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        多星協(xié)同衛(wèi)星遙感技術在湖南平江抽水蓄能電站水土保持監(jiān)管中的應用

        2021-09-16 05:50:24李國和高國慶左程鐘龍李雷娟宋盼盼劉新陳曉楓
        礦產(chǎn)勘查 2021年5期
        關鍵詞:平江水保擾動

        李國和,高國慶,左程,鐘龍,李雷娟,宋盼盼,劉新,陳曉楓

        (1.國網(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 414500;3.紫光軟件系統(tǒng)有限公司,北京 100084;4.國網(wǎng)經(jīng)濟技術研究院有限公司,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)管人員不便到達現(xiàn)場,給水保監(jiān)管增加了難度。而傳統(tǒng)水保監(jiān)測手段主要依靠人工現(xiàn)場調(diào)查,耗時耗力,且信息不互通,急需引入一種新的技術手段進行抽水蓄能電站水土保持監(jiān)管。

        隨著國家放管服政策的實施,生態(tài)環(huán)境部及水利部加強了重點工程環(huán)水保全過程監(jiān)控。2015年4月9日,水利部辦公廳印發(fā)了全國水土保持信息化工作實施計劃,全面啟動生產(chǎn)建設信息化監(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),進行土地覆蓋利用類型變化分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同方法之間都有所增加和減少。針對特高壓線路,前人利用衛(wèi)星遙感影像提取塔基施工擾動面積,擾動區(qū)提取率為65.2%,提取精度達到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/覆蓋等因素相互關系,評估土壤侵蝕風險(Yahya and Samer,2015;Modeste et al.,2020)。隨著科學技術的發(fā)展,衛(wèi)星遙感技術的應用領域已越來越廣泛,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(賀丹和楊鳳蕓,2016)等領域。基于衛(wèi)星遙感的探測范圍大、獲取資料速度快、重復觀測性強等特點,將衛(wèi)星遙感技術應用到抽水蓄能電站施工過程中,為環(huán)水保監(jiān)管工作提供了一種新的技術方法。

        本文基于衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測優(yōu)勢,以高分系列衛(wèi)星為主,同時結(jié)合其他遙感衛(wèi)星的多星協(xié)同技術,以平江抽水蓄能電站工程為依托開展水保監(jiān)測工作,可提供及時的、真實的監(jiān)測數(shù)據(jù),降低水保監(jiān)管難度,減輕勞動強度,增強水保過程監(jiān)管信息化水平。

        1 研究區(qū)概況

        湖南平江抽水蓄能電站(簡稱:平江電站)位于湖南省岳陽市平江縣福壽山鎮(zhèn)境內(nèi),地處連云山脈福壽山西北坡,工程建設涉及福壽山-汨羅江國家級風景名勝區(qū)和福壽山省級森林公園。

        項目組成主要包括樞紐工程、棄渣場(含表土堆存場和轉(zhuǎn)料場)、交通設施、料場、施工生產(chǎn)生活設施、水庫淹沒及庫岸、移民安置與專項設施復建工程等??傉嫉孛娣e393.14 hm2,其中施工征占地367.12 hm2,水庫淹沒及庫岸區(qū)占地17.74 hm2,移民安置與專項設施復建區(qū)占地8.28 hm2,永久占地337.87 hm2、臨時占地55.27 hm2。

        2 多星協(xié)同技術

        本文利用多星協(xié)同技術,采集多期次平江抽水蓄能電站全覆蓋遙感影像,經(jīng)過一系列技術處理后,獲得具有統(tǒng)一地理坐標的遙感影像;然后利用自動解析與人機交互目視解譯相結(jié)合的方法,對平江抽水蓄能電站典型施工區(qū)的擾動面積、新增施工道路長度寬度及水保措施進行識別提取,并與防治責任范圍進行比較分析,判定擾動范圍是否超出防治責任范圍。

        圖1 平江抽水蓄能電站下水庫遙感影像圖

        2.1 數(shù)據(jù)基礎

        抽水蓄能電站具有占地范圍大,施工時間長等特點,利用單一衛(wèi)星進行抽水蓄能電站監(jiān)測,無法滿足工程全覆蓋多頻次需求,因此,采用以高分一號、高分二號為主,結(jié)合World View衛(wèi)星的多星協(xié)同方式進行平江電站遙感監(jiān)測。自2019年電站建設以來,共采集衛(wèi)星遙感影像10期,具體影像信息見表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,是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家科技重大專項的首發(fā)星,裝載2臺2 m分辨率全色、8 m分辨率多光譜相機和4臺16 m分辨率多光譜寬幅相機(王兆媛等,2020;曾毓燕,2020)。

        高分二號衛(wèi)星于2014年8月19日成功發(fā)射,8月21日首次開機成像并下傳數(shù)據(jù),是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學遙感衛(wèi)星,搭載有兩臺高分辨率1 m全色、4 m多光譜相機。這是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛(wèi)星,星下點空間分辨率可達0.8 m,標志著我國遙感衛(wèi)星進入了亞米級“高分時代”(洪倩等,2019;王天宇等,2020)。

        World View衛(wèi)星運行在高度為496~770 km、傾角98°、周期94.6 min的太陽同步軌道上,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50萬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,可通過代理商采購存檔數(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)處理過程包括輻射校正、幾何校正、影像融合、影像配準、影像裁剪、鑲嵌等。影像預處理的目的是突出檢測對象,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的結(jié)果。其中,影像配準、幾何校正、輻射校正是最重要的幾個過程(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度發(fā)生變化,因此要去除這種輻射畸變。通常,在變化檢測的過程中采用相對輻射校正來歸一化影像的輻射畸變。

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

        影像融合是通過運用某一種融合算法,將在同一時間(或不同時間)獲取的同一場景目標的多幅多源遙感圖像,在規(guī)定的地理坐標系生成新圖像的過程。通過進行同源、異源遙感影像融合試驗,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。

        影像配準主要將不同時相的兩幅影像進行匹配、疊加的過程。該文對電網(wǎng)建設全過程進行連續(xù)觀測,所以首先需要對不同時間獲得的遙感影像進行高精度配準,配準的精度需要在0.5 m內(nèi),以保證后續(xù)檢測精度。

        2.3 數(shù)據(jù)解析

        平江抽水蓄能電站周圍植被覆蓋茂盛,施工區(qū)域與周圍地表區(qū)分明顯,利用自動解譯與人機交互目視解譯相結(jié)合方法,進行施工區(qū)擾動面積、施工道路等水保信息獲??;結(jié)合GIS幾何計算功能,獲取工程施工區(qū)水保相關數(shù)據(jù)(李嵐斌等,2019)。

        (1)擾動面積

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

        (2)施工道路長度、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,而施工道路的長度與寬度在水土保持方案中有明確要求,當施工道路長度增加20%以上時即可認為發(fā)生重大變更,相應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行對比分析,利用GIS工具矢量提取法進行施工道路水保信息提?。蝗缓笈c水保方案限定要求進行對比分析,判定施工道路長度寬度是否超出水保方案要求。

        (3)水保措施落實情況

        水土保持措施包括工程措施、植物措施和臨時措施,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,對平江電站典型地物進行多期次衛(wèi)星遙感監(jiān)測。以擾動面積、施工道路及水保措施為例,進行詳細分析,研究多星協(xié)同技術在抽水蓄能電站水土保持監(jiān)管中的應用。

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

        表3 平江抽水蓄能電站全覆蓋影像信息

        3.1 擾動面積監(jiān)測

        利用多星協(xié)同技術對平江電站進行電站施工區(qū)擾動范圍監(jiān)測,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)料場為例,具體介紹平江電站擾動面積監(jiān)測。利用自動解譯+人機交互目視解譯方法提取2#轉(zhuǎn)料場施工擾動范圍,結(jié)合GIS幾何功能,獲取其擾動面積,提取結(jié)果見圖2。

        以實測結(jié)果為基準,對衛(wèi)星遙感解譯得到的擾動面積進行精度評估,部分施工區(qū)擾動面積誤差計算結(jié)果如表4所示。由表可知,衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果與實測結(jié)果相當,誤差在5%以內(nèi),說明此方法適用于平江電站施工區(qū)擾動范圍監(jiān)測。以各個施工區(qū)在水保方案中防治責任范圍為基準進行擾動面積合規(guī)性判斷,表4中2#轉(zhuǎn)料場、1#棄渣場及施工營地合規(guī),未超出責任防治范圍。

        表4 擾動面積精度評估結(jié)果

        3.2 施工道路長度、寬度監(jiān)測

        利用多星協(xié)同技術對平江電站進行電站施工道路進行監(jiān)測。以10#道路為例,具體介紹施工道路長度、寬度監(jiān)測。解析計算10#道路長度和寬度結(jié)果見圖3。

        圖3 10#道路多期遙感影像圖

        以實測結(jié)果為基準,對衛(wèi)星遙感解譯得到的施工道路長度寬度進行精度評估,部分施工道路評估結(jié)果如表5所示。由表5可知,衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果與實測結(jié)果相當,長度誤差在5%以內(nèi),寬度在10%以內(nèi),說明利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測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計要求對比分析,進行施工道路合規(guī)性判斷,如10#道路設計長度1100 m、設計寬度8 m,而10#道路實際寬度為12.5 m,擾動面積過大,施工單位需進行整改。

        表5 部分施工道路精度評估結(jié)果

        3.3 水土保持措施監(jiān)測

        平江電站地形地貌復雜,地勢險峻,施工過程中存在溜坡溜渣的危險。水保方案中明確規(guī)定,在施工過程中產(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,可準確識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布設苫蓋遙感影像圖

        4 討論及結(jié)論

        目前抽水蓄能電站水土保持監(jiān)測多采用單一衛(wèi)星或者無人機,單一衛(wèi)星觀測范圍大,但監(jiān)測周期不定,無法滿足工程多頻次監(jiān)測需求;而無人機影像空間分辨率高,監(jiān)測范圍小,不能對抽水蓄能電站進行全覆蓋,無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)測采用多星協(xié)同技術,可打破單一衛(wèi)星與無人機監(jiān)測局限性,全方位獲取抽水蓄能電站水保信息,提高水保監(jiān)測結(jié)果精度。

        綜合多種類型遙感衛(wèi)星配合使用具備的高頻次重訪、高空間分辨率優(yōu)勢,形成基于多星協(xié)同技術的抽水蓄能電站建設項目水土保持高效監(jiān)測方法。通過平江抽水蓄能電站建設期應用,實踐得出如下結(jié)論:

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

        (2)利用多星協(xié)同技術進行水保管控,打破了傳統(tǒng)監(jiān)測方式局限性,提高了監(jiān)測手段科技性,提升了監(jiān)測結(jié)果時效性與精確性,可有效減少施工現(xiàn)場水土流失,進一步提升水土保持管理水平。

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