，使用人工智能技術(shù)進(jìn)行遙感影像增強(qiáng)，通過典型隱患地物標(biāo)注建立隱患地物數(shù)據(jù)庫，采用人工智能目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，對(duì)隱患地物進(jìn)行智能識(shí)別，并使用GIS 技術(shù)對(duì)隱患信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而建立隱患智能識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高鐵周邊隱患快速識(shí)別。

（2）預(yù)警排查

根據(jù)地物位置范圍，劃分隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，部署地面監(jiān)控設(shè)備并聯(lián)合相關(guān)部門進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，分析隱患發(fā)展演變趨勢(shì)；針對(duì)已發(fā)生侵占事實(shí)的情況，由相關(guān)人員進(jìn)行實(shí)地排查制止。

（3）動(dòng)態(tài)回訪

在排查工作后，利用遙感衛(wèi)星可對(duì)任意地點(diǎn)周期性回訪的特點(diǎn)，對(duì)排查情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解新增或復(fù)發(fā)情況，有效提高隱患處理效率。

（4）事故定責(zé)

在侵限事故或違法情況發(fā)生后，存儲(chǔ)的前期遙感影像數(shù)據(jù)，可作為有效憑證清晰判定事故責(zé)任，確定責(zé)任主體，輔助執(zhí)法人員進(jìn)行相關(guān)處罰。

3 結(jié)束語

本文從當(dāng)前高鐵周邊安全保障工作需求出發(fā)，為解決地面監(jiān)測(cè)局限性大、效率低的問題，結(jié)合空天光學(xué)遙感系統(tǒng)的探測(cè)特點(diǎn)與地面監(jiān)測(cè)應(yīng)用，從應(yīng)用需求與應(yīng)用方法兩方面，分析了空天光學(xué)遙感技術(shù)在高鐵周邊安全保障工作中的應(yīng)用前景，為空天光學(xué)遙感技術(shù)在鐵路安全工作中的應(yīng)用提供了新思路。

隨著空天技術(shù)在領(lǐng)域重大難題上的突破，為完善高分辨率對(duì)地觀測(cè)體系，我國空天光學(xué)遙感系統(tǒng)將向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化發(fā)展，建立空天地協(xié)同[20]的全天候、全時(shí)空、全要素安全保障體系成為必然趨勢(shì)。高鐵運(yùn)營安全作為經(jīng)濟(jì)、社會(huì)穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，未來應(yīng)充分利用遙感大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，探索與空天光學(xué)遙感技術(shù)更深入、更全面的結(jié)合。