航空遙感技術的發展及鐵路應用

鄭佳怡 姚京川 郭繼亮 馮楠

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.鐵科檢測有限公司，北京 100081）

遙感（Remote Sensing，RS）是一門從20 世紀60 年代初以航空攝影為基礎發展起來的新興技術，根據傳感器搭載工作平臺可分為航天遙感、航空遙感、地面遙感3 類［1］。鐵路及其附屬建筑具有長條狀、里程長、跨越地域廣、周邊環境復雜等特征，遙感技術具有大范圍無接觸的特點，非常適合應用于鐵路工程。目前國內外暫無鐵路專用衛星，將已有衛星數據應用于鐵路工程中存在分辨率低、有用數據少、重點數據缺失等問題，造成航天遙感在鐵路行業應用中時效性低、成本高的現狀。航空遙感的高機動性能夠為鐵路行業提供針對性的高分辨率影像，彌補了航天遙感重訪周期長以及地面遙感人工成本高、監測范圍小的缺點，航片不僅可單獨使用，也可為大范圍航天遙感低質量影像區域提供補充數據。因此，航空遙感在鐵路行業中應用廣泛。

近年來，隨著遙感技術的發展，傳感器種類不斷豐富，探測能力不斷提高，迅速發展的雷達干涉測量、高分辨率衛星遙感、高光譜遙感等新技術為應用于鐵路行業的航空遙感注入了新的活力。此外，航空遙感技術與全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）技術的3S（RS，GIS，GPS）集成應用，也持續為中國鐵路行業提供動態基礎信息和科學決策依據［2-3］。因此，有必要對航空遙感關鍵技術、鐵路航空遙感的實際應用以及面臨的問題進行研究與討論。

1 航空遙感技術現狀

航空攝影始于19世紀50年代。1858年12月法國的攝影師納達爾乘坐氣球在巴黎上空拍攝了世界上第一幅航空照片，開始了從空中觀察地球的歷史，1909 年美國的萊特第一次從飛機上拍攝地面像片［4］。經過幾十年的發展，航空遙感已從技術探索試驗階段進入到了如今的實際應用與產業形成階段［5］，在軍事、民用、科研等領域受到重視。隨著飛機、飛行技術和傳感器的發展，航空攝影像片的質量有了很大提高，用途日益廣泛。航空遙感是一門系統集成化的技術，其發展受到遙感平臺、傳感器、攝影方式、信號傳輸、數據處理等多項技術的影響。

1.1 航空遙感平臺

目前，國內外航空遙感的主要搭載平臺為有人機、氣球、飛艇、無人機等飛行器。自航空遙感出現以來，大型飛機、飛艇一直是航空遙感平臺的主力軍。近年來，輕小型飛行器的出現降低了航空遙感的成本與技術難度，正逐步成為航空遙感研究的熱點［6-7］。

1.1.1 大型平臺航空遙感

在輕小型平臺出現之前，航空遙感主要依靠大型飛機、飛艇、氣球等平臺，廣泛應用于地圖測繪、國土資源調查、軍事、科學研究等領域。大型平臺承載的航空遙感系統具有如下特點：①續航能力強，作業范圍廣；②飛行姿態平穩，安全性好，不易受風、氣流等影響，獲取影像質量穩定，模型解算精度高；③大型平臺遙感常承載地理信息采集等航空攝影測量任務，經過長期發展，行業已趨于成熟；④大型平臺可同時搭載多個傳感器，實現多源、多模態遙感，完成航空遙感系統集成。

大型平臺遙感在多個領域已展現出了優秀的問題解決能力。如中國科學院的2 架“獎狀S/II”型遙感飛機，在中國航天、航空對地觀測技術的發展方面發揮了重要作用。該平臺搭載的遙感系統在北京奧運會籌備期與進行期完成了重要的航空遙感監測任務，還完成了多項重要的環境監測、災情報告及災后重建工作的遙感監測任務，為中國生態環境變化與恢復的評估、災后重建等提供了豐富的科學數據。此外，國家重大科技基礎設施“航空遙感系統”由2架ARJ-21型遙感飛機搭載，配備10多種新型遙感設備及高性能地面數據處理系統，是目前國內最先進的航空遙感系統。然而，大型平臺遙感目前也面臨一些問題，比如空域受限導致大型平臺航空遙感作業的地點、時間受限較大，降低了機動性；系統還須配備專門設計的飛機、專業飛行員、專業作業人員，技術難度高，經濟成本也較高。

1.1.2 輕小型平臺航空遙感

小型平臺（如小型無人機）的出現推動了航空遙感朝著輕小型方向發展。輕小型平臺遙感的優勢有：①靈活、實時、高效，相對于傳統大型平臺遙感對天氣、環境、起降場地等要求較低，作業受限較少［8］；②能夠快速地對研究區域進行數據采集，不受衛星遙感重訪周期等因素的影響［9］；③數據分辨率更高，拓展了航空遙感的空域，成為中小尺度遙感領域的新工具［10］；④相比于衛星遙感和傳統大型航空遙感，輕小型遙感的飛行平臺、傳感器研發、系統維護等成本較低。輕小型平臺遙感憑借自身優勢，已逐步從原來主要用于輔助政府宏觀決策，擴展到經濟建設和社會發展的各個領域，展現了優秀的數據獲取與處理能力，為測繪、監測提供有用信息。

輕小型平臺也有其缺點：①體積小、重量輕，易受風、氣流影響導致飛行姿態變化較大，外加目前適合輕小型飛行器搭載的POS（Position and Orientation System，定位定向系統）精度較低，使其獲得的遙感數據質量不穩定，影像校正難度較大；②負載重量與動力的雙重限制，導致輕小型飛行器的續航能力較差，無法進行大范圍作業；③輕小型平臺遙感仍處于起步階段，市場上的系統良莠不齊，沒有統一的規范與標準，作業人員門檻低，因此小型平臺航空遙感的安全性較差，事故頻發。

大型平臺與輕小型平臺航空遙感系統獲取的數據可相互補充，利用大型平臺航空遙感進行大范圍基礎信息獲取，利用輕小型平臺遙感進行重點區域或信息缺失區域高分辨率精細拍攝。因此，輕小型平臺遙感逐步成為研究熱點，大型平臺與輕小型平臺遙感協同發展是航空遙感系統的發展趨勢。

1.2 傳感器技術

航空遙感平臺可搭載各類成像傳感器與非成像傳感器，如普通光學數碼相機、成像光譜儀、SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）、LiDAR（Light Detection And Ranging，激光雷達）、紅外輻射計等。

1.2.1 光學數碼相機

數碼相機出現之前，航空遙感的拍攝工作主要使用膠片相機，膠片相機在進行測圖工作之前必須有一個影像數字化的過程，成本高且處理流程復雜。隨著攝影技術的發展及各領域對高分辨率數據日益迫切的需求，數碼相機廣泛應用于航空遙感系統。根據成像方式不同數碼相機大致可分為線陣相機與面陣相機。線陣相機沿著航線方向，對地物進行逐行推掃成像。Leica 公司推出的ADS 系列相機即為一款經典線陣航空相機，采用三線陣推掃方式成像，拍攝時有前視、后視和下視3 種投影模式。面陣相機的傳感器是由光敏元件組成的一個矩陣，成像時探測器所有的光敏元件同時曝光，不須要進行推掃等機械運動，能直接得到與面陣探測器對應的面陣影像。經典的面陣數碼相機有Z/I 公司的DMC 系列［11］、Vexcel 公司的UCD 系列、中科院的MADC 系列、中國測繪研究院的SWDC系列等。這里提及的相機大多須用大型平臺搭載，在航空攝影測量方面表現優異。近年來隨著無人機等小型平臺的發展，航空遙感門檻降低，常見的商業相機也應用于航空遙感，如佳能、索尼、Leica等公司推出的各類小型數碼相機，豐富了航空遙感光學載荷的類別。

1.2.2 成像光譜儀

成像光譜儀融合了成像技術和光譜技術，可同時獲得地物目標的地理信息與光譜信息，提高了遙感應用的定量化水平，主要工作范圍為可見光、近紅外和短波紅外波段。成像光譜儀的出現使航空遙感技術發生了質的飛躍，從地物分辨發展到對地物直接識別，從探測宏觀地物發展到探測地物的組分乃至化學組成。目前國際上主流的機載高光譜儀有美國的AVIRIS，澳大利亞的Hylab，加拿大Itres公司的CASI，SASI，TASI，中國上海技術物理研究所研制的OMIS和PHI［12］。

1.2.3 SAR傳感器

SAR 是一種主動式微波傳感器，通過向成像區域發射電磁波能量，然后記錄來自目標物的返回信號。SAR 主要工作在電磁波譜的微波波段（波長0.1～100.0 cm），不受光照和天氣條件的限制，可全天時、全天候對地觀測；在一定條件下，波長較長的微波還具有對地物的穿透性，其成像的立體效應增強了地形信息。這些優勢使得SAR遙感技術在地質學中得到了廣泛應用及深入發展。目前，航空遙感典型機載SAR 系統有美國的AIRSAR 和GeoSAR、加拿大的CV-580SAR、丹麥的EMISAR、德國的E-SAR、巴西的OrbiSAR等，這些傳感器覆蓋了P，L，C，X 等波段，且一般都具有全極化和干涉測量功能。中國于20 世紀70 年代開始開展機載SAR 的研制，已成功研制了多種型號的機載SAR 系統，如中國測繪研究院牽頭研制的CASMSAR 系統，可以獲取0.5～5.0 m空間分辨率的多波段（X和P波段）、多極化（HH，HV，VH，VV）干涉與立體SAR 數據，中國航天科工集團第二研究院研制的CSAR 系統，工作波段為C 波段，綜合了4種極化方式，集合了實時成像處理和事后高分辨圖像精處理功能。

1.2.4 LiDAR傳感器

LiDAR 是一種激光探測與測距系統，通過測量飛機的位置、姿態、對地距離及掃描角度，獲得地面掃描點的空間位置坐標。LiDAR 屬于主動遙感，可全天候工作，有一定的穿透性且周期短、精度高，是目前地形測量和三維建模的重要手段之一。LiDAR系統近年來發展迅速，除了最大測程、脈沖頻率、測量精度等硬指標不斷提高外，回收回波信號的方式也在進一步改進。目前主流的機載LiDAR 廠商有Leica，Optech，Riegl，Trimble等。近年來出現了一種單光子雷達，采用與以往模式完全不同的光子計數工作模式，功耗更低、探測精度及效率更高，以Leica 公司的SPL100為代表。

目前航空遙感的各類傳感器性能逐日上升，種類日益豐富，但中國境內的航空遙感傳感器大多為飛機等大型平臺設計，輕小型平臺航空遙感處于起步階段，可供選擇的傳感器較為單一。中國的大多數相關研究依賴他國商業化小型傳感器，現已無法滿足形式日益豐富的實際應用對數據的要求，對輕小型航空傳感器的研制需求也日趨緊迫。

1.3 攝影方式

航空遙感的攝影方式可按像片傾斜角分為垂直攝影和傾斜攝影2類。像片傾斜角是攝影機主光軸與通過透鏡中心的地面鉛垂線間的夾角。

垂直攝影為像片傾斜角等于0°的攝影。垂直攝影的主光軸垂直于地面，感光膠片與地面平行，在實際作業中當傾斜角小于3°時即可視為垂直攝影。垂直攝影獲得的影像稱為水平像片，水平像片上各部分的比例尺大致相同，可進行位置關系判斷與距離基礎量測。傳統的航空遙感拍攝方式一般為垂直攝影，航空遙感的重要產品之一即為數字正射模型。

傾斜攝影為像片傾斜角大于3°時的攝影，獲得的影像稱為傾斜像片。傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，如圖1 所示。傾斜攝影技術以大范圍、高精度、高清晰度、多角度的方式全面感知復雜場景，直接提供了豐富的地物側面信息，減少了須額外對建筑物側面紋理信息進行采集及影像修正的工作量，使得三維重建技術的成本大幅降低。

圖1 傾斜攝影示意

2 航空遙感在鐵路領域的應用

航空遙感作為一種新興技術應用于鐵路勘察設計、施工建設、運營維護等鐵路工程各階段，使大范圍、無接觸、機動性監測成為可能，逐步打破了傳統鐵路工程人工、設備高成本的局面。近年來航空遙感在鐵路領域的應用情況見圖2。

圖2 航空遙感在鐵路領域中的應用

2.1 航空遙感在鐵路勘察設計階段的應用

航空遙感在鐵路勘察設計階段中主要有兩方面應用：地形測量制圖與地質資料采集［13］。在鐵路勘察設計階段須進行地形測量與大比例尺地形圖制作，在地形資料缺失或精度不高的情況下，利用傳統地面測量的方法很難快速完成地形測繪，尤其是在地形地質條件復雜的地區，利用航空遙感可較快地獲得區域地形圖、數字高程模型等鐵路線路設計所需的重要資料。在勘察設計階段還須對區域地質勘察，航空遙感影像可直接或間接提供沿線大比例尺地質與水文資料。航片反映的地表地物宏觀、逼真，根據影像中的紋理、色調、圖形等特征，解譯出區域內地層、巖性、地質構造、不良地質等信息。

早在1935年中國就已建立了鐵路航測分隊，完成過重慶—長沙、寶雞—成都等線路的大比例尺地形圖制作與川漢（成都—漢口）鐵路等線路的選線圖制作。新中國成立后鐵道設計總局成立了航測組進行鐵道專門的勘察測量工作。中國從20 世紀開始將航空遙感技術應用于鐵路勘察設計工作中，至今已有很多成功的案例。在蘭新（蘭州—烏魯木齊）鐵路選線時缺乏地質資料與地形地圖，尤其是蘭新線東段，地質地形條件不允許大規模的人力測繪，因此在選線工作中引入了航空測量法，作業人員根據航空遙感影像勾繪出沙漠、沼澤、鹽湖、堿灘等不良地質的分布范圍，所得信息支持決策，選擇出了經濟合理的線路方案，大大加快了蘭新鐵路的勘測工作。“天保大”（天津—保定—大新）鐵路的選線也應用了航空遙感技術，通過結合不同時相、不同比例尺的航空像片陸地衛星影像進行室內解譯及外業驗證，編繪出了1∶10 000 大比例尺工程地質圖，為線路專業人員確定主要推薦方案提供了可靠的基礎資料。此外，在集通（集寧—通遼）鐵路、青藏（西寧—拉薩）鐵路格爾木至拉薩段、川藏（成都—拉薩）鐵路等線路的勘察設計階段，航空遙感技術均發揮了極其重要的作用［14］。

隨著航空遙感技術的發展，新型攝影方式與多源傳感器也被引入到鐵路勘察階段。中鐵第一勘察設計院集團有限公司在西藏青藏高原某區段鐵路勘察設計階段，針對測區植被覆蓋茂密和地形艱險的現狀，利用航空遙感傾斜攝影技術獲取了重點邊坡坡面的地質信息，構建了680 km2的優于5 cm 的三維實景，并結合二維影像和其他地質資料，利用遙感解譯技術方法完成19 處工點的地質信息、地質構造、不良地質、其他潛在威脅對象等因素的信息采集與判別解譯［15］。

航空遙感在國外鐵路勘察設計工作中也發揮了重要的作用。中國鐵路設計集團有限公司在泰國進行泛亞鐵路網的勘察設計工作中利用機載激光雷達技術克服了熱帶雨林地貌復雜、植被茂密、外業風險高的高難度工作環境，為工程提供了1∶2 000 的大比例尺地形圖、19 000 個線站橋隧專業橫斷面等基礎資料［16］，促進了中國與國外鐵路技術的合作與交流。

2.2 航空遙感在鐵路施工建設階段的應用

航空遙感在鐵路施工建設階段中主要有兩方面應用：工程管理監督與施工環境監測。在鐵路施工建設階段須對工程進行管理監督，鐵路建設屬于大范圍、建設周期較長的工程，利用傳統臺賬的方式無法對工程進行整體監控和指導，可視化程度低。利用航空遙感進行定期巡視，可留取高分辨率工程進度資料，還可利用數據建立施工現場三維平臺，支持施工部門的決策、完成施工組織管理等，并協助施工單位現場工作（如取棄土場的選取），輔助下一施工階段的安排。

在鐵路施工建設階段還須對施工環境進行監測，主要包括施工建設中周邊生態環境的變化、施工建設中地表地形的變化及地質環境的變化。在鐵路建設過程中不可避免地割裂當地的地理環境，對生態、自然景觀及地表地質狀態帶來極大的影響。大多數生態環境與地表地質變化無法短時間內從小范圍定點獲知，須進行大范圍觀測。衛星觀測受軌道過境范圍與時間限制很大，而利用航空遙感數據可以對周邊環境、地表地質等進行大規模數據采集與留存，結合遙感圖像解譯與GIS空間分析技術對施工各類環境進行監測與分析。

近年來，航空遙感技術在鐵路建設階段已有了很多實際應用。中航勘察設計研究院有限公司利用無人機遙感結合衛星遙感的方式對施工現場進行地形和地質地貌、地面建筑物等情況的信息采集，將設計好的鐵路三維模型數據導入三維GIS，實現了在建鐵路的漫游瀏覽、三維可視化展示、信息查詢及分析功能［17］。中鐵二院工程集團有限責任公司利用無人機遙感在成昆（成都—昆明）鐵路復線施工建設階段克服大高差地形獲取施工區域的高清影像，結合定位技術完成三維建模，對線路施工開挖土石方量進行監測［18］。此外，中國鐵路設計集團有限公司在浙江某鐵路項目施工過程中還將航空遙感技術用于地質地形監測，建設過程中隧道口施工場地邊坡出現了滑坡跡象，采用無人機搭載高精度POS（GPS+IMU）及傾斜相機利用傾斜攝影技術對施工場地進行三維實景建模，對該滑坡區域進行了為期一周的監測［19］。

2.3 航空遙感在鐵路運營維護階段的應用

航空遙感在鐵路運營維護階段中主要有三方面應用：運營期復測與監測、周邊安全監測及鐵路基礎地理數據信息化。地形地質復測與監測是鐵路運營監測的重要內容，相比于構筑物監測，地形地質復測與監測涉及范圍廣、面積大，定點觀測耗費的人力與時間成本高，而航空遙感可在地形地質的復測監控中發揮很大的作用。運營鐵路受地理環境變化、地質災害的影響很大，在山區等復雜地理區域，嚴峻的地勢及災害環境使作業的難度加大，此時利用航空遙感技術可以獲得高分辨率、高時效性的影像數據，對鐵路沿線地表環境進行監測，并對威脅鐵路行車安全的落石、滑坡、泥石流進行監控與預警，推進智能鐵路運營維護。

鐵路線路跨度長、跨越地域廣且情況復雜，對鐵路沿線的安全監測需要投入大量的人力物力，現有的人防物防技術時效性低、誤判率高，利用航空遙感技術可對鐵路沿線進行定期巡查，尤其是小型遙感平臺如無人機遙感系統可以大大縮短安全監測的周期，做到重點區域短時間的持續監測。航空遙感技術配合深度學習等新興的遙感圖像解譯技術可做到非法侵線、違規建筑等風險源的快速高效識別。

航空遙感在鐵路基礎地理數據信息化的過程中也發揮了重要的作用［20］。數量足夠、質量達標的鐵路基礎地理數據是進行鐵路運營維護的基礎。航空遙感影像可為既有鐵路運營維護提供大量基礎地理信息，如線路的具體位置、線路周邊地理人文環境情況等，還可快速、及時地實現大規模地理信息庫重點區域的信息更新，構建鐵路沿線三維模型，協助管理部門進行決策，推進鐵路運營維護工作的可視化與信息化，大幅提升運營維護效率。

在既有鐵路的運營維護階段，遙感技術也已有不少成功應用案例。京廣（北京—廣州）鐵路是中國第一條利用航空遙感技術進行復測的線路，1960 年進行了安陽至武昌段的航攝，1965 年復測完成了該區間內288 km2的1∶2 000比例尺的地形圖。北京鐵路局的統計數據顯示，常規方法須20年完成的復測任務利用航測方法僅需6 年時間，并且費用僅為常規方法測量的5%［21］。復測成果應用于土地管理與規劃、搶險救災、工程病害防治等多方面。遙感技術在既有鐵路的地質監測中也有成功應用，在成昆鐵路沙灣至瀘沽段，利用傳統地面方法調查發現36條泥石流溝，同期利用航空遙感技術則探查驗證出73條泥石流溝，航空遙感的探測效率是地面遙感的2～3倍，調查結果也更加全面［22］。

3 鐵路航空遙感面臨的制約因素

3.1 政策法規的限制

航空遙感涉及復雜、長周期的機場和空域申請流程，對云層等天氣條件要求高，時效性較差，無法完成鐵路工程突發災害應急處理等任務。除統一空域管理外，各地方、各行業也依法出臺了與其相適配的更為嚴格的規則與規定，對各類飛行器管制十分嚴格。但近年來，隨著各類飛行器行業的蓬勃發展，1 000 m以下的低空空域一定程度上放開了限制，逐步簡化低空空域的申請流程，小型低空遙感（如無人機遙感）發展勢頭迅猛。

3.2 安全性有待提升

安全因素是制約航空遙感技術在鐵路領域應用的主要因素之一。對鐵路行業尤其是對鐵路既有線路應用航空遙感方面的安全管控十分嚴格。由于高空空域限制以及鐵路日益迫切的實時性監測要求，鐵路工程對小型低空遙感，尤其是抵近能力好、時效性高的無人機遙感的需求越來越多。目前國內無人機質量參差不齊，事故率較高，為了避免無人機對鐵路行車安全的影響，鐵路部門已明文規定在沿線500 m范圍內不能飛放無人機、飛艇、氣球等飛行器。

創新性不強、核心技術缺乏是國內航空遙感安全性較低的主要原因。中國遙感系統重集成、輕開發，一些核心關鍵元（器）件須從國外采購，自主研發的飛行平臺、傳感器、軟件系統、高精度POS 與穩定平臺可靠性和專業性差，壽命短。近年來，國內的商業無人機生產商與相關科研院所已開始重視飛行控制系統的自主研發，無人機平臺穩定性與安全性有了很大程度提高，國產低空遙感平臺正在逐步向鐵路行業的高安全標準靠近。

3.3 標準缺乏

中國航空遙感產業發展整體上缺乏協同性，軍民分立、行業分立、條塊分割、標準缺乏導致航空遙感難以統一管理。鐵路線路涉及范圍廣，各省級單位的航空遙感管理標準不統一，相關資源和技術難以有效整合，跨行業數據共享困難，造成了低水平重復建設等問題，加大了鐵路復測工作量，進而導致鐵路信息化建設受阻。制定鐵路相關的航空遙感管理與應用標準的需求日益迫切。

4 結語

航空遙感技術從20 世紀出現以來得到了長足發展，多源、多模式的航空遙感數據已廣泛應用于鐵路工程的各階段。航空鐵路遙感的應用減少了外業人員、設備的投入，降低了危險地區作業的安全風險，提高了工作效率和經濟效益。然而，國內航空遙感在鐵路領域的應用時間較短，存在一定程度的不足。隨著技術水平與管理水平的不斷提高，航空遙感技術將在鐵路行業得到更為廣泛與深入的應用。