遥感技术在高铁隧道外部环境监管中的应用

2019-10-25于胜利李茂肖超王保江宋浩

中国铁路 2019年10期

于胜利，李茂，肖超，王保江，宋浩

（1.武汉铁路监督管理局执法监察办公室，湖北武汉 430062； 2.中国铁路武汉局集团有限公司，湖北武汉 430062； 3.河南东网信息技术有限公司，河南郑州 450003）

0 引言

目前，我国高速铁路运营里程近3万km，位居世界第一，占世界高铁运营里程的2/3以上。随着铁路线路长度的增加、速度的提高，尤其是时速达350 km的“复兴号”全面开行，铁路沿线外部环境影响已成为高速铁路安全运营面临的突出挑战。

铁路沿线安全防护与保护手段包括铁路运输企业设备管理单位的检查人员巡视、铁路公安人员护路看护等人防手段，也有部分地段采用了视频监控等物防手段[1]，但铁路长大隧道外部环境仍然是巡护中的“无人区”。长大隧道顶部大多位于山区，无道路通行，巡线难度高、强度大。在这种情况下，人工巡护方式就显得力不从心，隧道顶部违法开采、施工等行为比较隐蔽，难以发现，一旦隧道顶部的开挖、堆砌对隧道围岩甚至隧道拱圈造成影响，则整个隧道将会面临严重的破坏[2]。而且，隧道修复工作难度极大，同时还会严重影响列车的通行，带来极大的经济损失。据调查，武汉铁路监督管理局曾受理举报，发现1例高铁隧道外部安全问题，但当时隧道已经受到一定的损坏。

在此，基于卫星遥感技术，并结合其在高速铁路隧道外部环境监测的应用实例，论述该技术的优势和应用价值，以期为高铁长大隧道外部环境安全监管提供参考。

1 技术应用概述

1.1 应用意义

卫星遥感技术是以人造卫星为平台，综合发展而来的一项高新技术。遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，并采集该区域的数据[3]。

高分辨率的卫星影像通常是指像素的空间分辨率在5 m以内的遥感影像，由高分辨率卫星拍摄。利用高分辨率卫星数据可以提取街道、建筑物、河流等地物地貌信息。与航空摄影对比，该技术在获取同样分辨率影像方面更快速、更经济，且不受空域等条件限制[4-5]。

应用卫星遥感技术对高铁隧道外部环境进行动态监测，在传统人防和物防基础上增加技防的投入，其主要意义如下：

（1）该技术手段的投入可填补高速铁路长大隧道沿线外部环境无法巡护的空白，在提高巡护强度和效率的同时，对高铁隧道沿线环境总体情况有更全面的把控[6-7]，具有创造性应用意义。

（2）卫星遥感对危害点可做到定期回访，量测危害点的变化，不受外界干扰，提前预判其发展趋势，达到隔断事故、保障线路安全的目的。

（3）对危害点观测并存档，卫星遥感图片（简称卫片）可作为铁路设备管理单位现场核查的基础依据材料，并对危害行为当事人进行有理有据地制止，落实好企业主体责任。

（4）为铁路监管部门对发生的外部环境事故和违法行为调查认定提供技术支撑和法定证据。

（5）可以使高铁沿线100 m控制区和500 m可视区的监管边界以及地方政府与铁路运输企业的管理边界更加清晰。

1.2 实施流程

基于卫星遥感技术的高速铁路隧道外部环境监测技术主要由卫星影像采集处理，图像与铁路里程、行政区域界限套合，图像分析和比对，以及现场查看处理4个主要步骤构成，其中卫星影像图获取一般选用合适分辨率的国际商业卫星，对指定区域依法拍摄带状图像；图像分析和比对采用GIS软件处理，处理成果储存在后台服务器中，利用互联网+手机端查看处理的方式，以达到信息快速查看和传递的功能。卫星遥感监测流程见图1。

图1 卫星遥感监测流程

2 应用实例

卫星遥感监测技术在解决高铁长大隧道安全环境监管方面已取得了较好的效果。例如，应用卫星遥感技术监测中国铁路武汉局集团有限公司武汉高铁工务段管理的京广高铁黄龙寺隧道，对开通运营近10年的铁路隧道外部进行了多次全面体检，监测结果内容清晰，也发现了一些问题，为完善处置措施和彻底消除隐患提供了详实的技术支撑。再如，2018年7月25日郑西高铁被70 m×5 m防尘网中断行车。在调查处置中，采用0.3 m分辨率卫星遥感监测分析比对，锁定证据，破解了责任难题，为企业落实主体责任、相关地方政府履行监管责任提供了依据。在此，以京广高铁黄龙寺隧道区段安全环境监测作为具体实例进行阐述。

2.1 监测方案

黄龙寺隧道位于鄂豫交界处，大别山山脉之中，全长8 715 m。黄龙寺隧道主要发育大小断裂5条，线路两侧发育多条小型断裂，构造节理、裂隙发育，地表水类型为：洞身主要发育3条溪流，其中2条沟底标高高于隧道顶部标高；隧道平均埋深为100～200 m。隧道南北贯穿大别山脉，顶部沿途有零星村落，交通、通讯条件极差，即使走行其中，也无法确认下埋隧道的具体位置，从而发现开挖及破坏行为，更无法直观地评估其对隧道的影响。

选择黄龙寺隧道沿线两侧各1 000 m范围作为监测区域，获取带有空间坐标的卫片后，标出铁路隧道的线路中线、隧道边界线、线路安全保护区边线及100、200、500、1 000 m范围线，铁路里程等参考标识，监测频率定为每月1次。隐患排查时，由内业人员负责对卫片进行比对分析处理，发现危害隧道安全的行为活动或违法侵入相应边线形成安全隐患后，由外业调查人员现场巡查处理。首期采用0.3 m分辨率卫片，第2期采用0.5 m分辨率卫片。每期与前一期的卫片比对，比对内容包括：危害点性质、危害点与隧道边线的距离变化；危害点面积、开挖方量、危害活动变化以及排查有无新增危害点[8]等信息。按照危害点的危害程度，将危害分为：侵限区、高危区、危害区和一般区4个等级。统计分析完毕后形成排查报告，提交铁路设备管理部门，依据铁路相关行业标准和法规规定进行处置，必要时上报地方政府或铁路监管部门依法查处。

2.2 排查机制

基于卫星遥感技术的排查分为3个层次：

（1）第1层次：全面排查铁路沿线环境，摸底隧道外部危害区域情况，根据已掌握资料，对已经发生的侵限行为及时发现并通报制止[9]；对高危区域或危害区域重点标识并联系所在地的行政部门联合防治，确保高铁安全运营；对一般区应加强监控，防止其量变成危害区性质。

（2）第2层次：对已成为高危区或危害区的地段，在采用巡护人员重点盯防的同时，进行专项监控设计，利用“传感器+无线传输”技术实时动态监控，数据一旦发生趋势性变化或超出预设警戒值，可实时报送到铁路设备管理部门，提前应对。

（3）第3层次：铁路运输企业无法处置的违法行为，但已危及安全的严重安全隐患，应委托监测单位会同铁路设备管理单位依据监测及复核结果，报告铁路监管部门或地方政府部门进行查处。

2.3 分析处理及展示

通过卫片采集分析处理，从监测区域总体影像图中可直观地发现隧道外部危害点，并了解危害点性质和基本信息。首期监测共发现14处危害点，具体情况如下：侵入安保区危害点6处（属于侵限区），其中4处为房屋侵入安保区，2处为隧道顶部开挖建设，侵限区必须及时制止整改；即将侵入安保区危害点2处（属于高危区），高危区应制定防护方案，整治防护；缓慢发展危害点2处（属于危害区），危害区应评估其危害程度，重点监控；潜在危害点4处（属于一般区），一般区应定期复查，监控其发展趋势。

隧道外部环境监测总体影像图采用美国WorldView-4商业卫星拍摄，精度为0.3 m分辨率，拍摄日期为2018年4月。原始二进制遥感数据经地面站处理成带有坐标的Tiff格式图像，运用GIS软件将参考线、铁路里程等标识标注在图像中，再生成Img格式图像供分析比对[10]，最终隧道外部危害点分布总体影像见图2。在图2—图4中，S为铁路高铁隧道外部危害点占地面积，m2；L为危害点距离高铁边线外侧投影线最小距离，m；铁路里程用公里数表示，km。

图2 隧道外部危害点分布总体影像

首期监测采用0.3 m分辨率高精度图像，对隧道顶部的地物地貌判断较精准，对危害点识别较明确[11]。将发现的14处危害点按铁路里程从小到大依次编号排序，每处危害点均标明危害性质、距离高铁隧道外边线的距离及占地面积基本信息，便于初步判断危害程度。影像图为带有坐标格式图像，可直接利用坐标信息或量测铁路里程直接到达危害点位置，方便现场查看[12]。隧道顶部安全危害分析见图3。

图3 隧道顶部安全危害分析

卫星影像图为彩色图像，能更清晰地识别危害程度等级，在处理中将高铁隧道走向采用洋红色线条标识；20 m范围线采用红色标识；100 m范围线采用橙色标识；500 m范围线采用黄色标识；1 000 m 范围线采用蓝色标识。将4类危害程度等级分别对应为侵限区：红色；高危区：橙色；危害区：黄色；一般区：蓝色。卫星遥感区域辐射范围广，可连同黄龙寺隧道周边隧道一并纳入监测范围（见图4）。