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

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對象方法（孟晉杰和王建華，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?；谛l(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，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，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合方法，進行施工區(qū)擾動面積、施工道路等水保信息獲取；結合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取；然后與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#轉料場施工擾動范圍，結合GIS幾何功能，獲取其擾動面積，提取結果見圖2。

以實測結果為基準，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果如表4所示。由表可知，衛(wèi)星遙感解譯結果與實測結果相當，誤差在5%以內，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#道路長度和寬度結果見圖3。

圖3 10#道路多期遙感影像圖

以實測結果為基準，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果如表5所示。由表5可知，衛(wèi)星遙感解譯結果與實測結果相當，長度誤差在5%以內，寬度在10%以內，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。