遥感技术在铁路工程勘察中的应用

为了进一步推广遥感技术在铁路工程勘察中的应用，在分析传统遥感技术应用局限性的基础上，提出了真实感场景遥感技术.通过引入视差函数，基于立体正射影像像对，保证视差方向与模型基线方向一致，消除夹角，获取数据精度更高的立体模型，形成了一套完善的遥感建模方法和生产应用流程;将遥感技术与协同设计平台配合使用，实现了不同专业之间数据的双向流通.研究结果表明:真实感场景遥感技术适用于铁路工程勘察的多个不同专业，尤其在不良地质调查、线路选线方面效果明显;与传统遥感技术相比，可节省外业勘察时间50%，节省内业设计时间20%.

随着我国综合实力的稳步提高，“一带一路”建设理念正在逐步构建实施，“四纵四横”高速铁路通道基本完善，“八纵八横”高速铁路网正在建设，越来越多的新建铁路工程项目正在研究、规划、勘测、建设和运营.新建铁路项目的工程规模越来越大，跨越的地域空间越来越广，途经的地貌形态越发多样，涉及的地质条件更加复杂，所遇见的各类工程地质问题越来越多，对铁路选线、建设和安全运营提出更高的技术要求.在铁路工程勘察设计研究的各个阶段，由于环境因素影响、方案变更频繁，以及工期有限和数据缺乏，加之在山区、高原、沙漠、湿地、禁区等特殊环境条件下人工调查难以开展，导致铁路勘察进度缓慢、成本提高［2-3］.

20世纪50年代，遥感技术作为一种新型的先进勘测方法被引入到铁道行业［4］.在整个项目的研究和勘测过程中，利用航空及航天遥感资料，可编制各种比例尺的地形图，开展线路选择、地质分析、路桥隧站等工程的合理布置.通过引入遥感技术，可以减少调查工作，改善劳动条件，提高勘测设计质量，降低工程投资，尤其在工程地质领域应用非常广泛.但是，遥感技术也存在一定的局限性，使得早期该技术难以在工程生产实践中大量推广应用［5］.遥感图像在记录地物形态信息量时，存在图像失真或图形假象;受到图形比例限制，部分信息难以识别;早期的遥感解译设备和器材体积大，现场工作携带不便;部分高精度的遥感解译设备费用高，难以大范围推广;不同专业在应于遥感技术时，缺乏统一判识标准，主观性强，存在解译结果差异化.随着遥感技术的全面发展，并结合多年遥感技术在铁路工程中的应用，中铁一院自主研发了一套新型的遥感三维模型建立方法，解决了遥感应用的瓶颈问题，操作便捷，数据精度高，用户体验良好，为铁路工程勘察及选线设计提供了一套全新的技术手段.

1真实感场景遥感技术

真实感场景遥感技术，也称大场景遥感技术，是指利用高清的航空和航天正射影像数据，结合地形高程数据，建立三维遥感模型的数学方法，通过计算机模拟生成真三维空间场景，并应用于工程项目勘察设计分析全过程.

传统摄影测量立体模型仅限于单像对，立体正射影像制作前，采用以数字高程模型(digitalelevationmodel，DEM)提供的高程数据来计算视差，并按照固定的单一方向引入立体正射像片，这种制作方法过程简单，但模型的高程精度不高，且对操作人员的专业要求较高，不便于大量推广使用.真实感场景技术可以提供一个连续的现场真实环境，对操作人员没有特殊的技术要求，用户通过简单的步骤就可以得到所需的准确场景模型，同时，专业设计人员还可以通过程序对操作界面交互场景中的各种地理景观要素进行操作，同时还提供了可以辅助设计的量测和计算等功能.

真实感场景系统和数据协同平台，是两个层面上的协同模式.第1层面:利用真实感场景技术，铁路工程涉及的众多专业可在三维空间实现信息协同，即各专业都可在真实感空间内进行信息获取、信息挖掘、辅助设计、方案对比等工作;第2层面:数据协同平台表现在数据流通渠道的协同共用，建立数据中心，并规定数据的标准规范，实现整个铁路设计的各个阶段、各专业都能适用的数据共享方式.

2三维真实感场景模型建立

正射影像是真实感场景模型建立的基础［7］，为了提高数字立体正射影像的量测精度，同时为了达到减少运算的目的，提出了一种新的立体正射模型制作方法.

2.1三维正射影像模型的基本原理

航空遥感摄影一般为中心投影，利用数字地面模型(digitalterrainmodel，DTM)进行纠正，可生成正射影像［8］，因此正射影响精度取决于DTM精度.

(1)确定正射影像测量点高程

通过研究，将DTM高程视差作为视差函数，并采用平行投影法计算正射影像高程视差，计算式为式中:P为高程视差;H为航飞高程;B为基线长度;Z*为DTM点与基准面高差.

针对立体场景中同名点量测，根据对数引入视差，测量点的高程为式中:Z0为基准面高程.

(2)消除视差夹角，获得模型高程数据

真实感场景构建过程中，若引入视差方向P0与模型基线原始方向P1存在差异，产生视差夹角如图1所示.传统立体正射影像的制作过程中，一般采用固定的同一方向的引入视差，即产生视差夹角，这种方法易造成模型视差与实际视差存在偏差.针对这一问题提出了保持视差一致性的模型制作方法:记录视差方向、航飞参数(航高、基线长)、投影中心坐标;DTM建模时，根据模型基线方向，引入DTM视差(如图2)，使得引入视差方向与模型基线方向一致;消除夹角，直接量测视差，确保视差的正确性，通过式(2)可准确获取模型的高程数据.(3)确定模型平面坐标对有一定高度的地物，如房屋、树木等，获取其平面坐标，需要计算平面投影位移.在获取准确DTM高程模型的前提下，首先得到图3中a1点的高程;再计算碎步点a平面坐标;最后根据空间投影和几何变换，可准确得到待测点S的平面坐标.

2.2真实感场景遥感三维模型建立流程

真实感场景遥感技术的主要工作流程如图4所示.

3铁路工程遥感技术应用

遥感技术在铁路工程勘察相关的线路、地质、水文、站场、路基、桥梁和隧道等各专业都有广泛应用［9］，尤其在工程地质勘察中的应用更加普遍.

3.1遥感技术在工程地质勘察中的应用

遥感技术不受地形地貌限制，从技术角度克服了人力难以到达的局限.基于真实感场景遥感平台，可在大范围、高视野、清影像、多信息和变尺度的计算机环境下，针对复杂地形、地质条件的滑坡、断裂、岩溶和风沙等现象，开展全天候可反复的地质信息解译［10］.遥感解译配合地面调查，可节省大量外业工作，避免人身危害，并把外业工作移到室内开展，使得工作效率更高、铁路勘测选线质量更高.

3.1.1滑坡特征判别

利用三维真实感场景遥感技术对滑坡进行判识，在目视解译的基础上，充分应用高清航飞影像，发掘滑坡发育的空间对比、时间演化、光谱参数等信息，提取滑坡区域的色调、形状、阴影、纹理及图形差异.识别滑坡地面形态的圈椅地形、双沟同源、坡体平差或洼地、斜坡突然隆出、河道弯曲、后缘镜面和陡坎等，对比斜坡体破坏特征，如挤压松动、地表起伏和坑洼，坡体植被分布特征马刀树、醉汉林、建筑物破坏等［11］.高清影像可实现色调和纹理异常信息提取，与完整斜坡对比，可更加准确地分析滑坡发育与分布.

图5为真实感场景下的滑坡解译结果，图6为滑坡实际地貌特征.为了更加便捷的辅助专业设计，真实感场景平台实现了将遥感分析与CAD辅助设计的无缝连接.遥感解译成果实时在CAD平台显示，可方便提取滑坡的平面分布界线(如图7)，并可实时提取滑坡地质剖面图(如图8)，提高工作效率和精度.

3.1.2断裂特征判别

断裂的遥感判别在宏观上一般表现为地貌类型的不协调，地貌产生突变［12］，如图9所示.区域断裂常伴有典型判识标志，如断层陡崖和三角面。

3.1.3岩溶特征判别

遥感影像中岩溶地貌多在地表有所出露，真实感遥感技术采用高清航空影像更加便于识别［13］.其中，漏斗、落水洞等一般表现为盆状封闭的负地形，多呈圆形或椭圆形(图10)，周边伴有小溪或流水汇集，真实反应岩溶地貌发育特征(如图11);岩溶洼地常伴构造形迹发育，表现为负地形，形状多呈长条状、不规则矩形.对于已经填充的岩溶地貌，在高清真实感遥感环境下，可通过颜色和植被等特征识别填充物，比遥感卫星判别更加准确.

3.1.4沙地特征判别

沙地的遥感判别主要依据地表形态、植被分布和颜色纹理等特征进行［14］，从遥感影像解译分析可知:流动沙丘多呈新月形，植被稀少，伴有风蚀纹理和阴影，颜色区别明显，链状沙丘，地形起伏(如图12、13);半固定沙丘形状不规则，地形较平坦，表面较光滑，少量植被，多为平沙地;固定沙地表本无裸露沙地，植被发育好，纹理不规则且呈斑状，形态较稳定，局部突丘和阴影分布.

对于流动沙丘，其主导风向易于判别，可根据迎风面、背风面分布规律，主导风向基本垂直迎风面;对于半固定沙丘和固定沙丘，或者沙丘成因为双风、三风及多风的情况时，判明沙地主梁和副梁，第一主导风向多垂直于主梁，双风成因的沙地主导风向在纵向沙垄线中心15°左右范围，三风向形成金字塔沙丘，各个面对应一个主导风向.基于真实感遥感技术，先判别沙丘类别，再根据地表起伏特征，划分风向成因范围，再判别区域主导风向分布特征.

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