多星协同卫星遥感技术在湖南平江抽水蓄能电站水土保持监管中的应用

李国和，高国庆，左程，钟龙，李雷娟，宋盼盼，刘新，陈晓枫

（1.国网新源控股有限公司，北京 100761；2.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳阳 414500；3.紫光软件系统有限公司，北京 100084；4.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

抽水蓄能电站工程基建占地范围大，地形复杂，水保要求高，监管难度大。尤其是前期阶段，道路不通，水保监管人员不便到达现场，给水保监管增加了难度。而传统水保监测手段主要依靠人工现场调查，耗时耗力，且信息不互通，急需引入一种新的技术手段进行抽水蓄能电站水土保持监管。

随着国家放管服政策的实施，生态环境部及水利部加强了重点工程环水保全过程监控。2015年4月9日，水利部办公厅印发了全国水土保持信息化工作实施计划，全面启动生产建设信息化监管工作。前人利用Landsat遥感数据和最大似然分类法（Cheruto et al.,2016;Brhane and Zemenu,2018）、高分遥感影像及面向对象方法（孟晋杰和王建华，2016；邝高明等，2016；黄颖伟等，2018；马大为等，2018），进行土地覆盖利用类型变化分析，结果发现不同方法之间都有所增加和减少。针对特高压线路，前人利用卫星遥感影像提取塔基施工扰动面积，扰动区提取率为65.2%，提取精度达到88%以上（吴凯等，2018）。利用遥感与GIS生成RUSLE因素地图，前人分析地形单位、高程、坡度和土地使用/覆盖等因素相互关系，评估土壤侵蚀风险（Yahya and Samer,2015；Modeste et al.,2020）。随着科学技术的发展，卫星遥感技术的应用领域已越来越广泛，涉及水资源（李亚春等，2016；张哲源等，2017）、环境资源（吴旻妍等，2016）、油气管道规划（赵倩维，2017）、文物监测（贺丹和杨凤芸，2016）等领域。基于卫星遥感的探测范围大、获取资料速度快、重复观测性强等特点，将卫星遥感技术应用到抽水蓄能电站施工过程中，为环水保监管工作提供了一种新的技术方法。

本文基于卫星遥感技术监测优势，以高分系列卫星为主，同时结合其他遥感卫星的多星协同技术，以平江抽水蓄能电站工程为依托开展水保监测工作，可提供及时的、真实的监测数据，降低水保监管难度，减轻劳动强度，增强水保过程监管信息化水平。

1 研究区概况

湖南平江抽水蓄能电站（简称：平江电站）位于湖南省岳阳市平江县福寿山镇境内，地处连云山脉福寿山西北坡，工程建设涉及福寿山-汨罗江国家级风景名胜区和福寿山省级森林公园。

项目组成主要包括枢纽工程、弃渣场（含表土堆存场和转料场）、交通设施、料场、施工生产生活设施、水库淹没及库岸、移民安置与专项设施复建工程等。总占地面积393.14 hm2，其中施工征占地367.12 hm2，水库淹没及库岸区占地17.74 hm2，移民安置与专项设施复建区占地8.28 hm2，永久占地337.87 hm2、临时占地55.27 hm2。

2 多星协同技术

本文利用多星协同技术，采集多期次平江抽水蓄能电站全覆盖遥感影像，经过一系列技术处理后，获得具有统一地理坐标的遥感影像；然后利用自动解析与人机交互目视解译相结合的方法，对平江抽水蓄能电站典型施工区的扰动面积、新增施工道路长度宽度及水保措施进行识别提取，并与防治责任范围进行比较分析，判定扰动范围是否超出防治责任范围。

图1 平江抽水蓄能电站下水库遥感影像图

2.1 数据基础

抽水蓄能电站具有占地范围大，施工时间长等特点，利用单一卫星进行抽水蓄能电站监测，无法满足工程全覆盖多频次需求，因此，采用以高分一号、高分二号为主，结合World View卫星的多星协同方式进行平江电站遥感监测。自2019年电站建设以来，共采集卫星遥感影像10期，具体影像信息见表1。

表1 平江抽水蓄能电站卫星遥感影像信息表

高分一号于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心成功发射，是我国高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星，装载2台2 m分辨率全色、8 m分辨率多光谱相机和4台16 m分辨率多光谱宽幅相机（王兆媛等，2020；曾毓燕，2020）。

高分二号卫星于2014年8月19日成功发射，8月21日首次开机成像并下传数据，是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1 m的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率1 m全色、4 m多光谱相机。这是我国目前分辨率最高的民用陆地观测卫星，星下点空间分辨率可达0.8 m，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”（洪倩等，2019；王天宇等，2020）。

World View卫星运行在高度为496～770 km、倾角98°、周期94.6 min的太阳同步轨道上，平均重访周期为1～5 d，星载大容量全色成像系统每天能够拍摄多达50万km2的0.50 m高空间分辨率图像（表2）。该卫星属于商业遥感卫星，可通过代理商采购存档数据和编程数据。

表2 覆盖平江的卫星遥感参数表

2.2 数据处理

数据处理过程包括辐射校正、几何校正、影像融合、影像配准、影像裁剪、镶嵌等。影像预处理的目的是突出检测对象，提高遥感影像的解译能力，其处理的好坏直接影响到变化检测的结果。其中，影像配准、几何校正、辐射校正是最重要的几个过程（陈岳和宋盼盼，2019）。

辐射校正是由于受到传感器误差和大气因素的影响，造成地物的光谱反射到传感器的辐射强度发生变化，因此要去除这种辐射畸变。通常，在变化检测的过程中采用相对辐射校正来归一化影像的辐射畸变。

几何校正是对遥感图像与地物目标间发生的几何畸变进行校正，这种畸变是由于卫星遥感成像过程中，飞行器的姿态、高度、速度以及地球曲率等因素导致的影像挤压、扭曲、拉伸、偏移等。通常将不同时相的遥感影像相对同一个参考坐标系统进行纠正。

影像融合是通过运用某一种融合算法，将在同一时间（或不同时间）获取的同一场景目标的多幅多源遥感图像，在规定的地理坐标系生成新图像的过程。通过进行同源、异源遥感影像融合试验，发现Gram-Schmidt融合效果最好，能够保留较多的光谱和纹理信息。

影像配准主要将不同时相的两幅影像进行匹配、叠加的过程。该文对电网建设全过程进行连续观测，所以首先需要对不同时间获得的遥感影像进行高精度配准，配准的精度需要在0.5 m内，以保证后续检测精度。

2.3 数据解析

平江抽水蓄能电站周围植被覆盖茂盛，施工区域与周围地表区分明显，利用自动解译与人机交互目视解译相结合方法，进行施工区扰动面积、施工道路等水保信息获取；结合GIS几何计算功能，获取工程施工区水保相关数据（李岚斌等，2019）。

（1）扰动面积

抽水蓄能电站施工过程中，施工区扰动范围较大，易发生水土流失情况。根据水土保持方案要求，不同施工场景的扰动面积具有限定范围，当扰动面积超出水土防治责任范围30%以上时即认为发生了重大变更，相应的水土保持方案也需要做出变更。将获取施工区扰动面积与水土防治责任范围进行比较分析，判定扰动面积是否超出防治责任范围。

（2）施工道路长度、宽度

抽水蓄能电站占地范围广，施工区域多，不可避免的需要新增施工道路，而施工道路的长度与宽度在水土保持方案中有明确要求，当施工道路长度增加20%以上时即可认为发生重大变更，相应的水土保持方案也需要做出变更。施工道路是否新增，需要与施工前遥感影像进行对比分析，利用GIS工具矢量提取法进行施工道路水保信息提取；然后与水保方案限定要求进行对比分析，判定施工道路长度宽度是否超出水保方案要求。

（3）水保措施落实情况

水土保持措施包括工程措施、植物措施和临时措施，如苫盖、边坡、挡土墙等措施。

3 结果分析

本文利用多星协同技术，对平江电站典型地物进行多期次卫星遥感监测。以扰动面积、施工道路及水保措施为例，进行详细分析，研究多星协同技术在抽水蓄能电站水土保持监管中的应用。

利用多星协同技术采集到的平江电站全覆盖影像，选取其中三期影像进行分析，如表3所示。

表3 平江抽水蓄能电站全覆盖影像信息

3.1 扰动面积监测

利用多星协同技术对平江电站进行电站施工区扰动范围监测，核查水保信息，具有有效减少水土流失的重要意义。该文以2#转料场为例，具体介绍平江电站扰动面积监测。利用自动解译+人机交互目视解译方法提取2#转料场施工扰动范围，结合GIS几何功能，获取其扰动面积，提取结果见图2。

以实测结果为基准，对卫星遥感解译得到的扰动面积进行精度评估，部分施工区扰动面积误差计算结果如表4所示。由表可知，卫星遥感解译结果与实测结果相当，误差在5%以内，说明此方法适用于平江电站施工区扰动范围监测。以各个施工区在水保方案中防治责任范围为基准进行扰动面积合规性判断，表4中2#转料场、1#弃渣场及施工营地合规，未超出责任防治范围。

表4 扰动面积精度评估结果

3.2 施工道路长度、宽度监测

利用多星协同技术对平江电站进行电站施工道路进行监测。以10#道路为例，具体介绍施工道路长度、宽度监测。解析计算10#道路长度和宽度结果见图3。

图3 10#道路多期遥感影像图

以实测结果为基准，对卫星遥感解译得到的施工道路长度宽度进行精度评估，部分施工道路评估结果如表5所示。由表5可知，卫星遥感解译结果与实测结果相当，长度误差在5%以内，宽度在10%以内，说明利用卫星遥感监测施工道路变化是有效的。将施工道路解译结果与水土保持方案设计要求对比分析，进行施工道路合规性判断，如10#道路设计长度1100 m、设计宽度8 m，而10#道路实际宽度为12.5 m，扰动面积过大，施工单位需进行整改。

表5 部分施工道路精度评估结果

3.3 水土保持措施监测

平江电站地形地貌复杂，地势险峻，施工过程中存在溜坡溜渣的危险。水保方案中明确规定，在施工过程中产生的碎石碎渣或堆土等需要采取一定措施，防止溜坡溜渣现象的出现。利用高分影像，可准确识别出占地面积较大的环水保措施，如苫盖、铺盖等（图4）。

图4 平江抽水蓄能电站下水库布设苫盖遥感影像图

4 讨论及结论

目前抽水蓄能电站水土保持监测多采用单一卫星或者无人机，单一卫星观测范围大，但监测周期不定，无法满足工程多频次监测需求；而无人机影像空间分辨率高，监测范围小，不能对抽水蓄能电站进行全覆盖，无法获取工程整体水保信息。因此，建议抽水蓄能电站水土保持监测采用多星协同技术，可打破单一卫星与无人机监测局限性，全方位获取抽水蓄能电站水保信息，提高水保监测结果精度。

综合多种类型遥感卫星配合使用具备的高频次重访、高空间分辨率优势，形成基于多星协同技术的抽水蓄能电站建设项目水土保持高效监测方法。通过平江抽水蓄能电站建设期应用，实践得出如下结论：

（1）利用多星协同技术进行平江抽水蓄能电站施工阶段多频次监测，可有效提取扰动面积、施工道路及水保措施等水保信息，扰动面积提取精度在95%以上，施工道路长度提取精度在95%以上，宽度提取精度在90%以上。

（2）利用多星协同技术进行水保管控，打破了传统监测方式局限性，提高了监测手段科技性，提升了监测结果时效性与精确性，可有效减少施工现场水土流失，进一步提升水土保持管理水平。