铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术

特别策划·铁路科技保安全铁路外部环境安全隐患变化
卫星监测技术
杨移超
（中国铁路北京局集团有限公司北京高铁工务段，北京100070）
摘要：为保障铁路运营安全，科学、高效、定期开展铁路周边安全环境整治工作，需大力提
升技防手段，其中卫星监测技术可以快速准确获取铁路外部环境安全隐患的地理位置和属性特
征，有效降低人力、物力投入。

因此应大力推广铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术应用，
同时要及时跟进作业流程规范化梳理，依托京沪高铁廊坊段卫星监测技术应用，详细论述技术
流程、数据预处理、隐患影像特征、项目内容，形成一整套满足工程应用的作业指导。

相比较
传统的现场筛查安全隐患变化，卫星监测技术获取的安全隐患问题库更精细具体，规范化安全
隐患变化卫星监测作业流程可以更好地提升监测精度和工作效率。

关键词：铁路外部环境；安全隐患；卫星监测；数据预处理；影像特征；京沪高铁；铁路安全
中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）10-0151-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.01.10.003
0 引言
卫星监测技术在土地利用、水资源、林业、采矿等行业均已系统化运用［1-4］。

随着陆地卫星观测体系不断健全完善，覆盖能力不断提升，为全天候、全要素、全流程监测提供了重要数据基础。

近年来，随着高速铁路建设快速发展，铁路营业里程不断增长，铁路外部环境安全隐患时刻威胁着列车运行安全。

铁路外部环境安全隐患按问题属性主要分为18个类别，包括违法施工、危险物品、上跨并行等。

在这些问题类别中，有学者研究部分安全隐患如硬飘浮物、轻飘浮物、堆放隐患等适合采用卫星监测手段进行检测调查［5-6］。

铁路外部环境安全隐患造成的列车事故通常由外力因素触发，具有随机性和偶发性，精确排查出安全隐患的地理位置及自身属性后，综合考虑隐患自身属性、环境特征和空间关系可以进行安全风险评价。

铁
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目
（N2020T005）
作者简介：杨移超（1983—），男，高级工程师。

E-mail：*****************
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CHINA RAILWAY
路外部环境复杂多变，现场人员无法全覆盖排查，新变化的外部环境隐患往往不能及时被发现［7-8］。

卫星监测技术凭借其监测范围广、时效强的特点，可以很大程度减轻人工工作量，同时高清的卫星影像数据还可以提供更详细的属性信息（如面积等），为安全隐患整治工程量的评估提供依据。

多期次卫星影像数据还可作为外部环境问题追踪的资料凭据，如隐患何时出现、存在多久，是否治理以及治理效果如何等，可做到详细跟踪，切实实现“一事一档”的工作内容［9］。

铁路外部环境安全隐患卫星监测有类别特征差异大、空间尺寸梯度大、变化速度快等特殊性，对影像的空间分辨率和获取时效性提出了更高要求，对安全隐患变化监测方法的选取提出了挑战，规范铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术流程不仅可以更好地推广该技术应用，还可提升监测精度和效率。

1 技术流程
铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术主要包括数据准备、数据处理、遥感监测、精度检验、成果提交，监测技术流程见图1。

2 数据预处理
卫星监测安全隐患变化使用多类型卫星数据源，项目作业过程中涉及的卫星数据由不同类型传感器获取，且影像处于不同的处理级别，影像数据源准备时通常按期次进行数据源处理，同一期次的监测影像数据由相同传感器获取，但也不排除多传感器数据的组合。

有部分卫星影像数据已做过数据预处理，但坐标系往往是UTM投影，需要根据项目需求转换投影方式。

安全隐患变化监测多期卫星数据预处理后还需进行影像相互配准，满足精度要求后方可进行安全隐患变化提取［10］。

卫星监测安全隐患变化数据预处理主要包括以下内容：
（1）辐射定标：是将影像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值的过程，其中辐射定标参数一般存放在元数据文件中，卫星传感器对地面目标进行遥感观测，接受的是综合辐射量，除监测目标本身发射的能量和目标反射的太阳能量外，还有周围环境如大气发
图1　铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术流程
射与散射能量、背景照射能量等。

（2）大气校正：由于大气、光照角度、地形以及传感器本身的影响，使传感器接收的地物光谱反射值不能全部真实地反映地物光谱的特征，需要去除大气、太阳和邻近地物等影响，分离出真实地表的反射信息，校正方法主要包含统计型和物理型2种。

（3）正射校正：卫星影像正射校正的过程是利用成像几何模型校正影像变形和位置偏差，同时利用数字高程模型（DEM）消除地形的影响。

基本步骤为：内定向—外定向—选取控制点—平差计算—重采样。

内定向即确定影像文件坐标与像坐标的关系；外定向一般根据卫星飞行轨迹和姿态角变化的基本特征建立多项式函数，再利用地面控制点数据进行三角测量的平差迭代运算，当预定收敛条件满足时，即得到传感器的姿态数据。

（4）图像融合：为得到信息量更丰富的遥感图像，可将全色波段和多光谱图像进行融合，保留彩色特征并提高影像空间分辨率。

常用的遥感图像融合方法分类有基于像元的图像融合、基于特征的图像融合和基于决策层的图像融合。

（5）配准调色：对多景融合后的卫星影像进行统一调色，使色彩风格一致。

（6）镶嵌裁剪：将调色后的多景卫星影像进行拼接，使用工作区范围数据进行裁剪。

（7）空间配准：多期次制作后的卫星影像存在一定程度的位置偏差，不利于卫星监测安全隐患变化区域的提取，需要采用同名点匹配和图像重采样技术对卫星影像数据源进行纠正。

（8）精度检查：对处理后的多期卫星影像进行精度评估，包括：空间绝对精度和影像相对精度，其中，空间绝对精度是指卫星影像地物与实际地物之间的精度关系，影像相对精度是指多期卫星影像数据同名点之间的精度关系。

3 隐患影像特征
多期次铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术有2种开展途径：一种是先分类再做变化提取，另一种是先变化提取再做分类。

铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术针对某些特殊要素的变化提取影像，特殊要素在影像中的面积占比较小，多数图斑之间相互不连接，并且更关注各期次之间的变化信息，对于每一期的安全隐患总体现状关注相对弱化。

因此最佳监测方法选择先变化提取再做变化图斑属性分类，剔除由季节、环境、光照、人类活动带来的非铁路周边安全隐患“伪变化”信息。

判断提取出的变化信息是否为铁路外部环境安全隐患变化，首先需要确定铁路周边环境安全风险提取类型，由于采用高空间分辨率光学卫星影像，通过影像中的几何、辐射、拓扑和辅助等特征进行风险源识别。

结合实际铁路周边安全隐患项目进行研究。

卫星监测安全隐患影像特征描述见表1，卫星监测安全隐患变化对比见图2。

表1
　卫星监测安全隐患影像特征描述
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4 技术应用
4.1　应用区域　
京沪高铁全长1 318 km ，设24个车站，是2016年修订的《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路主通道之一。

于2008年4月18日正式开工，2011年6月30日全线正式通车，初期运营速度为300 km/h 。

设计的最高速度为380 km/h 。

目前京沪高铁运营速度为350 km/h ［11］。

应用区域为京沪高铁廊坊段，里程区间为K40—
K70，斜穿廊坊市区，线路以路基为主体，地势平坦，周边生产活动频繁，厂房数量众多，尤其是大风等极端天气情况下，容易造成铁路外部环境安全隐患侵限事故，对于潜在风险较大的安全隐患地物需要及时发现、整治和处理。

采用多类型卫星数据源，包括GF-2、SPOT-6、WorldView-3、Pléiades-2和SkySat ，空间分辨率均优于1.5 m ，进行为期4个月的6次安全隐患变化监测，
平均监测周期为0.67个月，充分探索卫星监测技术在铁路外部环境安全隐患变化监测中发挥的重要作用，京沪高铁廊坊段卫星监测数据源见表2。

4.2　作业流程　
4.2.1　资料收集　
综合利用基础地理数据，可以有效提升卫星监测结果的精度，参考已经录入系统或者公开公布的信息
源，如蔬菜种植区、花卉培育基地、矿产开发等可以更有效地辅助地物属性判断［12］。

4.2.2　确定坐标系统　
（1）平面坐标系统采用国家2000坐标系，坐标系使用高斯-克吕格3度带投影，中央子午线为东经117°。

（2）高程系统采用WGS84椭球大地高高程基准。

4.2.3　变化提取　
（1）使用计算机自动识别算法完成安全隐患变化区域的初步提取，并将提取范围转化为.shp 格式文件。

（2）进行人工干预解译，在GIS 平台中对初步提取结果进行边界修整、冗余剔除和新增勾画，得到安全隐患变化范围精准边界数据，变化类型包括：完全新增、完全消失、主体扩大、主体缩小，属性转化等，并计算图斑面积和中心点坐标。

4.2.4　现场验证　
对于内业判断不清的问题，现场进行属性信息获取；对提取的安全隐患变化信息进行现场检验，及时纠正不合理的监测结果。

4.3　结果分析　
4.3.1　安全隐患变化监测对比验证　
将卫星监测提取的安全隐患变化图像与铁路局集
（a ） 弃土弃渣变化前
（c ） 彩钢房变化前
（e ） 防尘网变化前
（
b ） 弃土弃渣变化后
（d ） 彩钢房变化后
（f ） 防尘网变化后
图2　卫星监测安全隐患变化对比
表2
　京沪高铁廊坊段卫星监测数据源
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CHINA RAILWAY 团公司提供的安全隐患变化台账进行对比分析。

以2018年12月7日—2019年1月4日安全隐患变化监测结果为例进行整体对比分析。

监测段落为K40—K70处，线位左右300 m 范围内，数据样本进行逐一对比匹配。

既有台账19处，卫星监测32处。

针对既有台账每条记录进行逐一验证发现，16条记录可与卫星监测记录吻合，匹配成功率84.21%，安全隐患变化监测统计见表3。

针对不匹配的16处进行逐一室内判译和现场验证，分析发现：既有台账漏检12处，既有台账中因里程标识属性错误导致2处无法查找，通过现场验证此14处可以加入到卫星监测正确判译率中；受制于卫星拍摄角度，1处广告牌布无法在卫星影像图上获取；由于存在时间差的原因，1处既有台账的防尘网变化未在影像中有体现。

安全隐患现场验证见图3。

既有台账漏检数量较多的主要原因是既有作业方式中，对于同类型隐患目标（如彩钢房，塑料大棚）较集中区域均采取连片的方式定义为1条隐患，而卫星监测更精确，具体到单一目标为1条隐患，因此，造成二者在数量上的差异，在满足应用需求的前提下，可
以有机取舍综合，形成最终的问题库。

4.3.2　多期次安全隐患变化监测数量分析　
（1）6期次安全隐患变化监测共计发现170处安全隐患变化，监测线路长为30 km ，平均每公里安全隐患变化5.67处；监测总期次为6期，平均每期监测安全隐患变化27.33处。

多期次安全隐患变化空间距离分析见图4。

对多期次铁路外部环境安全隐患变化监测数据按缓冲区范围进行数据统计，可见安保区内的平均变化数量为1.33处，方差值为1.07；安保区—100 m 范围内的平均变化数量为5.83处，方差值为4.57；100—300 m 范围内的平均变化数量为21.17处，方差值为2.17。

（2）3种监测范围宽度不一致导致数量差距悬殊，使用安全隐患变化距离密度的策略表示各范围内安全隐患变化情况，计算公式为：
ρ= n l
，（1）
式中：ρ为监测范围对应的安全隐患变化距离密度；
n 为多期次安全隐患的平均监测数量；l 为监测范围
的宽度（此处为铁路两侧的宽度之和），为方便计算安保区，宽度默认20 m 。

安保区内的安全隐患变化密度为0.033处/m ，安保区—100 m 范围内的安全隐患变化密度为0.036处/m ，100—300 m 的平均变化数量为0.053处/m 。

研究发现随距铁路中线距离增加，安全隐患变化也更频繁。

多期次安全隐患变化数量统计见表4。

（
a ） 彩钢房（
b ） 地膜
图3　安全隐患现场验证
表3　安全隐患变化监测统计
处
图4　多期次安全隐患变化空间距离分析
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5 结束语
由于卫星监测技术成本造价较低，重访周期短，分辨率可达米级、亚米级的特点，已成为铁路外部环境安全隐患变化监测的最有效途径之一，规范化的铁路外部环境安全隐患变化监测技术流程为数据准备—数据处理—遥感监测—精度验证—成果提交，该技术可以有效解决人工现场排查范围有限、目的性缺乏、遗漏严重等问题，同时，动态更新铁路外部环境安全隐患档案信息，可为指导隐患靶向复核、精准布署隐患整治工作提供决策依据。

铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术在数据处理方面，常涉及多类型传感器数据，为得到多期位置统一、色彩相近、可解译程度高的正射影像，需要统一进行数据预处理工作；该技术在隐患提取方面，为提高识别精度和效率，主要从形状、颜色、纹理、亮度等方面对可识别安全隐患的卫星影像特征进行分析描述，共包含8大类和18小类。

相比较传统的现场筛查安全隐患变化，铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术获取的安全隐患问题库空间位置描述更精细、对象几何属性计算更具体，但卫星影像对于一些直立状态和受地物遮挡的安全隐患获取能力相对较差，需要采取空天地一体作业模式，综合、准确、有效地完成铁路外部环境安全隐患监测工作。

为提升铁路外部环境安全隐患智能监测精度与智能化水平，需深入开展基于深度学习的多源异构遥感变化检测与目标智能识别算法模型的研究，构建多传感器、多尺度、多区域的铁路外部环境安全隐患样本库，建立集动态监测、智能分析、识别预警、靶向定位与高效闭环的铁路外部环境安全隐患定期筛查技术体系。

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责任编辑翟立飒
收稿日期 2023-01-10
表4　多期次安全隐患变化数量统计
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Satellite Monitoring Technology for Changes in Potential Safety Hazards of
Railway External Environment
YANG Yichao
(Beijing HSR Track Maintenance Division, China Railway Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100070, China) Abstract: To ensure the safety of railway operation and scientifically, efficiently and regularly carry out the work of improving the safety environment around the railway, it is necessary to vigorously improve the technical protection means, in which satellite monitoring technology can quickly and accurately obtain the geographical location and attribute characteristics of the potential safety hazards in the external environment of the railway, effectively reducing the input of manpower and material resources. Therefore, while vigorously promoting the application of satellite monitoring technology for changes in potential safety hazards, it is necessary to timely follow up and sort out the standardized operation process.Relying on the satellite monitoring project of Langfang Section of Beijing-Shanghai HSR, this paper discusses the technical process, data preprocessing, image characteristics of potential hazard and project contents in detail to form a complete set of operation instructions that meet engineering applications. Compared with the traditional on-site screening of changes in potential safety hazards, the database of potential safety hazards obtained by satellite monitoring technology is more detailed and specific.Standardized operation process of satellite monitoring for changes in potential safety hazards can better improve monitoring accuracy and work efficiency.
Keywords: railway external environment; potential safety hazards; satellite monitoring; data preprocessing;
image characteristics; Beijing-Shanghai HSR; railway safety
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High Speed Railway Perimeter Intrusion Monitoring and Alarm Technology Based on Fusion of Multiple Sensing Technologies and Its Application
SONG Xiaoqi1, YUAN Qianfang2
(1. Department of Science, Technology and Information Technology, China Railway Lanzhou Group Co., Ltd.,
Lanzhou Gansu 730000, China;
2. Gosuncn Chuanglian Technology Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310012, China)
Abstract: Train operation safety is a top priority for railway transportation.Human factors such as on-track operation violating the rules, illegal damage or crossing of railway fences as well as natural factors such as rockfall, landslide and debris flow pose major threats to train operation safety at any time. High speed railway perimeter intrusion alarm and monitoring technology plays an important role in ensuring the safe operation of high speed railway.In view of the current conditions and inadequacies in application of high speed railway perimeter intrusion monitoring system, to address key requirements of various scenarios, this paper introduces three different monitoring schemes, respectively for vibration optical fiber + video fusion, millimeter-wave radar + dual-spectrum fusion, and lidar + video fusion. All the three schemes were applied at the port (K357+147) of Baotaishan Tunnel on Zhongwei-Lanzhou Section of Yinchuan-Lanzhou HSR. The test results show that the application effect is good.
Keywords: high speed railway; perimeter intrusion; monitoring and alarm; sensing technology; technology fusion
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CHINA RAILWAY。