李國(guó)和，高國(guó)慶，左程，鐘龍，李雷娟，宋盼盼，劉新，陳曉楓

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；2.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414500；3.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084；4.國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

抽水蓄能電站工程基建占地范圍大，地形復(fù)雜，水保要求高，監(jiān)管難度大。尤其是前期階段，道路不通，水保監(jiān)管人員不便到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，給水保監(jiān)管增加了難度。而傳統(tǒng)水保監(jiān)測(cè)手段主要依靠人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，耗時(shí)耗力，且信息不互通，急需引入一種新的技術(shù)手段進(jìn)行抽水蓄能電站水土保持監(jiān)管。

隨著國(guó)家放管服政策的實(shí)施，生態(tài)環(huán)境部及水利部加強(qiáng)了重點(diǎn)工程環(huán)水保全過(guò)程監(jiān)控。2015年4月9日，水利部辦公廳印發(fā)了全國(guó)水土保持信息化工作實(shí)施計(jì)劃，全面啟動(dòng)生產(chǎn)建設(shè)信息化監(jiān)管工作。前人利用Landsat遙感數(shù)據(jù)和最大似然分類(lèi)法（Cheruto et al.,2016;Brhane and Zemenu,2018）、高分遙感影像及面向?qū)ο蠓椒ǎ蠒x杰和王建華，2016；鄺高明等，2016；黃穎偉等，2018；馬大為等，2018），進(jìn)行土地覆蓋利用類(lèi)型變化分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同方法之間都有所增加和減少。針對(duì)特高壓線(xiàn)路，前人利用衛(wèi)星遙感影像提取塔基施工擾動(dòng)面積，擾動(dòng)區(qū)提取率為65.2%，提取精度達(dá)到88%以上（吳凱等，2018）。利用遙感與GIS生成RUSLE因素地圖，前人分析地形單位、高程、坡度和土地使用/覆蓋等因素相互關(guān)系，評(píng)估土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)（Yahya and Samer,2015；Modeste et al.,2020）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已越來(lái)越廣泛，涉及水資源（李亞春等，2016；張哲源等，2017）、環(huán)境資源（吳旻妍等，2016）、油氣管道規(guī)劃（趙倩維，2017）、文物監(jiān)測(cè)（賀丹和楊鳳蕓，2016）等領(lǐng)域。基于衛(wèi)星遙感的探測(cè)范圍大、獲取資料速度快、重復(fù)觀測(cè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用到抽水蓄能電站施工過(guò)程中，為環(huán)水保監(jiān)管工作提供了一種新的技術(shù)方法。

本文基于衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，以高分系列衛(wèi)星為主，同時(shí)結(jié)合其他遙感衛(wèi)星的多星協(xié)同技術(shù)，以平江抽水蓄能電站工程為依托開(kāi)展水保監(jiān)測(cè)工作，可提供及時(shí)的、真實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，降低水保監(jiān)管難度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)水保過(guò)程監(jiān)管信息化水平。

1 研究區(qū)概況

湖南平江抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱(chēng)：平江電站）位于湖南省岳陽(yáng)市平江縣福壽山鎮(zhèn)境內(nèi)，地處連云山脈福壽山西北坡，工程建設(shè)涉及福壽山-汨羅江國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)和福壽山省級(jí)森林公園。

項(xiàng)目組成主要包括樞紐工程、棄渣場(chǎng)（含表土堆存場(chǎng)和轉(zhuǎn)料場(chǎng)）、交通設(shè)施、料場(chǎng)、施工生產(chǎn)生活設(shè)施、水庫(kù)淹沒(méi)及庫(kù)岸、移民安置與專(zhuān)項(xiàng)設(shè)施復(fù)建工程等?？傉嫉孛娣e393.14 hm2，其中施工征占地367.12 hm2，水庫(kù)淹沒(méi)及庫(kù)岸區(qū)占地17.74 hm2，移民安置與專(zhuān)項(xiàng)設(shè)施復(fù)建區(qū)占地8.28 hm2，永久占地337.87 hm2、臨時(shí)占地55.27 hm2。

2 多星協(xié)同技術(shù)

本文利用多星協(xié)同技術(shù)，采集多期次平江抽水蓄能電站全覆蓋遙感影像，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)處理后，獲得具有統(tǒng)一地理坐標(biāo)的遙感影像；然后利用自動(dòng)解析與人機(jī)交互目視解譯相結(jié)合的方法，對(duì)平江抽水蓄能電站典型施工區(qū)的擾動(dòng)面積、新增施工道路長(zhǎng)度寬度及水保措施進(jìn)行識(shí)別提取，并與防治責(zé)任范圍進(jìn)行比較分析，判定擾動(dòng)范圍是否超出防治責(zé)任范圍。

圖1 平江抽水蓄能電站下水庫(kù)遙感影像圖

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

抽水蓄能電站具有占地范圍大，施工時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，利用單一衛(wèi)星進(jìn)行抽水蓄能電站監(jiān)測(cè)，無(wú)法滿(mǎn)足工程全覆蓋多頻次需求，因此，采用以高分一號(hào)、高分二號(hào)為主，結(jié)合World View衛(wèi)星的多星協(xié)同方式進(jìn)行平江電站遙感監(jiān)測(cè)。自2019年電站建設(shè)以來(lái)，共采集衛(wèi)星遙感影像10期，具體影像信息見(jiàn)表1。

表1 平江抽水蓄能電站衛(wèi)星遙感影像信息表

高分一號(hào)于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的首發(fā)星，裝載2臺(tái)2 m分辨率全色、8 m分辨率多光譜相機(jī)和4臺(tái)16 m分辨率多光譜寬幅相機(jī)（王兆媛等，2020；曾毓燕，2020）。

高分二號(hào)衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射，8月21日首次開(kāi)機(jī)成像并下傳數(shù)據(jù)，是我國(guó)自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺(tái)高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機(jī)。這是我國(guó)目前分辨率最高的民用陸地觀測(cè)衛(wèi)星，星下點(diǎn)空間分辨率可達(dá)0.8 m，標(biāo)志著我國(guó)遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米級(jí)“高分時(shí)代”（洪倩等，2019；王天宇等，2020）。

World View衛(wèi)星運(yùn)行在高度為496～770 km、傾角98°、周期94.6 min的太陽(yáng)同步軌道上，平均重訪周期為1～5 d，星載大容量全色成像系統(tǒng)每天能夠拍攝多達(dá)50萬(wàn)km2的0.50 m高空間分辨率圖像（表2）。該衛(wèi)星屬于商業(yè)遙感衛(wèi)星，可通過(guò)代理商采購(gòu)存檔數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)。

表2 覆蓋平江的衛(wèi)星遙感參數(shù)表

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括輻射校正、幾何校正、影像融合、影像配準(zhǔn)、影像裁剪、鑲嵌等。影像預(yù)處理的目的是突出檢測(cè)對(duì)象，提高遙感影像的解譯能力，其處理的好壞直接影響到變化檢測(cè)的結(jié)果。其中，影像配準(zhǔn)、幾何校正、輻射校正是最重要的幾個(gè)過(guò)程（陳岳和宋盼盼，2019）。

輻射校正是由于受到傳感器誤差和大氣因素的影響，造成地物的光譜反射到傳感器的輻射強(qiáng)度發(fā)生變化，因此要去除這種輻射畸變。通常，在變化檢測(cè)的過(guò)程中采用相對(duì)輻射校正來(lái)歸一化影像的輻射畸變。

幾何校正是對(duì)遙感圖像與地物目標(biāo)間發(fā)生的幾何畸變進(jìn)行校正，這種畸變是由于衛(wèi)星遙感成像過(guò)程中，飛行器的姿態(tài)、高度、速度以及地球曲率等因素導(dǎo)致的影像擠壓、扭曲、拉伸、偏移等。通常將不同時(shí)相的遙感影像相對(duì)同一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行糾正。

影像融合是通過(guò)運(yùn)用某一種融合算法，將在同一時(shí)間（或不同時(shí)間）獲取的同一場(chǎng)景目標(biāo)的多幅多源遙感圖像，在規(guī)定的地理坐標(biāo)系生成新圖像的過(guò)程。通過(guò)進(jìn)行同源、異源遙感影像融合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Gram-Schmidt融合效果最好，能夠保留較多的光譜和紋理信息。

影像配準(zhǔn)主要將不同時(shí)相的兩幅影像進(jìn)行匹配、疊加的過(guò)程。該文對(duì)電網(wǎng)建設(shè)全過(guò)程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，所以首先需要對(duì)不同時(shí)間獲得的遙感影像進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的精度需要在0.5 m內(nèi)，以保證后續(xù)檢測(cè)精度。

2.3 數(shù)據(jù)解析

平江抽水蓄能電站周?chē)脖桓采w茂盛，施工區(qū)域與周?chē)乇韰^(qū)分明顯，利用自動(dòng)解譯與人機(jī)交互目視解譯相結(jié)合方法，進(jìn)行施工區(qū)擾動(dòng)面積、施工道路等水保信息獲取；結(jié)合GIS幾何計(jì)算功能，獲取工程施工區(qū)水保相關(guān)數(shù)據(jù)（李嵐斌等，2019）。

（1）擾動(dòng)面積

抽水蓄能電站施工過(guò)程中，施工區(qū)擾動(dòng)范圍較大，易發(fā)生水土流失情況。根據(jù)水土保持方案要求，不同施工場(chǎng)景的擾動(dòng)面積具有限定范圍，當(dāng)擾動(dòng)面積超出水土防治責(zé)任范圍30%以上時(shí)即認(rèn)為發(fā)生了重大變更，相應(yīng)的水土保持方案也需要做出變更。將獲取施工區(qū)擾動(dòng)面積與水土防治責(zé)任范圍進(jìn)行比較分析，判定擾動(dòng)面積是否超出防治責(zé)任范圍。

（2）施工道路長(zhǎng)度、寬度

抽水蓄能電站占地范圍廣，施工區(qū)域多，不可避免的需要新增施工道路，而施工道路的長(zhǎng)度與寬度在水土保持方案中有明確要求，當(dāng)施工道路長(zhǎng)度增加20%以上時(shí)即可認(rèn)為發(fā)生重大變更，相應(yīng)的水土保持方案也需要做出變更。施工道路是否新增，需要與施工前遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析，利用GIS工具矢量提取法進(jìn)行施工道路水保信息提?。蝗缓笈c水保方案限定要求進(jìn)行對(duì)比分析，判定施工道路長(zhǎng)度寬度是否超出水保方案要求。

（3）水保措施落實(shí)情況

水土保持措施包括工程措施、植物措施和臨時(shí)措施，如苫蓋、邊坡、擋土墻等措施。

3 結(jié)果分析

本文利用多星協(xié)同技術(shù)，對(duì)平江電站典型地物進(jìn)行多期次衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)。以擾動(dòng)面積、施工道路及水保措施為例，進(jìn)行詳細(xì)分析，研究多星協(xié)同技術(shù)在抽水蓄能電站水土保持監(jiān)管中的應(yīng)用。

利用多星協(xié)同技術(shù)采集到的平江電站全覆蓋影像，選取其中三期影像進(jìn)行分析，如表3所示。

表3 平江抽水蓄能電站全覆蓋影像信息

3.1 擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)

利用多星協(xié)同技術(shù)對(duì)平江電站進(jìn)行電站施工區(qū)擾動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)，核查水保信息，具有有效減少水土流失的重要意義。該文以2#轉(zhuǎn)料場(chǎng)為例，具體介紹平江電站擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)。利用自動(dòng)解譯+人機(jī)交互目視解譯方法提取2#轉(zhuǎn)料場(chǎng)施工擾動(dòng)范圍，結(jié)合GIS幾何功能，獲取其擾動(dòng)面積，提取結(jié)果見(jiàn)圖2。

以實(shí)測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星遙感解譯得到的擾動(dòng)面積進(jìn)行精度評(píng)估，部分施工區(qū)擾動(dòng)面積誤差計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表可知，衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)，誤差在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明此方法適用于平江電站施工區(qū)擾動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)。以各個(gè)施工區(qū)在水保方案中防治責(zé)任范圍為基準(zhǔn)進(jìn)行擾動(dòng)面積合規(guī)性判斷，表4中2#轉(zhuǎn)料場(chǎng)、1#棄渣場(chǎng)及施工營(yíng)地合規(guī)，未超出責(zé)任防治范圍。

表4 擾動(dòng)面積精度評(píng)估結(jié)果

3.2 施工道路長(zhǎng)度、寬度監(jiān)測(cè)

利用多星協(xié)同技術(shù)對(duì)平江電站進(jìn)行電站施工道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以10#道路為例，具體介紹施工道路長(zhǎng)度、寬度監(jiān)測(cè)。解析計(jì)算10#道路長(zhǎng)度和寬度結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 10#道路多期遙感影像圖

以實(shí)測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星遙感解譯得到的施工道路長(zhǎng)度寬度進(jìn)行精度評(píng)估，部分施工道路評(píng)估結(jié)果如表5所示。由表5可知，衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)，長(zhǎng)度誤差在5%以?xún)?nèi)，寬度在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)施工道路變化是有效的。將施工道路解譯結(jié)果與水土保持方案設(shè)計(jì)要求對(duì)比分析，進(jìn)行施工道路合規(guī)性判斷，如10#道路設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1100 m、設(shè)計(jì)寬度8 m，而10#道路實(shí)際寬度為12.5 m，擾動(dòng)面積過(guò)大，施工單位需進(jìn)行整改。

表5 部分施工道路精度評(píng)估結(jié)果

3.3 水土保持措施監(jiān)測(cè)

平江電站地形地貌復(fù)雜，地勢(shì)險(xiǎn)峻，施工過(guò)程中存在溜坡溜渣的危險(xiǎn)。水保方案中明確規(guī)定，在施工過(guò)程中產(chǎn)生的碎石碎渣或堆土等需要采取一定措施，防止溜坡溜渣現(xiàn)象的出現(xiàn)。利用高分影像，可準(zhǔn)確識(shí)別出占地面積較大的環(huán)水保措施，如苫蓋、鋪蓋等（圖4）。

圖4 平江抽水蓄能電站下水庫(kù)布設(shè)苫蓋遙感影像圖

4 討論及結(jié)論

目前抽水蓄能電站水土保持監(jiān)測(cè)多采用單一衛(wèi)星或者無(wú)人機(jī)，單一衛(wèi)星觀測(cè)范圍大，但監(jiān)測(cè)周期不定，無(wú)法滿(mǎn)足工程多頻次監(jiān)測(cè)需求；而無(wú)人機(jī)影像空間分辨率高，監(jiān)測(cè)范圍小，不能對(duì)抽水蓄能電站進(jìn)行全覆蓋，無(wú)法獲取工程整體水保信息。因此，建議抽水蓄能電站水土保持監(jiān)測(cè)采用多星協(xié)同技術(shù)，可打破單一衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)局限性，全方位獲取抽水蓄能電站水保信息，提高水保監(jiān)測(cè)結(jié)果精度。

綜合多種類(lèi)型遙感衛(wèi)星配合使用具備的高頻次重訪、高空間分辨率優(yōu)勢(shì)，形成基于多星協(xié)同技術(shù)的抽水蓄能電站建設(shè)項(xiàng)目水土保持高效監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)平江抽水蓄能電站建設(shè)期應(yīng)用，實(shí)踐得出如下結(jié)論：

（1）利用多星協(xié)同技術(shù)進(jìn)行平江抽水蓄能電站施工階段多頻次監(jiān)測(cè)，可有效提取擾動(dòng)面積、施工道路及水保措施等水保信息，擾動(dòng)面積提取精度在95%以上，施工道路長(zhǎng)度提取精度在95%以上，寬度提取精度在90%以上。

（2）利用多星協(xié)同技術(shù)進(jìn)行水保管控，打破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式局限性，提高了監(jiān)測(cè)手段科技性，提升了監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)效性與精確性，可有效減少施工現(xiàn)場(chǎng)水土流失，進(jìn)一步提升水土保持管理水平。