多星協同衛星遙感技術在湖南平江抽水蓄能電站水土保持監管中的應用

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.紫光軟件系統有限公司，北京 100084；4.國網經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，監管難度大。尤其是前期階段，道路不通，水保監管人員不便到達現場，給水保監管增加了難度。而傳統水保監測手段主要依靠人工現場調查，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管。

隨著國家放管服政策的實施，生態環境部及水利部加強了重點工程環水保全過程監控。2015年4月9日，水利部辦公廳印發了全國水土保持信息化工作實施計劃，全面啟動生產建設信息化監管工作。前人利用Landsat遙感數據和最大似然分類法（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，結果發現不同方法之間都有所增加和減少。針對特高壓線路，前人利用衛星遙感影像提取塔基施工擾動面積，擾動區提取率為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）。隨著科學技術的發展，衛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）、環境資源（吳旻妍等，2016）、油氣管道規劃（趙倩維，2017）、文物監測（賀丹和楊鳳蕓，2016）等領域。基于衛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，將衛星遙感技術應用到抽水蓄能電站施工過程中，為環水保監管工作提供了一種新的技術方法。

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

1 研究區概況

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。總占地面積393.14 hm2，其中施工征占地367.12 hm2，水庫淹沒及庫岸區占地17.74 hm2，移民安置與專項設施復建區占地8.28 hm2，永久占地337.87 hm2、臨時占地55.27 hm2。

2 多星協同技術

本文利用多星協同技術，采集多期次平江抽水蓄能電站全覆蓋遙感影像，經過一系列技術處理后，獲得具有統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 數據基礎

抽水蓄能電站具有占地范圍大，施工時間長等特點，利用單一衛星進行抽水蓄能電站監測，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衛星的多星協同方式進行平江電站遙感監測。自2019年電站建設以來，共采集衛星遙感影像10期，具體影像信息見表1。

表1 平江抽水蓄能電站衛星遙感影像信息表

高分一號于2013年4月26日在酒泉衛星發射中心成功發射，是我國高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項的首發星，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）。

高分二號衛星于2014年8月19日成功發射，8月21日首次開機成像并下傳數據，是我國自主研制的首顆空間分辨率優于1 m的民用光學遙感衛星，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星，星下點空間分辨率可達0.8 m，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”（洪倩等，2019；王天宇等，2020）。

World View衛星運行在高度為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）。該衛星屬于商業遙感衛星，可通過代理商采購存檔數據和編程數據。

表2 覆蓋平江的衛星遙感參數表

2.2 數據處理

數據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生的幾何畸變進行校正，這種畸變是由于衛星遙感成像過程中，飛行器的姿態、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，發現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。該文對電網建設全過程進行連續觀測，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，以保證后續檢測精度。

2.3 數據解析

平江抽水蓄能電站周圍植被覆蓋茂盛，施工區域與周圍地表區分明顯，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，獲取工程施工區水保相關數據（李嵐斌等，2019）。

（1）擾動面積

抽水蓄能電站施工過程中，施工區擾動范圍較大，易發生水土流失情況。根據水土保持方案要求，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

本文利用多星協同技術，對平江電站典型地物進行多期次衛星遙感監測。以擾動面積、施工道路及水保措施為例，進行詳細分析，研究多星協同技術在抽水蓄能電站水土保持監管中的應用。

利用多星協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 擾動面積監測

利用多星協同技術對平江電站進行電站施工區擾動范圍監測，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，對衛星遙感解譯得到的擾動面積進行精度評估，部分施工區擾動面積誤差計算結果如表4所示。由表可知，衛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擾動范圍監測。以各個施工區在水保方案中防治責任范圍為基準進行擾動面積合規性判斷，表4中2#轉料場、1#棄渣場及施工營地合規，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、寬度監測

利用多星協同技術對平江電站進行電站施工道路進行監測。以10#道路為例，具體介紹施工道路長度、寬度監測。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，說明利用衛星遙感監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。水保方案中明確規定，在施工過程中產生的碎石碎渣或堆土等需要采取一定措施，防止溜坡溜渣現象的出現。利用高分影像，可準確識別出占地面積較大的環水保措施，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測多采用單一衛星或者無人機，單一衛星觀測范圍大，但監測周期不定，無法滿足工程多頻次監測需求；而無人機影像空間分辨率高，監測范圍小，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測采用多星協同技術，可打破單一衛星與無人機監測局限性，全方位獲取抽水蓄能電站水保信息，提高水保監測結果精度。

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

（1）利用多星協同技術進行平江抽水蓄能電站施工階段多頻次監測，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）利用多星協同技術進行水保管控，打破了傳統監測方式局限性，提高了監測手段科技性，提升了監測結果時效性與精確性，可有效減少施工現場水土流失，進一步提升水土保持管理水平。