高分衛(wèi)星遙感技術(shù)在特高壓工程環(huán)保水保管理中的應(yīng)用研究

宋繼明，倪向萍，唐明利，李盈盈，馮金倉

（1.國家電網(wǎng)有限公司特高壓建設(shè)分公司，北京 100050；2.山東誠信工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山東 濟(jì)南 250102）

0 引言

特高壓輸變電工程是當(dāng)前我國跨大區(qū)流域輸電、全國能源資源優(yōu)化配置的主要能源通道，有輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占用土地少的顯著優(yōu)勢（舒印彪，2005）。近幾年，國家大力發(fā)展特高壓輸電項目，特高壓輸電工程點(diǎn)多、面廣、線長，施工場地地形復(fù)雜，占用空間距離長、時間跨度大，且受限于線路通道走廊選擇，部分區(qū)域不可避免的需要穿越環(huán)境、居住等敏感點(diǎn)，特別在房屋拆遷、樹木砍伐、道路修筑、土地平整、材料運(yùn)輸?shù)确矫鎸Νh(huán)境擾動點(diǎn)位多，社會關(guān)注度高，環(huán)保水保管理管控難度大。以往輸變電工程環(huán)保水保管理工作中，主要是通過管理人員頻繁到現(xiàn)場檢查，這樣的方式過于依賴檢查人員的素質(zhì)和責(zé)任心，準(zhǔn)確性差；現(xiàn)場狀況信息更新周期長，且時間節(jié)點(diǎn)難以統(tǒng)一；人員、車輛投入大，經(jīng)濟(jì)性差。為此，在環(huán)保水保管理工作中引入先進(jìn)科技技術(shù)手段以提高環(huán)保水保管理工作效率和效益勢在必行。

目前，計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、影像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)日新月異，衛(wèi)星遙感技術(shù)便是綜合其中部分技術(shù)而產(chǎn)生的綜合性智能遙感技術(shù)，對比傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，遙感技術(shù)具有無與倫比的優(yōu)越性（陳安寧，2017）。而且，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，這項技術(shù)被越來越多的應(yīng)用在工程建設(shè)領(lǐng)域，也為利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行環(huán)保水保和通道清理的監(jiān)測、檢查、驗收等管理工作提供了一項很好的可供選擇的先進(jìn)技術(shù)手段。應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以使環(huán)保水保監(jiān)測、檢查、驗收等管理工作從傳統(tǒng)人工、事后管理為主轉(zhuǎn)化為以智能、事中監(jiān)管為主，實(shí)現(xiàn)環(huán)保水保監(jiān)測數(shù)字化、可視化、智能化，為環(huán)保水保管理人員提供預(yù)判預(yù)警，為驗收提供精準(zhǔn)數(shù)字及過程影像，極大的提高了監(jiān)理工作的效率及效益。

1 高分衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)是利用人造衛(wèi)星收集地物目標(biāo)的電磁輻射信息，以辨認(rèn)地球環(huán)境和資源的技術(shù)，是航天遙感最為實(shí)用普遍的技術(shù)。高分衛(wèi)星遙感技術(shù)便是綜合遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術(shù)在內(nèi)的空間信息技術(shù)，它是利用可見光、紅外、微波等探測儀器，通過攝影或掃描、信息感應(yīng)、傳輸和處理，從而識別地面物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動狀態(tài)的現(xiàn)代化技術(shù)系統(tǒng)。目前國內(nèi)多采用我國自主建立的衛(wèi)星系統(tǒng)。

應(yīng)用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行特高壓輸電工程監(jiān)理，其工作原理是“衛(wèi)星遙感影像采集處理”（黃來等，2020），主要包括兩個方面，一是影像數(shù)據(jù)獲取，二是遙感分析。遙感影像是遙感分析的基礎(chǔ)，只有符合要求的遙感影像才能用于遙感分析。通過對采集的遙感影像進(jìn)行一系列處理，使遙感影像與輸變電實(shí)際線路向匹配，坐標(biāo)一一對應(yīng)，為遙感分析和研究做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

影像數(shù)據(jù)獲取主要是通過衛(wèi)星系統(tǒng)獲取項目所需的影像資料。遙感衛(wèi)星影像的獲取分為存檔數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)兩種。存檔數(shù)據(jù)是衛(wèi)星按照既定程序進(jìn)行影像的拍攝和存儲，當(dāng)有需要時進(jìn)行調(diào)取，這是歷史數(shù)據(jù)。該影像容易獲得，但時效性差，對時效要求不高的情況可以采用。編程數(shù)據(jù)是指根據(jù)需要，向衛(wèi)星發(fā)出指令指定衛(wèi)星在未來時間定點(diǎn)獲取影像數(shù)據(jù)。衛(wèi)星編程拍攝受衛(wèi)星軌道忙碌、天氣影響的因素很大，所以獲取數(shù)據(jù)的時間比較久，一般獲取周期需要2～3個月，要得到及時影像，需要提前預(yù)約，而且費(fèi)用與已有存檔衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)相比高很多。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)工程進(jìn)展和需求，采用存檔數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)結(jié)合的方式實(shí)施。

遙感分析是指通過解譯標(biāo)志建立、分類特征分析、遙感影像解譯、解譯對象的遙感提取與計算、形成解譯報表等過程進(jìn)行遙感影像解譯，并對解譯的數(shù)據(jù)采用專用軟件進(jìn)行分析，并與相關(guān)技術(shù)要求相對比，查找現(xiàn)場存在的問題，并予以解決。遙感影像解譯一般由專業(yè)技術(shù)人員完成。

2 利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行特高壓輸電工程的環(huán)保水保管理

2.1 應(yīng)用范圍

在輸電線路工程建設(shè)中，可利用高分遙感的高分序列影像，在輸變電工程施工的不同階段，采集高分系列影像并通過遙感處理與分析，實(shí)現(xiàn)部分現(xiàn)場影像及數(shù)據(jù)資料的采集，以此協(xié)助環(huán)保水保管理工作的高效完成。在實(shí)際應(yīng)用中，將根據(jù)工程進(jìn)展和現(xiàn)場需求，采用存檔數(shù)據(jù)和編程數(shù)據(jù)結(jié)合的方式獲取數(shù)據(jù)。

利用遙感影像處理技術(shù)、波譜解譯技術(shù)及影像對比庫技術(shù)，對水保環(huán)保、通道清理等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時，利用影像比對庫技術(shù)，對環(huán)保水保各類面積、通道清理數(shù)量作出判別，以此輔助監(jiān)理工作，并提高效率。具體應(yīng)用范圍如下：

（1）線路路徑優(yōu)化：遙感圖片可以辨別出地質(zhì)構(gòu)造、山脈走向、河流水系、公路鐵路交通線的現(xiàn)狀，以及農(nóng)田、林場等自然地貌狀況。這些豐富的地理地貌信息對送電線路進(jìn)行多方案路徑優(yōu)化選擇有著極大的幫助（徐世澤和許琳，2011）。如此，在線路路徑上可從根本上規(guī)避環(huán)保水保敏感點(diǎn)。

（2）環(huán)保水保方面：環(huán)境敏感區(qū)監(jiān)控，施工過程中施工擾動面積、臨時進(jìn)場及材料運(yùn)輸?shù)缆返拈L度和寬度、塔材堆放調(diào)查、取棄土場面積情況，工程竣工驗收階段植被恢復(fù)等情況，竣工驗收階段動土地整治率、水土流失總治理度、林草植被恢復(fù)率和林草覆蓋率，水土流失狀況調(diào)查等。

（3）通道清理方面：房屋拆遷進(jìn)度及跡地恢復(fù)完成情況，樹木砍伐進(jìn)度及完成情況，廠礦、企業(yè)等障礙設(shè)施拆遷情況的檢查、驗收。

（4）施工組織方面：預(yù)先采集現(xiàn)場地形、地貌、周邊跨越物、臨近建構(gòu)筑物等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，在基礎(chǔ)、組塔階段可為材料堆放場、作業(yè)方式的選擇在導(dǎo)地線架設(shè)階段可為牽張場布設(shè)、跨越措施選擇等提供支撐性參考資料。

（5）相關(guān)說明：本文重點(diǎn)針對在環(huán)保水保管理、線路通道清理等方面工作如何應(yīng)用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行探討。

2.2 高分系列衛(wèi)星影像參數(shù)

我國2010年啟動了高分辨率對地觀測技術(shù)研究，是我國中長期研究重點(diǎn)支持的16個重大專項之一。2013年4月，國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項天基系統(tǒng)中的首發(fā)星“高分一號”成功發(fā)射，突破了高空間分辨率、多光譜高空間分辨率的光學(xué)遙感技術(shù)，全色片空間分辨率為2 m，多光譜空間分辨率為8 m，開啟了我國高分辨率數(shù)據(jù)獲取以及應(yīng)用的先河（白照廣，2013）。2014年8月，“高分二號”（GF-2）衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國遙感事業(yè)進(jìn)入了一個新的“里程碑”，全色片空間分辨率達(dá)到0.81 m，多光譜分辨率達(dá)到3.24 m（崔恩慧等，2014；邱學(xué)雷，2014；云成，2014；東方星，2015），有效地提升了衛(wèi)星綜合觀測效能（吳凱等，2018），均能滿足輸變電工程環(huán)保水保監(jiān)管對影像空間分辨率的要求。考慮到云層遮擋、系統(tǒng)故障等對數(shù)據(jù)獲取造成的影響，在影像采集時使用多源衛(wèi)星聯(lián)合應(yīng)用，從而保證輸變電線路的重訪頻次及全線覆蓋。

高分遙感技術(shù)具有大范圍、多頻次、高清晰的優(yōu)勢，特別是國產(chǎn)高分一號、二號覆蓋周期分別為41天、69天，分辨率可達(dá)2 m、0.8 m，可實(shí)現(xiàn)一年多次監(jiān)測（姜德文，2016）。高分一號、高分二號以及其他高分系列衛(wèi)星逐步進(jìn)入我國環(huán)境保護(hù)的主體業(yè)務(wù)，全面提升我國環(huán)境監(jiān)測的定量化和精細(xì)化水平，提高我國環(huán)境監(jiān)測天地一體化能力，為我國的環(huán)境保護(hù)和管理工作提供重要技術(shù)支撐（趙少華等，2015）。目前，在特高壓工程環(huán)保水保工作中常用的高分系列衛(wèi)星影像參數(shù)詳見表1。

表1 特高壓工程環(huán)保水保常用高分系列衛(wèi)星影像參數(shù)

2.3 操作流程

在線路遙感監(jiān)理架構(gòu)設(shè)計中，對采集工程沿線高分遙感影像進(jìn)行前期預(yù)處理，處理的過程包括校正、影像融合、裁剪等方法。使用處理后的影像進(jìn)行目視解譯，并對監(jiān)控對象劃分為擾動區(qū)、臨時進(jìn)場道路、拆遷房屋、拆遷廠礦、取棄土場、料場選擇、合理作業(yè)方式等類別，進(jìn)行矢量化。為各類別監(jiān)控對象賦予屬性，如面積、長度、寬度等。具體操作流程如圖1。

圖1 線路遙感在項目管理中的技術(shù)路線

2.4 實(shí)施過程

采用高分遙感技術(shù)輔助現(xiàn)場環(huán)保水保管理工作，需結(jié)合技術(shù)要求和項目實(shí)際情況開展相關(guān)工作。目前國內(nèi)利用衛(wèi)星遙感技術(shù)一般通過具有相關(guān)資質(zhì)和能力的科技公司獲取，一般項目管理單位暫無相關(guān)資質(zhì)和能力，需要和相關(guān)科技公司通過業(yè)務(wù)合作來實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

為此，在項目實(shí)施前，應(yīng)首先選定相關(guān)科技公司并簽署委托協(xié)議，明確委托事項和要求，主要包括：

（1）應(yīng)對每基塔位環(huán)保水保狀況和線路通道范圍內(nèi)清理情況在開工初期進(jìn)行拍攝、處理、分析。

（2）拍攝照片清晰度滿足分析需要；遙感解譯精度誤差控制在5%以內(nèi)；環(huán)保水保遙感監(jiān)測報告和通道清理檢查、驗收報告符合工作需要。

（3）明確遙感實(shí)施的周期，實(shí)現(xiàn)多期遙感影像的采集、處理、分析、存儲，完成影像比對庫建設(shè)。

在使用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)開展特高壓輸電工程環(huán)保水保管理工作前，應(yīng)提前收集基礎(chǔ)資料，主要是桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)等；同時收集環(huán)保水保和通道清理的管理要求等資料，作為該項工作的依據(jù)文件。

具體來講，可在施工前、施工中和驗收階段利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)開展項目管理工作，每個階段的主要工作包括：

（1）施工前階段工作：根據(jù)桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)，環(huán)保水保專項設(shè)計、通道清理清冊等資料等采集高分遙感影像，解譯該線路原始地貌類型，編寫第一次遙感監(jiān)測報告，作為后期項目驗收的參照影像。由于該階段對時間要求不高，可采用遙感衛(wèi)星影像存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（2）施工階段工作：在施工過程中應(yīng)根據(jù)工程進(jìn)展情況，定期采集高分遙感影像，主要解決環(huán)保水保方面的問題，采集施工過程中環(huán)境敏感區(qū)影響范圍和狀況、環(huán)境敏感區(qū)范圍內(nèi)新增進(jìn)場道路狀況、施工擾動面積、臨時進(jìn)場道路的長度和寬度、塔材堆放調(diào)查、取棄土場面積情況等。建議在基礎(chǔ)、組塔、架線三個階段各采集一次，并編制遙感監(jiān)測報告。項目管理單位根據(jù)報告分析結(jié)果及時發(fā)出通知單，督促施工單位及時進(jìn)行整改。基礎(chǔ)階段可采用遙感衛(wèi)星影像存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，組塔、架線階段采用遙感衛(wèi)星影像編程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提高工作時效性。

（3）驗收階段工作：輸電線路竣工預(yù)驗收階段，進(jìn)行遙感影像采集與處理，完成環(huán)保水保初檢和通道清理驗收工作，包括擾動土地整治率、林草覆蓋率、林草植被恢復(fù)率指標(biāo)計算、房屋拆遷、樹木砍伐等，對于不符合驗收標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行整改，提供影像解譯分析報告，并編入驗收初檢驗收報告，發(fā)出問題通知單，督促施工單位整改。鑒于該階段對數(shù)據(jù)提供實(shí)效要求較高，需采用遙感衛(wèi)星影像編程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.5 應(yīng)用難點(diǎn)及注意事項

利用高分衛(wèi)星開展特高壓輸電工程環(huán)保水保管理工作，由于客觀因素影響也存在一些難點(diǎn)。

（1）實(shí)時性較差：高分衛(wèi)星遙感影像分析流程多、數(shù)據(jù)量大、周期長，致使實(shí)時性差。如遙感衛(wèi)星影像存檔數(shù)據(jù)采用的是歷史數(shù)據(jù)，一般是采集時點(diǎn)之前2～3個月的影像數(shù)據(jù)；遙感衛(wèi)星影像編程數(shù)據(jù)則需要提前預(yù)約，需要對工程進(jìn)展非常準(zhǔn)確的預(yù)測，鑒于工程進(jìn)度的不可預(yù)見性，這點(diǎn)也是很難做到的。為此，如何提高時效性，將是衛(wèi)星遙感技術(shù)在工程中應(yīng)用的一個難題。

（2）受天氣影響大：衛(wèi)星遙感監(jiān)測最理想的情況是含云量為0%，項目在開展過程中發(fā)現(xiàn)，15%以下的含云量都是可以接受的。因此，陰雨、沙塵暴、霧等不良天氣都會對遙感觀測產(chǎn)生不利影響。

在利用高分衛(wèi)星開展特高壓輸電工程環(huán)保水保管理工作中，為提高工作成效，需注意以下事項：

（1）基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)確性：采用衛(wèi)星遙感技術(shù)輔助輸電線路現(xiàn)場環(huán)保水保管理工作需要提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)、通道拆遷砍伐清冊的準(zhǔn)確度直接影響使用效果。坐標(biāo)不準(zhǔn)確，將無法采取到所需位置的影像資料，導(dǎo)致分析結(jié)果無效；通道拆遷砍伐清冊不準(zhǔn)確，無法與采集的影像進(jìn)行分析。

（2）影像資料采集的關(guān)鍵部位：影像資料的采集，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注山區(qū)是否有掛渣現(xiàn)象、擾動面積過大部位、成片的樹木、需拆遷的房屋及廠房等敏感因素。

（3）技術(shù)手段的綜合性：根據(jù)工程監(jiān)測的任務(wù)和要求，在技術(shù)手段上宜采用衛(wèi)星遙感為主、抽樣調(diào)查和地面調(diào)查、驗證相結(jié)合的方法，發(fā)揮各自優(yōu)勢，求得總體功能上滿足各項需要。

3 某工程應(yīng)用實(shí)踐

在山東某特高壓線路工程環(huán)保水保管理工作中，已利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)輔助現(xiàn)場環(huán)保水保管理工作（圖2～3），分別在基礎(chǔ)、組塔、架線及驗收四個階段各應(yīng)用一次，目前，均已完成三個階段的應(yīng)用，總體應(yīng)用情況較為理想。

圖2 高分遙感影像施工擾動面積解譯示例一

該段線路工程全長2 km×96.218 km，鐵塔189基，主要地形為山區(qū)。該工程基礎(chǔ)階段的應(yīng)用獲取了以下成果：所有塔基區(qū)擾動面積總體統(tǒng)計、塔基區(qū)施工擾動超過4000 m2遙感解譯、塔基區(qū)施工擾動面積超過3000 m2遙感解譯、塔基區(qū)擾動面積逐個統(tǒng)計；臨時施工道路統(tǒng)計、臨時施工道路長度超過200 m解譯、塔基臨時施工道路長度逐個統(tǒng)計；房屋拆遷遙感解譯等。所形成的監(jiān)測報告直接用于現(xiàn)場環(huán)保水保管理工作，相關(guān)問題以通知單形式發(fā)往施工單位整改。

以上工作如采用傳統(tǒng)檢查方式，需一人一車至少要30天才能完成，且觀察盲點(diǎn)多、不全面、誤差大。而利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并形成報告僅需10天左右，無需野外作業(yè)，觀察數(shù)據(jù)精確、全面，有明確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

由此可看出，與傳統(tǒng)的人工實(shí)地監(jiān)測相比，高分遙感技術(shù)具有如下優(yōu)勢：探測范圍大，可以了解整個工程水保環(huán)保的整體狀況；獲取資料速度快、周期短；受地面條件限制少；減少了對人員工作態(tài)度和人員素質(zhì)的依賴性；減少了人員、車輛的投入，既節(jié)約了開支也減少風(fēng)險。

4 結(jié)論

高分衛(wèi)星遙感技術(shù)為輸電線路工程的水保環(huán)保、通道清理等項目管理工作提供了一種先進(jìn)可靠的技術(shù)手段，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)和信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，由各種高、中、地軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星相協(xié)同，高、中、地分辨率相彌補(bǔ)而組成的對地觀測系統(tǒng)，未來可對工程可進(jìn)行多層、立體、多角度、全方位和全天候的監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確有效、快速及時地提供多種空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率的觀測數(shù)據(jù)，且影像拍攝周期越來越短，時效性也越來越高。

綜上所述，隨著高分衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在特高壓輸電線路工程項目管理工作中應(yīng)用也將越來廣泛，除在環(huán)保水保管理和通道清理驗收方面的應(yīng)用外，還將在工程本體的安全、質(zhì)量檢查和進(jìn)度控制方面發(fā)揮一定作用，為特高壓輸電線路工程建設(shè)及項目管理工作提供更加高效的技術(shù)手段。