姚為方，華雪瑩，李雷娟，宋盼盼，劉新

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084）

關(guān)鍵字 天地一體化；衛(wèi)星遙感；無人機(jī)；環(huán)保水保

0 引言

輸變電工程屬于典型的線型工程，工程建設(shè)空間距離長，沿線地形地貌復(fù)雜，對地表擾動(dòng)點(diǎn)位多，環(huán)保水保問題易發(fā)，社會(huì)關(guān)注度高（張祥琴和王玲，2017）。而傳統(tǒng)環(huán)水保監(jiān)管手段存在越來越多的局限性，急需引入一種新的監(jiān)管手段來加強(qiáng)輸變電環(huán)水保監(jiān)管工作（王婷，2020）。

在國家推行“放管服”的大背景下，生態(tài)環(huán)境部及水利部加強(qiáng)了重點(diǎn)工程環(huán)水保全過程監(jiān)控。生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《全國生態(tài)保護(hù)“十三五”規(guī)劃綱要》，要求建立“天地一體化”的生態(tài)監(jiān)測體系；2015—2016年，水利部提出利用衛(wèi)星遙感等新技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管的“天地一體化”監(jiān)管思路，即利用衛(wèi)星遙感大范圍覆蓋、獲取資料速度快的特點(diǎn)，對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行普查，在普查結(jié)果分析基礎(chǔ)上有目的的組織重點(diǎn)項(xiàng)目的核查工作（李智廣和王敬貴，2016；曾麥脈等，2016）。同時(shí)，水利部在全國38個(gè)縣開展了以“天地一體化”技術(shù)為支撐的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管示范工作，形成“天地一體化”監(jiān)管首批示范成果；隨即又在珠江流域選擇30個(gè)部管項(xiàng)目作為“天地一體化”監(jiān)管推廣應(yīng)用試點(diǎn)（趙俊俠等，2019）。2019年，水利部印發(fā)了《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管體系規(guī)定（征求意見稿）》和《國家水土保持監(jiān)管規(guī)劃》（2018—2020年），要求以衛(wèi)星遙感解譯、無人機(jī)、現(xiàn)場核查、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集等方式，部署“天地一體化”監(jiān)管體系，對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目造成的水土流失實(shí)行全覆蓋監(jiān)管。

皖南山區(qū)是安徽省乃至全國地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，是崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，多年平均降雨量達(dá)到1200～2200 mm。由于皖南山區(qū)的地形地貌以及氣候特點(diǎn)，在輸變電建設(shè)過程中，極易發(fā)生水土流失問題，利用“天地一體化”技術(shù)開展安徽輸變電工程環(huán)水保監(jiān)管勢在必行。本研究基于皖南山區(qū)的特殊地理環(huán)境，以某輸變電工程為依托，研究“天地一體化”技術(shù)環(huán)水保監(jiān)管的可行性，以期為將來的皖南山區(qū)輸變電工程建設(shè)期環(huán)保水保標(biāo)準(zhǔn)的修訂和天地一體化技術(shù)體系推廣應(yīng)用提供一定的理論支持。

1 “天地一體化”技術(shù)體系

“天地一體化”技術(shù)體系即利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機(jī)遙感技術(shù)及現(xiàn)場核查相結(jié)合的環(huán)水保監(jiān)控體系。本文結(jié)合衛(wèi)星遙感、無人機(jī)及現(xiàn)場核查優(yōu)勢進(jìn)行“天地一體化”環(huán)水保監(jiān)控核查研究，具體包括衛(wèi)星遙感普查、無人機(jī)詳查和現(xiàn)場核查。首先利用衛(wèi)星遙感對輸變電工程線路進(jìn)行全線普查，定位線路中環(huán)水保問題區(qū)域，解譯環(huán)水保問題；在衛(wèi)星遙感環(huán)水保普查基礎(chǔ)上，通過無人機(jī)對重點(diǎn)區(qū)域詳查，包括輸變電工程線路途經(jīng)的生態(tài)敏感區(qū)、山地丘陵區(qū)以及經(jīng)遙感核查環(huán)境保護(hù)及水土保持問題嚴(yán)重的區(qū)域；最后通過派遣專業(yè)環(huán)水保人員到現(xiàn)場核驗(yàn)抽查發(fā)現(xiàn)的環(huán)水保問題是否整改完成。“天地一體化”技術(shù)優(yōu)勢如下：（1）探測范圍大、獲取資料速度快、獲取信息多；（2）重復(fù)觀測性強(qiáng)；（3）不受地形區(qū)域限制；（4）能識別山丘區(qū)擋土墻、排水溝等工程措施以及臨時(shí)攔擋等臨時(shí)措施；（5）可抽查表土剝離、較為隱蔽的溜坡、水土流失風(fēng)險(xiǎn)等環(huán)水保問題。

1.1 衛(wèi)星遙感普查

衛(wèi)星遙感在“天地一體化”技術(shù)體系中負(fù)責(zé)天基部分，主要用于輸變電工程全過程、全區(qū)域環(huán)水保信息普查工作（陳樹華和吳國峰，2017）。衛(wèi)星普查內(nèi)容包括：建設(shè)階段塔基區(qū)施工擾動(dòng)情況、溜坡溜渣情況、線路及站址橫移距離統(tǒng)計(jì)、線路穿越環(huán)境敏感區(qū)情況等信息，驗(yàn)收階段擾動(dòng)恢復(fù)情況、房屋拆遷完成情況及拆遷后跡地恢復(fù)情況等信息（蔡建楠等，2018）。并結(jié)合工程環(huán)評報(bào)告、水保方案對施工擾動(dòng)的合規(guī)性、是否涉及重大變更情況等進(jìn)行分析，判斷工程可能涉及的環(huán)水保問題?！案叻帧毕盗行l(wèi)星是近年來我國中長期研究重點(diǎn)支持的16個(gè)重大專項(xiàng)之一。高分一號衛(wèi)星（GF-1）于2013年4月成功發(fā)射，開啟了我國高分辨率數(shù)據(jù)獲取以及應(yīng)用的先河，它包括全色片和多光譜影像，其中，全色片空間分辨率為2 m，多光譜空間分辨率為8 m（白照廣，2013）。2018年4月，我國成功發(fā)射高分一號的02、03、04號三顆衛(wèi)星，構(gòu)成我國首個(gè)民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座，性能比01號星有了很大的提升。高分二號衛(wèi)星（GF-2）于2014年8月成功發(fā)射，標(biāo)志著我國遙感事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的“里程碑”，是我國自主研制的首顆空間分辨優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，其全色片空間分辨率可達(dá)0.81 m，多光譜分辨率可達(dá)3.24 m（潘騰等，2015）。在國內(nèi)輸變電工程環(huán)水保監(jiān)管方面，目前主要以國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星GF-1系列、GF-2為主。

1.2 無人機(jī)詳查

無人機(jī)在“天地一體化”技術(shù)體系中擔(dān)任空基部分角色，根據(jù)衛(wèi)星遙感普查階段發(fā)現(xiàn)的環(huán)水保問題選取重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)詳查工作。無人機(jī)詳查內(nèi)容包括：施工階段采集塔基施工區(qū)環(huán)水保措施落實(shí)情況、施工道路擾動(dòng)情況、站區(qū)內(nèi)的邊坡、站外排水管線等擾動(dòng)頻繁或潛在水土流失隱患較大的區(qū)域信息等（楊曉娟等，2020），驗(yàn)收階段擾動(dòng)恢復(fù)情況、植被覆蓋情況等信息（楊玲等，2020）。同時(shí)對遙感普查階段發(fā)現(xiàn)的疑似環(huán)水保問題進(jìn)行核實(shí)，重點(diǎn)結(jié)合工程環(huán)評報(bào)告、水保方案對環(huán)水保措施落實(shí)、已發(fā)現(xiàn)問題整改情況進(jìn)行分析（楊力華等，2020）。

在輸變電工程環(huán)水保監(jiān)管工作中，以固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)為主，參數(shù)如表1。

表1 固定翼和多旋翼無人機(jī)基本參數(shù)

1.3 現(xiàn)場核查

現(xiàn)場核查在“天地一體化”技術(shù)體系中負(fù)責(zé)地基部分，同樣是環(huán)水保監(jiān)管工作不可或缺的部分。在前兩步基礎(chǔ)上，派遣專業(yè)人員對環(huán)水保存在問題較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行人工現(xiàn)場核驗(yàn)抽查，主要負(fù)責(zé)采集并記錄工程建設(shè)期的環(huán)水保信息，核實(shí)衛(wèi)星遙感普查與無人機(jī)詳查發(fā)現(xiàn)的環(huán)水保問題。

2 數(shù)據(jù)處理

衛(wèi)星因?yàn)樘鞖?、傳感器、地形等因素的影響，得到的影像存在著傳感器誤差、幾何畸變和坐標(biāo)誤差等一些問題（趙英時(shí)，2003）。因此，需要對獲取得到的遙感柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提高衛(wèi)星遙感技術(shù)對環(huán)保水保監(jiān)測的精度。遙感影像技術(shù)處理包括大氣校正、正射校正、數(shù)據(jù)融合、影像增強(qiáng)等方式（李國和等，2021），其處理流程如圖1所示。

圖1 影像技術(shù)處理流程

由于輸變電工程塔基數(shù)量眾多，需要遙感解譯的環(huán)水保地物種類較多，在自動(dòng)解譯效率高的基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)交互解譯準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢，采用自動(dòng)解譯+人機(jī)交互解譯相結(jié)合的方式進(jìn)行解譯，再結(jié)合GIS幾何計(jì)算，可以準(zhǔn)確獲取擾動(dòng)面積與施工道路長寬。

3 應(yīng)用分析

本文以安徽省某輸變電工程為依托，將“天地一體化”技術(shù)應(yīng)用于輸變電工程環(huán)水保監(jiān)管核查。以塔基施工擾動(dòng)、塔基溜坡溜渣、施工道路擾動(dòng)及環(huán)水保措施為監(jiān)管對象，進(jìn)行詳細(xì)分析，研究“天地一體化”技術(shù)方法在輸變電工程環(huán)水保監(jiān)控核查中的可靠性。

3.1 塔基施工擾動(dòng)分析

塔基是輸變電工程建設(shè)的基礎(chǔ)單位，其擾動(dòng)范圍是否超出已批復(fù)的水土流失防治責(zé)任范圍嚴(yán)重影響著工程的順利施工。因此，在輸變電工程建設(shè)過程中對塔基施工擾動(dòng)面積進(jìn)行及時(shí)監(jiān)管，保障環(huán)保水保順利驗(yàn)收具有重要意義。以某山丘區(qū)塔基為例，通過衛(wèi)星遙感普查和無人機(jī)詳查，并現(xiàn)場測量，結(jié)果如圖2、表2所示。。

表2 塔基擾動(dòng)面積評價(jià)結(jié)果

圖2 塔基施工擾動(dòng)識別結(jié)果

目前衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段主要應(yīng)用于特高壓輸變電線路，如洪倩等（2019）針對特高壓線路，利用高分二號衛(wèi)星遙感影像，進(jìn)行塔基施工擾動(dòng)面積提取，提取精度可以達(dá)到88%以上；吳凱等（2018）針對特高壓線路，提取衛(wèi)星遙感影像塔基施工擾動(dòng)面積，擾動(dòng)區(qū)提取率為65.2%，提取精度同樣可以達(dá)到88%以上。本文將天地一體化技術(shù)應(yīng)用于超高壓輸變電工程，在拓展衛(wèi)星遙感在輸變電工程的應(yīng)用范圍的同時(shí)，對環(huán)水保信息獲取的準(zhǔn)確度與時(shí)效性進(jìn)行分析研判。

針對該輸變電工程不同桿塔，以現(xiàn)場量測面積為基準(zhǔn)，對衛(wèi)星遙感與無人機(jī)解譯得到的擾動(dòng)面積進(jìn)行精度評估。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，衛(wèi)星遙感解譯的擾動(dòng)結(jié)果精度與無人機(jī)提取結(jié)果精度相當(dāng)，衛(wèi)星遙感解譯平均精度為94%，達(dá)到85%以上，無人機(jī)解譯精度為97.1%，達(dá)到95%以上。由于分辨率差異，無人機(jī)提取結(jié)果更接近實(shí)際情況。個(gè)別塔基的衛(wèi)星遙感提取結(jié)果誤差偏大，主要原因在于塔基周邊茂密植被的遮擋（孫娜等，2017），使得施工區(qū)邊界不明晰，但誤差范圍仍控制在15%以內(nèi)。綜上，基于衛(wèi)星遙感進(jìn)行塔基施工擾動(dòng)面積提取，精度可以滿足監(jiān)管工作要求。

3.2 施工道路分析

塔基修建過程中，不可避免地需要修建施工道路，山丘區(qū)施工道路的修建，往往容易造成現(xiàn)狀植被的破壞，產(chǎn)生水土流失，水土保持方案對施工道路的長度和寬度有限定要求，因此，有必要對施工道路進(jìn)行監(jiān)管（胡玉杰和屈創(chuàng)，2019）。本研究通過衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙測技術(shù)對某塔基施工道路進(jìn)行初步測量后，通過人工現(xiàn)場量測進(jìn)行復(fù)核（圖3）。

圖3 施工道路解譯

當(dāng)前，針對輸變電工程施工中新增施工道路，利用衛(wèi)星遙感影像，提取施工道路，對于較寬道路，提取效果理想，而較窄道路，提取效果不理想（陳岳和宋盼盼，2019；王天宇等；2020）。本研究利用天地一體化技術(shù)進(jìn)行輸變電工程塔基施工道路環(huán)水保信息監(jiān)管，針對較窄道路，可通過無人機(jī)詳查獲取環(huán)水保信息。根據(jù)衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、現(xiàn)場量測的施工道路長寬統(tǒng)計(jì)結(jié)果，衛(wèi)星遙感解譯的結(jié)果精度與無人機(jī)提取結(jié)果精度相當(dāng)，衛(wèi)星遙感長度提取平均精度為96.07%，寬度提取平均精度為88.5%；無人機(jī)長度提取平均精度為98.01%，寬度提取平均精度為92.48%（表3，表4）?？梢钥闯?，由于分辨率差異，無人機(jī)提取結(jié)果更接近實(shí)際情況。由于植被遮擋、邊界分辨率等因素，衛(wèi)星遙感提取的道路寬度整體偏小，但誤差范圍在20%以內(nèi)。綜上，基于衛(wèi)星遙感進(jìn)行施工道路長度、寬度提取，精度可以滿足監(jiān)管工作要求。

表3 臨時(shí)施工道路長度提取結(jié)果精度對比表

表4 臨時(shí)施工道路寬度提取結(jié)果精度對比表

3.3 溜坡溜渣分析

位于山丘區(qū)的塔基在施工過程中若水保措施采取不及時(shí)或不到位，易造成溜坡溜渣，引發(fā)水土流失，影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境（任婧宇等，2020）。對已經(jīng)出現(xiàn)的重大溜坡溜渣應(yīng)當(dāng)予以特別關(guān)注，督促整改，以免擾動(dòng)加劇。本研究利用遙感影像對塔基施工區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合谷歌三維地形圖，發(fā)現(xiàn)某塔基施工擾動(dòng)向低地勢區(qū)延伸外擴(kuò)，疑似溜坡溜渣。然后利用無人機(jī)詳查與現(xiàn)場核查，發(fā)現(xiàn)該延伸外擴(kuò)擾動(dòng)區(qū)表面散亂堆放碎石碎渣，邊緣處呈不規(guī)則形狀，確認(rèn)了該處溜坡（圖4）。綜上，通過衛(wèi)星遙感可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑似溜坡溜渣問題，再經(jīng)過無人機(jī)影像加以確認(rèn)，可提前發(fā)現(xiàn)確已發(fā)生的溜坡溜渣情況，及時(shí)治理整改，以保證工程整體最終順利通過水保驗(yàn)收。

圖4 溜坡溜渣解譯

3.4 環(huán)水保措施分析

山丘區(qū)塔基在施工建設(shè)期易發(fā)生水土流失，因此，是無人機(jī)詳查重點(diǎn)區(qū)域。為避免可能存在的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，對于施工過程中產(chǎn)生的碎石碎渣在運(yùn)出場外以前需進(jìn)行合理歸置，在具有一定坡度的地區(qū)需設(shè)置擋土墻。由于工程體量及分辨率差異，上述工程措施在衛(wèi)星遙感影像中不容易被辨識，而通過無人機(jī)航攝可以準(zhǔn)確識別出擋土墻、排水溝、臨時(shí)攔擋等環(huán)水保措施，以及在驗(yàn)收前施工擾動(dòng)區(qū)土地平整、植被恢復(fù)情況核查等（肖武等，2017）。針對無人機(jī)核查的環(huán)水保措施，人工進(jìn)行抽查驗(yàn)證。以某塔基擋土墻為例進(jìn)行說明，如圖5所示，該塔基位于山丘區(qū)，通過無人機(jī)航攝發(fā)現(xiàn)塔基周邊已設(shè)置了擋土墻，并人工現(xiàn)場核查證實(shí)了該結(jié)果。

圖5 擋土墻解譯

綜上所述，將“天地一體化”技術(shù)應(yīng)用輸變電工程環(huán)水保監(jiān)管，可有效獲取塔基施工擾動(dòng)、施工道路、溜坡溜渣情況、環(huán)水保措施等信息，有效減少現(xiàn)場人工檢查的人員車輛投入，有效預(yù)防并及早解決環(huán)境破壞和水土流失情況，節(jié)約應(yīng)急處置人力物力；同時(shí)造福工程沿線居民，具有較好的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文基于衛(wèi)星遙感、無人機(jī)及現(xiàn)場核查技術(shù)優(yōu)勢，研究“天地一體化”技術(shù)體系在安徽輸變電工程環(huán)水保核查中的可靠性。應(yīng)用分析結(jié)果表明，通過“天地一體化”進(jìn)行遠(yuǎn)程環(huán)水保監(jiān)管，在打破了傳統(tǒng)監(jiān)管方式的同時(shí)，可以確保獲取相關(guān)信息的高效性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)、不留死角，過程管控有據(jù)有依，有效減少施工現(xiàn)場環(huán)境事件和水土流失情況，實(shí)現(xiàn)參建單位現(xiàn)場工作減負(fù)，進(jìn)一步提升環(huán)水保管理水平。