铁路工程地质遥感技术应用现状与展望.pdf

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铁路工程地质遥感技术应用现状与展望1 铁路工程地质遥感技术应用现状与展望2 铁路工程地质遥感技术应用现状与展望3 铁路工程地质遥感技术应用现状与展望4 铁路工程地质遥感技术应用现状与展望5
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·地质勘察·收稿日期:20160805基金项目:中国铁路总公司科技开发重点课题资助⁃(2015G0020)铁路工程地质遥感技术应用现状与展望乔 平 刘桂卫(铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津 300142)摘 要 在总结遥感源平台、三维遥感技术、雷达遥感技术等在铁路工程地质勘察中的应用现状基础上,探讨了铁路工程地质遥感工作需要进一步研究的内容。 目前,三维遥感判释技术逐渐应用于铁路勘察工作中,但以定性判释为主,需要加强定量判释技术的开发和应用。 干涉雷达遥感技术在监测区域沉降变形中具有明显优势,而成像雷达技术在铁路勘察中应用还很少。 随着我国高铁运营里程的快速增长,既有线地质灾害遥感筛查工作应引起足够重视。 同时,应加强国产卫星遥感数据在铁路行业的应用。关键词 铁路工程 三维遥感 雷达遥感 遥感判释 地质勘察中图分类号   P642.4 文献标识码  A 文章编号 1009  4539(2016)11000104        ApplicationSituationandProspectofRemoteSensingTechnologyfor  RailwayEngineeringGeology   QiaoPing,LiuGuiwei         (TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCo.    Ltd.,Tianjin300142,China)Abstract     Basedonthesummarizationof       ⁃theapplicationsituationonremotesensingplatforms,threedimensionalremote              sensingandradarremotesensingtechnologies,wediscussedthefurtherresearchonremotesensingof railwayengineeringgeology.   ⁃           ⁃Atpresent,thethreedimensionalremotesensinginterpretationtechnologyisgraduallyappliedintherailwaysur            veying,however,thedevelopmentandapplicationofquantitativeinterpretationtechnologyshouldbestrengthened.⁃Interfer                ometricsyntheticapertureradartechnologyhasobviousadvantagesinmonitoringthelandsubsidence,buttheapplicationof      imagingradarinrailwaysurveyisrare.     ’  ⁃     ⁃WiththerapidgrowthofChinashighspeedrailway,thegeologicalhazardinvesti gationof               theexistinglinebyremotesensingtechnologyshouldbepaidmoreattention,furthermore,theapplicationof⁃do         mesticremotesensingdatashouldbestrengthenedinrailwayengineering. Keywords   ⁃railwayengineering;threedimensional       remotesensing;radarremotesensing;remotesensinginterpretation;geologicalsurvey 1引言遥感技术作为铁路工程地质勘察的有效手段之一,已在铁路勘察的各个阶段得到应用  [1-3]。 应用内容包括区域地质判释、新线勘测沿线工程地质调查、砂石产地调查和评价,隧道弃碴场地的调查,长隧道、特大桥、大型水源地等的位置选择,施工阶段工程地质遥感判释应用,既有铁路线沿线地质灾害的调查监测等[4]。 所应用的遥感片种主要是全色黑白航空像片以及美国陆地卫星 TM 图像和 ETM图像,判释方法从利用立体镜目视判释过渡到数字图像判释,图像辨认仍以静态和定性分析为主,已在宝成、陇海铁路、西康线、南昆线、成昆等铁路勘察中应用,由勘察设计阶段,逐步扩展到施工阶段和既有线的地质灾害调查[2,5,6]。 近几年,随着新型遥感传感器平台和图像处理技术的发展,高分辨遥感、三维遥感、雷达遥感等技术逐渐在铁路生产中应用。 本文在简要总结遥感源平台、三维遥感技术、雷达遥感技术应用现状的基础上,探讨铁路工程地质遥感工作需要进一步研究的内容。1铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察· 2铁路工程地质遥感技术应用现状  2.1高分辨率卫星传感器的发展在高分辨率遥感数据方面,目前,国外常用的         商业高分辨率卫星主要有 ⁃ ⁃IRSP5、WorldView2、    ⁃IKONOS、QuickBird、SPOT5、ALOS、GeoEye1 等, 分辨率一般在  5m 以内,最高可达    ⁃0.41m(GeoEye1全色),详细参数见表 1。 近几年,国产卫星数据得到长足发展,先后出现多种民用高分辨率卫星遥感源,详细参数见表 2。 其中,资源三号⁃(ZY3)卫星是中国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星,通过立体观测,可以测制 ∶  150000 比例尺地形图。 天绘卫星与 ⁃ZY3 性能参数类似,都能为国土资源、农业、林业、铁路、城市管理等领域提供服务。 随后高分一号开始投入使用“,高分”系列至少包括 7 颗卫星和其他观测平台,分别编号为“高分一号”到“高分七号”,它们都将在 2020 年前发射并投入使用。“高分”系列卫星覆盖了从全色、多光谱到高光谱,从光学到雷达,从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型,构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。目前,在铁路勘测中,多采用国外的遥感数据。随着国产遥感数据源的不断发展,可以采用国产卫星数据逐步替代国外的数据源,如资源三号、天绘一号、高分一号等能够满足加深地质工作及初测阶段不良地质勘察的需求。表  1国外常用高分辨率卫星影像传感器发射时间国家多光谱波段空间分辨率/m重返周期/dIKONOS1999美国蓝、绿、红、近红外全色:1 多光谱:4    1.5~2.9SPOT52001法国绿、红、近红外、中远红外全色 :2.5 多光谱:1026QuickBird2001美国蓝、绿、红、近红外全色 :0.61 多光谱 :2.44   1~3.5 ⅡFORMOSAT2004中国台湾蓝、绿、红、近红外全色:2 多光谱:41ALOS2005日本蓝、绿、红、近红外全色 :2.5 多光谱:102⁃KOMPSAT22006韩国蓝、绿、红、近红外全色:1 多光谱:43⁃  WorldView1/22008美国蓝、绿、红、近红外、远红外全色 :0.5 多光谱 :2.4    1.1~3.7⁃GeoEye12008美国蓝、绿、红、近红外全色 :0.41 多光谱 :1.65  2~3表  2国内常用高分辨率卫星影像传感器发射时间国家多光谱波段空间分辨率/m重返周期/d资源三号2012中国蓝、绿、红、近红外全色 :2.1 多光谱 :5.85天绘一号2012中国蓝、绿、红、近红外全色:2 多光谱:105高分一号2013中国绿、红、近红外、中远红外全色:2 多光谱:83  2.2三维遥感判释技术的应用目前,三维遥感可视化技术已经在数字区调、公路、     铁路工程建设、         滑坡灾害防治等领域应用  [7-9]。 在铁路行业中,利用三维遥感可视化技术,可获取所需要的工程地质信息,用于线路方案比选和优化,以指导地质选线。 亦可结合 GIS 空间分析技术,开展铁路选线边坡设计、路线平纵参数设计及工程量计算等[10]。 铁路三维遥感判释技术一般采用三层结构,包括基础层、中间层和应用层,如图 1 所示。 基础层主要是利用遥感影像和数字高程模型(DEM) 建立三维遥感空间场景,是三维地质遥感判释系统的基础和关键。 包括卫星及航空遥感图像数据处理、不同尺度 DEM 的建立、遥感影像与 DEM 数据的匹配,以及纹理映射和三维渲染等关键技术;中间层为三维遥感判释辅助数据层,主要包括线位、缓冲区等工程背景信息,工程地质图、水文地质图等地质参考信息,以及地物特征点、现场照片等外业调查资料。 中间层为三维地质遥感判释提供辅助信息,能够降低不良地质信息提取的主观性,提高判释准确度;应用层包括不良地质信息的提取、快速查询检索、表面参数的量测以及成果制图与输出等功能,是三维地质遥感判释过程的终端环节。 应用层的功能主要在 GIS 软件平台下实现,在各类工程地质信息提取的基础上,能够进一步对数据进行空间分析和数模计算。 三维遥感判释技术已在蒙华铁路、浦梅线、十宜铁路、向莆铁路、滇藏线等铁路工程中开展应用  [11-14]。2铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·图  1铁路三维地质遥感判释系统技术框架   2.3雷达遥感技术应用   2.3.1干涉雷达遥感技术我国多条运营中的高铁存在有不同程度的区域沉降和线上沉降。 例如:据现有高铁沉降监测资料显示,京津城际、京沪高铁等在天津地区的个别段落具有不同程度的沉降现象[15]。 雷达干涉测量技术提供了一种全新的地表形变监测方法,该方法可以获取大范围、厘米级精度的地表形变信息,如干涉雷达遥感技术在京津高速铁路全线地面沉降监测中的应用。 研究利用 ENVISAT 卫星 2 个相邻平行轨道下获取的条带扫描数据进行 PSInSAR 处理,分别获取从 2007 年 1 月至 2009 年 6 月间接收的ASAR 数据 23 景和 22 景。 在完成每个轨道下地面沉降速率提取后,对两个轨道进行坐标系统6参加基准统一,生成覆盖范围为  160×  200km2的地面沉降速率图。 根据京津高铁线路分布范围,提取工程沿线  6km 范围内的地面沉降速率。 图 2 为通过多轨道集成获取的京津城际沿线  6km 范围内 2007-2009 年地面沉降监测结果,图 3 为京津城际沿线地面沉降速率剖面图。图  2京津城际沿线 2007-2009 年地面沉降速率图 图  3京津城际沿线 2007-2009 年地面沉降剖面图    2.3.2成像雷达遥感技术21 世纪以来,成像雷达系统正向着多波段、多模式,全极化、干涉测量、多参数全极化干涉的方向发展,获取地球表面信息的能力越来越强,越来越全面。 雷达数据在铁路工程地质领域中的应用也会越来越广阔。 雷达数据在铁路工程地质领域中的应用主要体现在对不良地质的解译,包括对线环构造,滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的识别。 由于雷达遥感图像独特的成像机理、斑点噪声和影像几何畸变特征,给雷达图像的处理与解译带来困难,导致在铁路行业应用相对而言进展最慢,应用较少[16]。 在未来的发展中,随着研究的深入及新算法的出现,雷达影像的去噪方法也会得到相应的改进,便于地物解译标识的建立。 影像融合的方法也会更加丰富,使雷达影像与其他影像更好地融合,多方法多角度地利用影像,使影像信息最大化地呈现出来。 随着软件及模型的进步,可以利用雷达遥感技术开展地质灾害的预测预报、变形监测、灾后评估等。 3铁路工程地质遥感技术展望随着“一带一路”铁路和我国中西部铁路建设的快速推进,遥感技术将在这些铁路建设中发挥重要作用。 地质遥感技术作为一项复杂的系统工程,3铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·在“走出去”过程中还面临很多挑战。 随着应用范围和精度需求的不断提高,需要对地质遥感判释技术进行深入而广泛的研究。 几点建议如下:(1)加强定量遥感判释技术的研究和应用。 随着三维遥感判释技术、高分辨率遥感判释技术的开发应用,使得遥感判释从定性向定量转化成为可能。 要加强利用三维遥感判释技术进行地质体参数量测的技术和软件开发工作,深入研究高分辨率遥感信息提取在不良地质宏观变化监测中的应用。(2)开展既有铁路沿线地质灾害遥感调查技术研究。 据统计,我国既有铁路沿线分布有大型泥石流沟  13486 条,大中型滑坡  1000 多个,崩塌  1000多处,严重塌陷  3785 处。 陇海铁路线宝鸡至天水段,以及宝成铁路、成昆铁路、襄渝铁路、鹰厦铁路等山区铁路线,都是铁路工程地质灾害多发的线段。 据铁路部门统计的有关数据表示,2000 年至2006 年,全国铁路受灾害影响所造成的经济损失高达上百亿元,而且每年受灾的影响呈递增趋势。 因此,加强既有线地质灾害调查、评价和预测分析工作势在必行。 遥感技术具有宏观、全面和不受地形及天气影响的优势,能够为既有线灾害调查工作提供有力支持,结合动态遥感监测及 GIS 分析技术,能够实现地质灾害的识别、宏观评价和预测。 用多期遥感数据对不良地质体进行精确判释,不仅可以清晰不良地质的分布特征,而且能够对其动态变化进行监测,进而分析其发展演化规律。 具体工作包括以下几个方面:首先,应用遥感技术获取有关地质病害的类型、规模和特征等现状信息;其次,通过病害与线路空间位置的相关分析,判断其对铁路的危害方式和危害程度;再次,通过对影响病害形成和发展的有关工程地质及环境条件的综合判释,分析病害的成因,推断病害的发展趋势;最后,通过对区段病害的统计分析和区域工程地质遥感调查,分析地质病害的分布规律,从而针对病害的具体情况和与铁路的相互关系,提出病害的防治措施。(3)加强国产卫星遥感数据的开发和应用。 目前,遥感技术在铁路工程中的应用多以国外遥感数据为主,国产遥感影像应用明显不足。 随着国产卫星遥感技术的发展⁃⁃⁃,ZY3、GF1、GF2、天绘系列卫星已经能够满足铁路地质勘察的需要。 亟需加强国产卫星影像在铁路工程中应用的适应性及处理技术研究,并结合“一带一路”及国内铁路建设项目开展示范应用,对降低铁路遥感勘察成本和推动国产卫星数据在铁路行业应用,都具有积极的推动作用。 4结论通过国内外卫星传感器平台的分析,明确国内遥感数据也能够满足铁路生产的需要,今后应该加强国产卫星遥感数据在铁路行业的应用,并结合“一带一路”及国内铁路建设项目开展示范应用,梳理包含基础层、中间层和应用层的三维遥感判释技术框架,明确三维遥感判释技术的应用方法。 建议今后结合铁路生产,进一步开展三维定量遥感技术研究。 干涉雷达遥感技术已经在铁路地面沉降监测工作中开展应用,而成像雷达遥感技术应用仍然不足。 既有铁路沿线地质灾害遥感调查技术的应用应引起足够的重视。参考文献  [1]卓宝熙, 甄春相.遥感技术在铁路工程地质勘察中的应用[J]. 铁道工程学报  ,2005(S1):399-406.  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