卫星遥感在轨道交通安全保护区巡查及监测中的应用探索
一、 安全区巡查及监护的重要性
每个城市的轨道交通安全保护管理条例中都明确规定了轨道交通安全保护区范围，以及保护区内进行建造或者拆除建筑物、构筑物，敷设管线、打桩、挖掘、地下顶进、爆破、架设、降水、地基加固等施工作业和其他大面积增加或者减少载荷的活动时必须征得相关管理部门同意，并采取相应的安全防护措施。
但由于缺乏对违法建设责任人的控制力、缺乏对违法建设的快速强制执行权或违法建设难以发现等各种因素，城市中的违规建设现象从未间断。如何快速发现并定位对地铁安全存在潜在威胁的建设行为，在城市地铁周边执法监察中显得尤为重要。对于数百公里的地铁线，如果采用人工实地一一排除，耗时费力，效率很低，且调查信息不够直观充分。
遥感技术因具有周期短、成本低、实效性高等特点,在城市违法建设查处、城市布局、历史文化保护、城市的调整和改造、城市交通、城市的环境和绿化等方面均可以发挥良好的作用,目前在西方发达国家中已得到了广泛的应用。我国在遥感领域已经进行了三十多年的研究和应用，取得了大量的研究成果。
现代遥感技术己经进入了一个能够动态、快速、准确、多手段提供对地观测数据的新阶段，高空间分辨率卫星遥感影像逐渐成为城市地表变化研究的主要资料来源。
二、卫星遥感技术应用
航空摄影获取影像、无人机航拍等方案，因不可控因素，航空飞行限制等方面原因，不适合在上海大范围应用。
卫星遥感技术，所见即所得，可以更加清晰、直观、快速地获取地铁周围变化状况，从而为执法监察提供强有力的证据，指导现场执法。这也是利用卫星影像进行执法监察技术研究和应用的初衷。除此外，还可以以地铁为中心，根据遥感卫星影像图，更加直观地对地铁周边区域进行科学合理的规划布局。
1）基于像素信息的计算机自动判识
在表1案例中最上面照片是基于计算机像素信息自动识别的结果。
基于计算机像素信息自动识别的结果 表1
2）人机交互识别
人机交互解译是判读人员根据图像的光谱特征（色调、颜色）和空间特征（形状、大小、纹理、阴影、位置和布局），并结合已有的经验知识来分析图像上的地物类型，提取所需的地理信息。人机交互解译加入了解译者的思维和判断，灵活性强，虽工作量大，但能减少错误率，其信息提取精度明显高于计算机自动提取的精度。
采用EV-Image Viewer软件（操作界面见图1），该软件具有较强的大数据量遥感影像浏览功能，经过地理坐标精校正的影像可以实现同步浏览，对于地物变化一目了然，还可以根据需要进行矢量化和注记（如图2）。
图1 EV-Image Viewer软件操作界面
图2 EV-Image Viewer浏览同步浏览功能
特定区域地貌变换案例分析
对比上海地铁1号线宝安公路至共富新村站区间，一段时间内沿线周边地貌变换前后卫星遥感地图，由计算机自动识别地貌变化情况，识别情况如图3所示。
图3 第1、2、3处地表变化位置示意图
表2 给出了1、2、3处，地貌变换情况说明。
1、2、3号地表变化统计表 表2
地表变化 图斑号 | 面积(㎡) | 距离最近 地铁线路距离（km） | 变化成因推测 |
1 | 23645 | 2.20（1号线） | 修路 |
2 | 8723 | 1.30（1号线） | 房屋建造 |
3 | 2674 | 1.90（1号线） | 地表覆盖物改变 |
（1）第1处变化，道路修整前后。中间图为计算机识别结果，变化区域以红色自动标识。左边为前时相数据，右边为后时相数据，如图4所示。
图4 第1处地表变化细节图
（Pleiades影像、假彩色合成影像、GeoEye影像）
（2）第2处变化，如图5所示，经影像对比与人工判识为房屋修整。
（Pleiades影像、假彩色合成影像、GeoEye影像）
（3）第3处变化，如图6所示，经影像对比与人工判识为地表覆盖物变化，比如预制板的挪移等。
（Pleiades影像、假彩色合成影像、GeoEye影像）
三、卫星遥感技术应用的适用性及技术难点
1. 微型遥感技术适用于对安全要求更高的国际化大都市
首先，上海作为国际化大都市，对于国家的政治经济具有举足轻重的作用，而航空摄影测量或无人机航测都会对城市安全产生威胁。其次，受天气和申请空域等因素的制约，航空摄影每年难以覆盖一次，无人机更是被明确禁止。另外，卫星影像技术其成本相较于航空摄影也低很多。
2. 应用效果受“影像获取时间间隔”影响较大，但合理的设置难度较大
时间间隔较短，地表变化较少甚至没有。但长远来看，短时间间隔数据的长期积累势必会形成良好的地表变化时间序列，有利于监察，但间隔越短成本越高；时间间隔较长，小型施工可能已经结束，地表开挖等破坏现象已被恢复，进行监察的意义较小。
3. 在选取卫星影像数据时，首先考虑编程数据，如果编程数据获取不了，再考虑存档数据，数据以同一传感器获得较宜
存档数据不能保证影像获取时间与计划相符，不能保证两期影像都是同一卫星传感器获得，故影像在光谱信息和几何特征方面都存在一定的差异性。
而编程数据获取周期较长（目前国内同一地区以一季度为编程数据获取周期尚无实际成功先例），加之上海市轨道交通涉及东西方向范围（考虑卫星轨迹为南北方向）约80公里，需要卫星16次成功获取数据才能覆盖一次全区域，因此编程数据的获取可能性小。光谱一致性可以减少同物异谱和同谱异物出现的概率，提高地表变化自动识别的正确率。
4. 市区范围还必须考虑云量和拍摄倾角等因素，在条件许可的情况下，应向卫星影像供应商提出具体的要求
天气质量和拍摄倾角直接决定了影像的质量和后期处理的难度，因此在进行类似项目时，应充分考虑这两个先天条件。
5.在影像质量充分可靠的前提下，需注意影像精确配准
影像的精确配准决定了地表变化判识的自动化程度。常规地表变化配准精度一般为亚像素级。如有合适软件，可尝试利用面向对象分类方法进行地物自动分类，根据分类结果自动检测地表变化，尝试该方法应用于城市中心数据的可行性和效率。
总之，城市中心地表变化检测条件包括：不同时相影像辐射信息一致、良好拍摄倾角、较小天气因素影响、像素级配准精度、合适的变化检测方法。
四、结论与建议
1）建议在上海地铁安全保护区巡查及监测中试点应用卫星遥感技术。上海地铁现有617km线路，随着新线逐步建成通车，线网规模将越来越大。对于数百甚至上千公里的地铁线路安全区，如果采用人工实地一一排除，耗时费力，效率很低，且调查信息不够直观充分。
2）建议研究卫星遥感技术在上海轨道交通安全区巡查及监测实施机制。由于该项技术需要具有专业的地铁勘察设计和卫星影响处理团队共同协作完成，同时需要地铁线路平面图、定期购买地铁沿线范围卫星影像以及专业处理软件等。前期可根据情况联合外部单位共同研究，后期逐渐培养自身处理能力。因此需和委外团队签订合作框架协议，对所涉及数据进行保密，同时确保自身能力培养。
3）应加强上海轨道交通安全区巡查及监测经验积累及大数据库建立。可借鉴现有安全区巡查及监护经验，做好顶层设计，建立完备的数据分析平台、平台场地规划、数据库权限管理等方面内容。
专题作者：上海申通地铁集团有限公司技术中心郑玄东
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