肖銘哲
(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司,廣州 511487)
截至2020年底,我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63萬(wàn)km,其中高鐵里程3.79萬(wàn)km。鐵路外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源已成為鐵路安全問(wèn)題整治工作的主要對(duì)象,做好鐵路外部環(huán)境安全問(wèn)題整治工作是防范化解鐵路重大安全隱患、確保高鐵和旅客列車安全重要手段。同時(shí),也對(duì)鐵路外部風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測(cè)提出了更高的要求[1-3]。
目前,鐵路外部風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)現(xiàn)、巡檢、處置等環(huán)節(jié)多采用人工方式完成。但該方式在大范圍監(jiān)測(cè)方面存在明顯不足[4]。具體體現(xiàn)為:①受人力資源的限制,一線工區(qū)人員工作任務(wù)飽滿,在鐵路沿線周邊環(huán)境巡檢工作中難以投入較多人力;②在南方山區(qū),地質(zhì)地貌條件復(fù)雜,隧道頂部、密林區(qū)等段落,人員難以到達(dá),不能做到全覆蓋的巡檢,存在安全防護(hù)的盲區(qū)和漏洞;③受檢查人員視線角度的限制,實(shí)地巡檢或者高鐵添乘檢查存在視線遮擋,高層建筑物屋頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的隱患點(diǎn)無(wú)法被準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn);④風(fēng)險(xiǎn)源的管控信息化水平較低,仍然以外業(yè)紙質(zhì)記錄,內(nèi)業(yè)電子表格的方式進(jìn)行管理,不同管理層級(jí)之間存在信息孤島。
衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有時(shí)空分辨率高、宏觀性強(qiáng)、可視性好、紋理豐富等特點(diǎn)[5],其高分光學(xué)遙感影像可用于鐵路勘察中的地理信息產(chǎn)品制作、地質(zhì)遙感解譯與環(huán)境影響評(píng)價(jià)[6-7]。光學(xué)、微波、衛(wèi)星定位等遙感技術(shù)在既有鐵路地災(zāi)防治中已有深入研究[8-11],借助衛(wèi)星遙感技術(shù)大范圍、快速重返拍攝獲取數(shù)據(jù)的能力,于勝利等在鐵路周邊環(huán)境隱患識(shí)別與監(jiān)測(cè)中進(jìn)行嘗試[12-14]。但是目前的研究成果中,針對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)與GIS技術(shù)融合應(yīng)用于鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測(cè)與管理的研究還相對(duì)較少。
為了解決上述人工監(jiān)測(cè)中存在的弊端,結(jié)合路外環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與一線工區(qū)人員的業(yè)務(wù)需求,提出一種基于遙感技術(shù)的路外環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源定期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的全周期的信息化管理。其基本流程見(jiàn)圖1。
圖1 鐵路外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工藝流程
(1)資料整理
資料整理工作主要包括線位資料收集、整理,系統(tǒng)平臺(tái)底圖影像制作,不同級(jí)別行政區(qū)界、各等級(jí)名稱注記等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資料的收集整理。資料整理工作的主要目的是為桌面管理系統(tǒng)與移動(dòng)巡檢APP的搭建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以便于后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)源部分屬性信息的自動(dòng)計(jì)算(如起止里程、距離線位距離、所處省、市、縣及鎮(zhèn)等)。
(2)衛(wèi)星動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
衛(wèi)星動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)無(wú)差異人工巡檢,采用高精度遙感變化自動(dòng)檢測(cè)方法[15-16],嚴(yán)密監(jiān)控新增風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)源處置現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源檔案的動(dòng)態(tài)更新,降低漏檢率,增大監(jiān)測(cè)覆蓋面。基于衛(wèi)星遙感定期監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)變化的風(fēng)險(xiǎn)源,并自動(dòng)推送到系統(tǒng)平臺(tái),一方面可以指導(dǎo)人工巡檢,提高針對(duì)性;其次,可以復(fù)核處理情況是否與實(shí)際相符;最后,還可以發(fā)現(xiàn)漏檢的風(fēng)險(xiǎn)源。
(3)系統(tǒng)平臺(tái)搭建
鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要包括路外風(fēng)險(xiǎn)源桌面管理系統(tǒng)與移動(dòng)智能巡檢APP兩大部分。通過(guò)兩個(gè)軟件的協(xié)同作業(yè)可以實(shí)現(xiàn)海量路外風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)的高效管理;基于二維GIS技術(shù)對(duì)鐵路外部環(huán)風(fēng)險(xiǎn)源建立多維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源的時(shí)空屬性查詢和多維度統(tǒng)計(jì)分析,并將GIS技術(shù)與鐵路外部環(huán)風(fēng)險(xiǎn)源管理業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合,可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源的“發(fā)現(xiàn)-復(fù)核-處置-銷號(hào)”的全周期管理回溯,大大提高站段的管理效率與一線巡檢人員的工作效率。
衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀性強(qiáng)、周期性拍攝、影像色彩紋理豐富等特點(diǎn),相較于傳統(tǒng)人工巡檢方式具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)在既有鐵路災(zāi)害早期識(shí)別、鐵路勘察設(shè)計(jì)等領(lǐng)域已有泛應(yīng)用。但對(duì)于鐵路沿線彩鋼房、防塵網(wǎng)等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象,目前缺少相關(guān)應(yīng)用研究。結(jié)合廣鐵集團(tuán)相關(guān)線路中的示范應(yīng)用,從影像分辨率、衛(wèi)星數(shù)據(jù)源類別、衛(wèi)星重訪周期3個(gè)關(guān)鍵因素出發(fā),對(duì)衛(wèi)星遙感技術(shù)在鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)中的可行性進(jìn)行深入分析。
(1)影像分辨率
影像分辨率代表衛(wèi)星識(shí)別地物的清晰程度。需要從投入成本,識(shí)別精度、處理工作量等方面綜合考慮,選擇合適分辨率的影像。為了驗(yàn)證不同分辨率對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別效果的影響,制作了同一觀測(cè)區(qū)域的不同分辨率的影像(見(jiàn)圖2)。從圖2中可以發(fā)現(xiàn),0.2m、0.5m、1m分辨率影像均能夠有效區(qū)分彩鋼房地物,2m分辨率影像相對(duì)模糊,彩鋼房色彩以及邊界顯示不清晰??紤]監(jiān)測(cè)成本以及數(shù)據(jù)處理效率等問(wèn)題,盡管0.2m分辨率的監(jiān)測(cè)精度較高,但其成本為0.5m或者1m數(shù)據(jù)的數(shù)倍,在長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中性價(jià)比不高。因此,在路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)中,可以在城市等建筑物密集的區(qū)域使用0.5m分辨率衛(wèi)星影像,在山區(qū)及建構(gòu)筑物稀疏的區(qū)域使用1m分辨率衛(wèi)星影像。
圖2 不同分辨率衛(wèi)星影像對(duì)比
(2)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源
鐵路線里程長(zhǎng),覆蓋面廣,衛(wèi)星影像分辨率越高,則其單景拍攝的范圍越小。為了實(shí)現(xiàn)多線路、長(zhǎng)里程的鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè),需要多顆衛(wèi)星協(xié)同拍攝,以實(shí)現(xiàn)全覆蓋的監(jiān)測(cè)。目前,全球在軌的商業(yè)化衛(wèi)星中,滿足路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源見(jiàn)表1[17-19]。
表 1 衛(wèi)星數(shù)量源情況統(tǒng)計(jì)
(3)重訪周期
路外風(fēng)險(xiǎn)源巡檢周期一般為1個(gè)月,故衛(wèi)星對(duì)鐵路同一區(qū)域拍攝的重訪時(shí)間不能小于1個(gè)月。由于鐵路呈帶狀分布,并且易受天氣環(huán)境的影響,單一衛(wèi)星的拍攝效率不能滿足大范圍鐵路的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)需求。從表1中可以看出,單一衛(wèi)星星座的重訪時(shí)間最高為0.5d,通過(guò)綜合多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù),在不考慮天氣因素條件下,可以滿足每月1次的監(jiān)測(cè)需求。
基礎(chǔ)資料主要包括線位、底圖及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等資料,導(dǎo)入平臺(tái)之前,需要針對(duì)線位進(jìn)行深加工處理,底圖進(jìn)行色彩調(diào)整與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等工作。資料整理的基本流程見(jiàn)圖3。
圖3 資料準(zhǔn)備流程
(1)線位資料整理
在路外風(fēng)險(xiǎn)源管理過(guò)程中,所有風(fēng)險(xiǎn)源位置全部以里程作為基準(zhǔn)進(jìn)行定位,外業(yè)巡檢、復(fù)核也按照里程段落開(kāi)展。因此,需要將收集的不同坐標(biāo)線位進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,結(jié)合收集的里程位置資料,建立經(jīng)緯度坐標(biāo)與里程坐標(biāo)之間的換算關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)中任意風(fēng)險(xiǎn)源的里程與距離的自動(dòng)計(jì)算。
線位資料整理還包括基于鐵路中線資料的安保區(qū)范圍線、用地紅線范圍線以及100m監(jiān)測(cè)范圍線的制作。根據(jù)不同范圍線的具體描述,以鐵路中線為基準(zhǔn)進(jìn)行矢量范圍的偏移操作,完成范圍線的制作。
(2)平臺(tái)底圖與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)整理
底圖可以采用谷歌衛(wèi)星影像,導(dǎo)入平臺(tái)之前需要完成影像的色彩調(diào)整,影像坐標(biāo)與格式的轉(zhuǎn)換等操作。
基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要用于輔助風(fēng)險(xiǎn)源屬性信息的描述,不同等級(jí)行政區(qū)界線、名稱注記等資料收集之后,進(jìn)行坐標(biāo)與格式的轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入系統(tǒng)平臺(tái)。
借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)手段,能有效克服人工巡檢作業(yè)巡視范圍受限、受環(huán)境因素影響大的弊端,提升鐵路沿線風(fēng)險(xiǎn)源問(wèn)題的排查和監(jiān)測(cè)科學(xué)化程度,大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)人工排查問(wèn)題和整治情況巡檢工作。一方面需要利用專業(yè)的遙感解譯技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)精確的鐵路沿線變化檢測(cè),另一方面則需要結(jié)合運(yùn)營(yíng)鐵路專題信息開(kāi)展必要的GIS分析,形成便于路外環(huán)境整治工作的專題報(bào)告,便于后期開(kāi)展相應(yīng)的沿線問(wèn)題普查、詳查、核查等環(huán)節(jié)工作,其流程見(jiàn)圖4。
圖4 遙感風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)技術(shù)流程
(1)數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)預(yù)處理
根據(jù)監(jiān)測(cè)需求,通過(guò)事先收集和整理的鐵路位置資料,選擇合適的在軌高分光學(xué)遙感衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源,制定拍攝計(jì)劃,以獲取鐵路里程段落兩側(cè)一定寬度范圍內(nèi)的衛(wèi)星遙感影像。借助遙感數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)的輻射及幾何校正、影像精確配準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)范圍裁切等工作,用于后續(xù)影像解譯和分析。
(2)面向?qū)ο蟮倪b感變化檢測(cè)
在兩期高分遙感影像數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)后,采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄩ_(kāi)展數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,提取檔期數(shù)據(jù)變化區(qū)域,對(duì)高鐵沿線200m寬度范圍的緩沖區(qū)域內(nèi)開(kāi)展空間信息分析計(jì)算變化區(qū)域。為克服直接利用像元進(jìn)行分析方法的局限性,提高識(shí)別精度,在影像特征分割的基礎(chǔ)上,對(duì)分割對(duì)象進(jìn)行監(jiān)督分類,并對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)分析,其優(yōu)勢(shì)是將高鐵沿線各類地物按屬性進(jìn)行分類和變化監(jiān)測(cè),克服了像素級(jí)變化的干擾,有利于整體把握地物類型的變化,提高風(fēng)險(xiǎn)源目標(biāo)檢測(cè)的邊界精度和屬性精度。
(3)風(fēng)險(xiǎn)源變化檢測(cè)成果專題庫(kù)構(gòu)建
通過(guò)提取變化的區(qū)域,并經(jīng)過(guò)形狀規(guī)則化處理,形成安全隱患目標(biāo)檢測(cè)變化矢量圖,通過(guò)收集和制作的鐵路線位及橋墩位置信息,在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中分析變化目標(biāo)的地理空間位置信息及鐵路關(guān)聯(lián)信息,進(jìn)而得到每一個(gè)變化區(qū)域的空間屬性特征。其中地理空間位置信息包括面積、長(zhǎng)寬、所屬行政區(qū)域等信息,鐵路關(guān)聯(lián)信息包括隱患的里程、偏距、行別等信息。
對(duì)變化檢測(cè)結(jié)果圖斑進(jìn)行綜合判視,復(fù)核變化問(wèn)題屬性并將其納入指定的風(fēng)險(xiǎn)源類別,將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化入庫(kù),實(shí)現(xiàn)用戶層面檢測(cè)結(jié)果在線查看和分析,如圖5所示。將風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)成果分發(fā)至用戶,便于根據(jù)變化信息定向指導(dǎo)排查工作。通過(guò)多期數(shù)據(jù)的對(duì)比和時(shí)序監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,跟進(jìn)現(xiàn)存環(huán)境問(wèn)題的發(fā)展以及已處置問(wèn)題的銷號(hào)情況;評(píng)估鐵路沿線風(fēng)險(xiǎn)源目標(biāo)在時(shí)間和空間上變化的分布模式,對(duì)監(jiān)測(cè)成果的演變情況和背后的規(guī)律進(jìn)行總結(jié),對(duì)將來(lái)發(fā)生的變化進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)后續(xù)排查和整治工作提供依據(jù)。
圖5 風(fēng)險(xiǎn)源變化檢測(cè)結(jié)果展示
將衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的手段引入風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理中,建設(shè)相關(guān)的鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),提升鐵路外部環(huán)境管理信息化水平。通過(guò)建立一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái),全面統(tǒng)籌鐵路外部環(huán)環(huán)境管理相關(guān)工作與鐵路運(yùn)營(yíng)其他工作關(guān)系,提升路局鐵路管理整體水平。
基于衛(wèi)星遙感的鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的主要模塊見(jiàn)圖6,包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。
圖6 鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要功能
(1)鐵路外部環(huán)境臺(tái)賬
實(shí)現(xiàn)鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源管理的信息化,必須以既有的鐵路臺(tái)賬為數(shù)據(jù)根本,深入分析既有資料,提煉鐵路外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源屬性要點(diǎn),挖掘既有臺(tái)賬資料的最大價(jià)值,做好既有資料的梳理工作,為既有資料歸檔入庫(kù)做準(zhǔn)備。
(2)鐵路外部風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)
包括站段及車間工區(qū)管轄里程信息、鐵路運(yùn)營(yíng)橋墩里程信息,鐵路運(yùn)營(yíng)區(qū)間里程分段信息、鐵路運(yùn)營(yíng)線路形式信息、鐵路安保區(qū)范圍信息、鐵路用地界信息、鐵路穿越行政區(qū)分界信息、鐵路工務(wù)管理人員信息等,同時(shí)結(jié)合鐵路外部環(huán)境首次建檔成果,完成兩庫(kù)融合,進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作;根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)比選合適的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)引擎,建立鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。
(3)日常管控工作業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化流程和制度
要完成鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的建設(shè),必須對(duì)既有的鐵路外部環(huán)境管控工作業(yè)務(wù)流程進(jìn)行精簡(jiǎn)和優(yōu)化,提煉當(dāng)前工作中的要點(diǎn),同時(shí)結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),建立一套集“監(jiān)測(cè)-發(fā)現(xiàn)-復(fù)核-處置-銷號(hào)-復(fù)查-統(tǒng)計(jì)-分析-決策”于一體的標(biāo)準(zhǔn)化的鐵路外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源全生命周期管理流程,同時(shí)配套制度一套用于約束的制度,促進(jìn)鐵路周邊環(huán)境管控常態(tài)化、系統(tǒng)化、健康化發(fā)展。
(4)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
結(jié)合鐵路外部環(huán)境日常管控工作業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化流程,以鐵路外部環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),進(jìn)行鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作。根據(jù)前期調(diào)研,該系統(tǒng)應(yīng)充分考慮當(dāng)前路局的用戶特點(diǎn),以簡(jiǎn)單化、自動(dòng)化、智能化為設(shè)計(jì)原則。
以廣深港高鐵某段落為例,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度為30km,采用三期覆蓋監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)影像數(shù)據(jù)對(duì)比分析,分為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日兩組開(kāi)展,橫向范圍為線位兩側(cè)200m內(nèi),經(jīng)精確配準(zhǔn)后的影像疊加分析,針對(duì)變化區(qū)域提取結(jié)果結(jié)合訓(xùn)練樣本構(gòu)建分類器進(jìn)行分析,結(jié)合人工解譯對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行類別判別,并對(duì)其進(jìn)行空間分析,得到結(jié)果見(jiàn)表2,兩期變化檢測(cè)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。
表2 試驗(yàn)段變化檢測(cè)結(jié)果
圖7 兩期變化檢測(cè)對(duì)比結(jié)果
通過(guò)兩期數(shù)據(jù)比對(duì)檢測(cè)可得到指定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)鐵路沿線關(guān)注地物目標(biāo)的變化情況,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查和復(fù)核,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開(kāi)展了問(wèn)題變化情況和屬性信息比對(duì),認(rèn)為和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合程度較好。
(1)通過(guò)衛(wèi)星遙感定期監(jiān)測(cè),可以有效發(fā)現(xiàn)鐵路沿線新增問(wèn)題情況,并對(duì)既有問(wèn)題整治情況進(jìn)行整體把握。用于監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率應(yīng)優(yōu)于1m。
(2)定期進(jìn)行衛(wèi)星變化檢測(cè)工作,可提前預(yù)知沿線新增問(wèn)題和整治情況;通過(guò)鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),可將現(xiàn)勢(shì)性好的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以在線數(shù)據(jù)服務(wù)的形式發(fā)布。一般情況下,衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)每3個(gè)月監(jiān)測(cè)1次,無(wú)人機(jī)航飛變化檢測(cè)每年監(jiān)測(cè)1次。
(3)通過(guò)應(yīng)用鐵路路外風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),能提高管理工作的科學(xué)和信息化程度,落實(shí)和規(guī)范問(wèn)題監(jiān)測(cè)、預(yù)警、處理、歸檔整治作業(yè)流程。