空天地一體化技術(shù)在某電站水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陸 斌，曹偉剛

（1.商洛市水土保持工作站，陜西 商洛 726000；2.漢中市科技資源統(tǒng)籌中心，陜西 漢中 723108）

水土保持監(jiān)測(cè)新技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來的。推進(jìn)水土保持?jǐn)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，加快推進(jìn)智慧模式構(gòu)建，是提升水土保持監(jiān)管能力現(xiàn)代化水平的重要途徑。某電站工程占地范圍大、施工周期長(zhǎng)，易引起水土流失的環(huán)節(jié)眾多，傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)手段無(wú)法滿足大范圍監(jiān)測(cè)需求，亟需引入一種新的技術(shù)手段進(jìn)行水土流失超標(biāo)預(yù)警管控。

1 概況

某水電站壩址位于金沙江中游。該水電站為大（1）型一等工程，總庫(kù)容22.5 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容5.55 億m3，防洪庫(kù)容5.42 億m3，裝機(jī)容量為3 000 MW[1]。水土保持方案確定的工程防治責(zé)任范圍為6 213.19 hm2。項(xiàng)目區(qū)屬西南土石山區(qū)，以水力侵蝕為主，水土流失允許值為500 t/（km2·a），水土流失強(qiáng)度為輕度—強(qiáng)度，以輕度為主，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 520 t/（km2·a）。土壤主要有紅壤、紫色土、沖積土、水稻土、燥紅土等幾類。庫(kù)區(qū)屬河谷熱性植被帶，林草覆蓋率約53%。結(jié)合工程實(shí)際情況和水土保持監(jiān)測(cè)有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，工程建設(shè)期水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)位置為樞紐工程區(qū)、場(chǎng)區(qū)道路工程區(qū)、存棄渣場(chǎng)區(qū)，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)時(shí)段為各項(xiàng)工程的施工期及植被恢復(fù)期，共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)62個(gè)，其中調(diào)查型監(jiān)測(cè)點(diǎn)48個(gè)、觀測(cè)型監(jiān)測(cè)點(diǎn)14個(gè)。

2 水土保持監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)應(yīng)用

2.1 空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)是指利用現(xiàn)代信息技術(shù)和科技手段，從空、天、地3個(gè)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體到水土保持監(jiān)測(cè)工作，就是利用高分遙感、無(wú)人機(jī)及地面監(jiān)測(cè)等相結(jié)合的空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍、擾動(dòng)地表面積、表土保護(hù)、棄渣場(chǎng)的設(shè)置、水土保持措施實(shí)施等情況適時(shí)監(jiān)控[2]。該技術(shù)因?yàn)楸O(jiān)測(cè)范圍廣、覆蓋面大、不受地面交通限制、重訪周期短、成像分辨率高等特點(diǎn)，廣受歡迎。綜合考慮該水電站施工擾動(dòng)面廣點(diǎn)多、開挖方量大的特點(diǎn)，本次在采用地面監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，運(yùn)用高分遙感和無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)項(xiàng)目水土流失狀況、水土保持措施防治效果和水土流失危害情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)際工作中，注重運(yùn)用無(wú)人機(jī)和移動(dòng)終端進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，準(zhǔn)確掌握項(xiàng)目防治責(zé)任范圍、棄土（渣）場(chǎng)位置及棄土（渣）量等重點(diǎn)環(huán)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)核定，及時(shí)優(yōu)化治理措施的空間配置。

2.2 遙感監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目水土保持遙感監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)工程施工前、施工過程中、施工后等階段防治責(zé)任范圍內(nèi)的土地利用類型變化、土壤侵蝕度、植被覆蓋度情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)[3]，對(duì)比分析施工過程對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響以及工程結(jié)束后的恢復(fù)治理情況，及時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目水土流失狀況和水土保持措施防治效果。

2.2.1 影像獲取

為了更好地監(jiān)測(cè)水電站建設(shè)對(duì)水土保持情況的影響，選取施工前（2010 年）、施工中（2013 年）、施工后期（2017、2020 年）的遙感影像。其中，2010 年選用ALOS 衛(wèi)星影像，2013、2017 年選取高分一號(hào)衛(wèi)星影像，2020 年選取資源三號(hào)衛(wèi)星影像。在進(jìn)行遙感圖像處理前，還需要進(jìn)行影像預(yù)處理，主要利用ENVI 軟件等對(duì)影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、正射校正、影像融合。

2.2.2 信息提取

遙感影像解譯前，根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容、遙感影像分辨率、時(shí)相、色調(diào)、幾何特征、影像處理方法、外業(yè)調(diào)查等建立遙感解譯標(biāo)志[4]。如該水電站的耕地部分，外業(yè)調(diào)查記錄為收割后的玉米地，對(duì)應(yīng)直接解譯標(biāo)志色調(diào)為棕色、形狀為規(guī)則片狀或塊狀、結(jié)構(gòu)為表面較平整，間接解譯標(biāo)志為道路的閉合區(qū)。利用Arc-GIS 軟件，解譯提取林地、草地、耕地、建筑用地、未利用地、水域、道路7種土地利用類型。

本次植被覆蓋度提取主要利用ENVI 軟件和ArcGIS 軟件，通過利用近紅外波段和可見光紅波段計(jì)算得到歸一化植被指數(shù)，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查率定指數(shù)與實(shí)際蓋度關(guān)系，計(jì)算得到植被覆蓋度。地面坡度是水力侵蝕面蝕方式強(qiáng)度分級(jí)的主要指標(biāo)之一，利用ArcGIS 軟件獲取影響區(qū)坡度信息。同時(shí)，結(jié)合土地利用矢量數(shù)據(jù)、植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)和坡度柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度。

2.3 無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)水電站樞紐工程區(qū)、場(chǎng)內(nèi)道路區(qū)、存棄渣場(chǎng)區(qū)、施工營(yíng)地等實(shí)施定期航拍監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取各分區(qū)開挖填筑狀況、水土保持措施布設(shè)情況及水土流失影響情況。無(wú)人機(jī)技術(shù)具有較快的反應(yīng)速度、較高的空間分辨率、便捷的攜帶方式、自動(dòng)化的工作流程等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)正射影像判讀，樞紐區(qū)內(nèi)施工較為規(guī)范，無(wú)較大水土流失危害，沒有對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。存在水土流失隱患的是存棄渣場(chǎng)及表土堆存場(chǎng)，建設(shè)單位均采取了臨時(shí)苫蓋、撒播草籽等措施進(jìn)行防護(hù)，有效地避免了降雨沖刷。通過無(wú)人機(jī)獲取的高精度正射影像，監(jiān)測(cè)單位精準(zhǔn)地識(shí)別水土流失危害的潛在發(fā)生位置、面積、程度。利用無(wú)人機(jī)開展遙感監(jiān)測(cè)能獲取正射影像，監(jiān)測(cè)無(wú)死角，能有效地解決現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查不能實(shí)現(xiàn)全域有效監(jiān)測(cè)的難題，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水土流失情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掌控。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)能極大地提高監(jiān)測(cè)工作的效率和精度，在擾動(dòng)情況、土石方、水土流失危害等方面均可實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)。

2.4 地面監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)工作組通過定期開展地面監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步復(fù)核和補(bǔ)充遙感監(jiān)測(cè)和無(wú)人機(jī)航拍成果?，F(xiàn)場(chǎng)采取全面調(diào)查的方式，采用GPS定位儀結(jié)合地形圖、數(shù)碼相機(jī)、測(cè)距儀、測(cè)高儀、標(biāo)桿和尺子等工具[5]，測(cè)定樞紐工程區(qū)、場(chǎng)內(nèi)道路區(qū)、存棄渣場(chǎng)區(qū)等不同分區(qū)的地表擾動(dòng)類型和不同類型的面積。對(duì)照影像資料，重點(diǎn)監(jiān)控每個(gè)擾動(dòng)類型區(qū)的基本特征（特別是堆渣和開挖面坡長(zhǎng)、坡度、巖土類型）及水土保持措施（攔擋工程、護(hù)坡工程和土地整治工程等）實(shí)施情況。對(duì)施工期和運(yùn)行初期進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，側(cè)重于施工期土壤流失量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行初期的土壤流失量監(jiān)測(cè)。在工程施工建設(shè)過程中和林草植被恢復(fù)期，對(duì)整個(gè)建設(shè)期的全部區(qū)域開展巡查，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)水土流失危害和重大水土流失事件等內(nèi)容。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1.1 擾動(dòng)面積

通過遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，最終確定工程建設(shè)區(qū)實(shí)際地表擾動(dòng)范圍為樞紐工程區(qū)、場(chǎng)內(nèi)交通工程區(qū)、存棄渣場(chǎng)區(qū)、料場(chǎng)區(qū)、施工輔助設(shè)施區(qū)。電站建成后，料場(chǎng)（含棄料堆場(chǎng)）交回繼續(xù)開采和使用。水庫(kù)淹沒區(qū)、水庫(kù)淹沒影響處理區(qū)在工程蓄水后變?yōu)樗?，不納入地表擾動(dòng)范圍。對(duì)本次遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的復(fù)核，主要采取查閱國(guó)土批復(fù)文件及征占地資料，結(jié)合典型區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)進(jìn)行；對(duì)臨時(shí)占地主要依據(jù)工程施工圖設(shè)計(jì)和征占地資料，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和回訪綜合確定。擾動(dòng)面積監(jiān)測(cè)結(jié)果為樞紐工程區(qū)101.07 hm2，場(chǎng)內(nèi)交通工程區(qū)110.46 hm2，施工輔助設(shè)施區(qū)94.41 hm2，存棄渣場(chǎng)區(qū)198.75 hm2，料場(chǎng)區(qū)45.96 hm2。對(duì)比遙感圖像和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該水電站擾動(dòng)面積變化主要發(fā)生在2011—2012年，2013年后擾動(dòng)區(qū)域基本穩(wěn)定。

根據(jù)擾動(dòng)后的水土流失特點(diǎn)，結(jié)合遙感航拍圖像，對(duì)該水電站的地表擾動(dòng)進(jìn)行分類，主要表現(xiàn)為棄土棄渣、開挖面、建筑物、施工平臺(tái)等。堆渣、開挖面、平臺(tái)等具有不同的水土流失特點(diǎn)。在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，依照同一擾動(dòng)類型的流失特點(diǎn)和流失強(qiáng)度基本一致、不同擾動(dòng)類型的流失特點(diǎn)和流失強(qiáng)度明顯不同的原則，共分為8類地表擾動(dòng)類型。

3.1.2 表土保護(hù)

無(wú)人機(jī)航拍和地面監(jiān)測(cè)顯示，工程表土剝離的區(qū)域?yàn)榇鏃壴鼒?chǎng)區(qū)、料場(chǎng)區(qū)、施工輔助設(shè)施區(qū)、樞紐工程區(qū)、場(chǎng)內(nèi)交通工程區(qū)。對(duì)比前后圖像和內(nèi)業(yè)復(fù)核，樞紐工程區(qū)由于壩基兩岸可剝離區(qū)域較小，主要針對(duì)土壩段平緩區(qū)域進(jìn)行表土剝離；場(chǎng)內(nèi)交通區(qū)鑒于線性工程施工分散，僅對(duì)地形平整路段進(jìn)行表土剝離，剝離表土主要用于道路沿線兩側(cè)邊坡及行道樹綠化覆土；存棄渣場(chǎng)區(qū)主要針對(duì)棄渣場(chǎng)表土進(jìn)行剝離。該水電站工程實(shí)際共剝離收集表土105.54萬(wàn)m3。對(duì)比方案，表土剝離量有所減少，是因?yàn)楣こ虒?shí)際擾動(dòng)地表面積減少，如場(chǎng)內(nèi)交通工程區(qū)、輔助設(shè)施區(qū)等區(qū)域取消或優(yōu)化減少占地；部分區(qū)域土層較薄，可剝離條件較差，實(shí)際剝離量減少。

3.1.3 土壤流失狀況

根據(jù)遙感解譯獲取的土地利用類型面積和土壤侵蝕度面積統(tǒng)計(jì)，綜合地面物質(zhì)組成和擾動(dòng)地表類型、經(jīng)驗(yàn)分析和定位監(jiān)測(cè)，綜合取值得出項(xiàng)目各侵蝕單元類型根據(jù)施工進(jìn)度和占雨季的比例，確定相應(yīng)土壤侵蝕模數(shù)，項(xiàng)目樞紐工程建設(shè)區(qū)建設(shè)運(yùn)行期（2011—2020 年）水土流失總量為320 059.2 t。其中，樞紐工程區(qū)水土流失量為45 098.75 t，場(chǎng)內(nèi)交通道路區(qū)水土流失量為38 770.52 t，施工輔助設(shè)施區(qū)水土流失量為58 043.26 t，存棄渣場(chǎng)區(qū)水土流失量為168 769.53 t，石料場(chǎng)水土流失量為9 377.14 t。

水土流失原因主要為：施工初期，樞紐工程區(qū)、場(chǎng)內(nèi)道路、施工營(yíng)地等未全面實(shí)施水土保持措施，加上雨季雨水對(duì)邊坡沖刷，加大了該區(qū)域水土流失，該階段水土流失處于最嚴(yán)重時(shí)期。渣場(chǎng)在修建過程中按照先擋后棄逐層堆放的原則進(jìn)行了施工，但是由于渣場(chǎng)堆渣量較大，持續(xù)堆渣時(shí)間長(zhǎng)且堆渣時(shí)間久，擋護(hù)措施在使用過程中出現(xiàn)了部分損壞，造成了水土流失，水土流失量占工程建設(shè)區(qū)總棄渣量的52.7%。堆渣期間，各渣場(chǎng)根據(jù)施工設(shè)計(jì)分別采用了貼坡排水、邊坡防護(hù)和植物措施等，有效減少了棄渣期間水土流失。其他區(qū)域也隨著水土保持措施的不斷完善，有效控制和減少了水土流失。

3.1.4 水土保持措施實(shí)施

監(jiān)測(cè)組在全面觀測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合解譯的土地利用類型專題圖、植被覆蓋度分級(jí)專題圖及統(tǒng)計(jì)結(jié)果等，通過對(duì)施工單位、監(jiān)理單位等調(diào)查復(fù)核，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)了各區(qū)域的措施完成情況。工程防護(hù)措施量與方案相比有增有減，經(jīng)分析是因?yàn)閷?shí)際施工中根據(jù)開挖及砌筑實(shí)際情況變化，相應(yīng)采取更適合的防護(hù)措施，故引起措施量的變化。如場(chǎng)內(nèi)交通工程區(qū)防護(hù)措施增減，是實(shí)際施工中根據(jù)路基開挖及邊坡實(shí)際情況變化相應(yīng)采取適應(yīng)的防護(hù)措施；結(jié)合工程實(shí)際，永久和臨時(shí)結(jié)合，減少占地，將左岸下游低線公路、出渣公路、右岸上游低線公路等優(yōu)化取消，棄渣場(chǎng)公路等優(yōu)化縮短，與之相應(yīng)的擋墻、排水溝等措施量減少。渣場(chǎng)區(qū)的工程量變化的主要原因是防護(hù)工程結(jié)構(gòu)和型式隨地基情況的改變而調(diào)整，如某渣場(chǎng)坡面全部采用了干砌石護(hù)坡等。樞紐工程區(qū)壩肩實(shí)施了園林式綠化工程；施工輔助設(shè)施區(qū)主要因業(yè)主營(yíng)地等區(qū)域綠化標(biāo)準(zhǔn)提升，實(shí)施的植物措施面積增加，達(dá)到了綠化和美化的效果。

3.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

2010—2020 年開展的集地面監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)及無(wú)人機(jī)航測(cè)于一體的空天地一體化水土保持監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)獲取了水電站的水土流失防治責(zé)任范圍、擾動(dòng)地表面積、表土保護(hù)、棄渣場(chǎng)的設(shè)置、水土保持措施實(shí)施等方面監(jiān)測(cè)內(nèi)容。結(jié)果顯示，工程建設(shè)基本按照主體工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和水保方案設(shè)計(jì)實(shí)施各種預(yù)防保護(hù)措施。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析，項(xiàng)目區(qū)水土保持措施到位，水土保持效果明顯。通過對(duì)影響區(qū)施工期間的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，項(xiàng)目建設(shè)期因工程建設(shè)施工不可避免地?cái)_動(dòng)和破壞防治責(zé)任范圍內(nèi)的原地貌增加了水土流失強(qiáng)度和程度。而工程水土保持工作做得較好，最大限度地減少了因項(xiàng)目建設(shè)引發(fā)的水土流失。通過對(duì)影響區(qū)施工后的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為施工結(jié)束后的恢復(fù)工作極其有效，最大程度地恢復(fù)了項(xiàng)目施工對(duì)影響區(qū)的擾動(dòng)后果。通過空天地一體化水土保持監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)工程各區(qū)水土流失情況和水土保持方案的實(shí)施效果，為業(yè)主單位的水土保持工作服務(wù)，以期最大限度地減少對(duì)項(xiàng)目區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，為水土保持專項(xiàng)驗(yàn)收提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過分析探討可知，空天地一體化水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于工程復(fù)雜、施工點(diǎn)多面廣、土石方量大的水土流失防治任務(wù)艱巨的開發(fā)建設(shè)工作具有良好的監(jiān)測(cè)效果，科學(xué)全面地反映了某水電站水土保持治理情況，提升了水土保持管控水平，具有先進(jìn)性和前瞻性，在水土保持開發(fā)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)中可推廣使用。