“天地一体化”技术在安徽输变电工程环水保监管核查中可靠性分析

姚为方，华雪莹，李雷娟，宋盼盼，刘新

（1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.紫光软件系统有限公司，北京 100084）

关键字 天地一体化；卫星遥感；无人机；环保水保

0 引言

输变电工程属于典型的线型工程，工程建设空间距离长，沿线地形地貌复杂，对地表扰动点位多，环保水保问题易发，社会关注度高（张祥琴和王玲，2017）。而传统环水保监管手段存在越来越多的局限性，急需引入一种新的监管手段来加强输变电环水保监管工作（王婷，2020）。

在国家推行“放管服”的大背景下，生态环境部及水利部加强了重点工程环水保全过程监控。生态环境部印发了《全国生态保护“十三五”规划纲要》，要求建立“天地一体化”的生态监测体系；2015—2016年，水利部提出利用卫星遥感等新技术进行生产建设项目水土保持监管的“天地一体化”监管思路，即利用卫星遥感大范围覆盖、获取资料速度快的特点，对生产建设项目进行普查，在普查结果分析基础上有目的的组织重点项目的核查工作（李智广和王敬贵，2016；曾麦脉等，2016）。同时，水利部在全国38个县开展了以“天地一体化”技术为支撑的生产建设项目监管示范工作，形成“天地一体化”监管首批示范成果；随即又在珠江流域选择30个部管项目作为“天地一体化”监管推广应用试点（赵俊侠等，2019）。2019年，水利部印发了《生产建设项目水土保持“天地一体化”监管体系规定（征求意见稿）》和《国家水土保持监管规划》（2018—2020年），要求以卫星遥感解译、无人机、现场核查、移动数据采集等方式，部署“天地一体化”监管体系，对生产建设项目造成的水土流失实行全覆盖监管。

皖南山区是安徽省乃至全国地质灾害最严重的地区之一，是崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的高发区，多年平均降雨量达到1200～2200 mm。由于皖南山区的地形地貌以及气候特点，在输变电建设过程中，极易发生水土流失问题，利用“天地一体化”技术开展安徽输变电工程环水保监管势在必行。本研究基于皖南山区的特殊地理环境，以某输变电工程为依托，研究“天地一体化”技术环水保监管的可行性，以期为将来的皖南山区输变电工程建设期环保水保标准的修订和天地一体化技术体系推广应用提供一定的理论支持。

1 “天地一体化”技术体系

“天地一体化”技术体系即利用卫星遥感技术、无人机遥感技术及现场核查相结合的环水保监控体系。本文结合卫星遥感、无人机及现场核查优势进行“天地一体化”环水保监控核查研究，具体包括卫星遥感普查、无人机详查和现场核查。首先利用卫星遥感对输变电工程线路进行全线普查，定位线路中环水保问题区域，解译环水保问题；在卫星遥感环水保普查基础上，通过无人机对重点区域详查，包括输变电工程线路途经的生态敏感区、山地丘陵区以及经遥感核查环境保护及水土保持问题严重的区域；最后通过派遣专业环水保人员到现场核验抽查发现的环水保问题是否整改完成。“天地一体化”技术优势如下：（1）探测范围大、获取资料速度快、获取信息多；（2）重复观测性强；（3）不受地形区域限制；（4）能识别山丘区挡土墙、排水沟等工程措施以及临时拦挡等临时措施；（5）可抽查表土剥离、较为隐蔽的溜坡、水土流失风险等环水保问题。

1.1 卫星遥感普查

卫星遥感在“天地一体化”技术体系中负责天基部分，主要用于输变电工程全过程、全区域环水保信息普查工作（陈树华和吴国峰，2017）。卫星普查内容包括：建设阶段塔基区施工扰动情况、溜坡溜渣情况、线路及站址横移距离统计、线路穿越环境敏感区情况等信息，验收阶段扰动恢复情况、房屋拆迁完成情况及拆迁后迹地恢复情况等信息（蔡建楠等，2018）。并结合工程环评报告、水保方案对施工扰动的合规性、是否涉及重大变更情况等进行分析，判断工程可能涉及的环水保问题。“高分”系列卫星是近年来我国中长期研究重点支持的16个重大专项之一。高分一号卫星（GF-1）于2013年4月成功发射，开启了我国高分辨率数据获取以及应用的先河，它包括全色片和多光谱影像，其中，全色片空间分辨率为2 m，多光谱空间分辨率为8 m（白照广，2013）。2018年4月，我国成功发射高分一号的02、03、04号三颗卫星，构成我国首个民用高分辨率光学业务星座，性能比01号星有了很大的提升。高分二号卫星（GF-2）于2014年8月成功发射，标志着我国遥感事业进入了一个新的“里程碑”，是我国自主研制的首颗空间分辨优于1 m的民用光学遥感卫星，其全色片空间分辨率可达0.81 m，多光谱分辨率可达3.24 m（潘腾等，2015）。在国内输变电工程环水保监管方面，目前主要以国产高分辨率卫星GF-1系列、GF-2为主。

1.2 无人机详查

无人机在“天地一体化”技术体系中担任空基部分角色，根据卫星遥感普查阶段发现的环水保问题选取重点区域进行无人机详查工作。无人机详查内容包括：施工阶段采集塔基施工区环水保措施落实情况、施工道路扰动情况、站区内的边坡、站外排水管线等扰动频繁或潜在水土流失隐患较大的区域信息等（杨晓娟等，2020），验收阶段扰动恢复情况、植被覆盖情况等信息（杨玲等，2020）。同时对遥感普查阶段发现的疑似环水保问题进行核实，重点结合工程环评报告、水保方案对环水保措施落实、已发现问题整改情况进行分析（杨力华等，2020）。

在输变电工程环水保监管工作中，以固定翼无人机和多旋翼无人机为主，参数如表1。

表1 固定翼和多旋翼无人机基本参数

1.3 现场核查

现场核查在“天地一体化”技术体系中负责地基部分，同样是环水保监管工作不可或缺的部分。在前两步基础上，派遣专业人员对环水保存在问题较为严重的区域进行人工现场核验抽查，主要负责采集并记录工程建设期的环水保信息，核实卫星遥感普查与无人机详查发现的环水保问题。

2 数据处理

卫星因为天气、传感器、地形等因素的影响，得到的影像存在着传感器误差、几何畸变和坐标误差等一些问题（赵英时，2003）。因此，需要对获取得到的遥感栅格数据进行预处理，以提高卫星遥感技术对环保水保监测的精度。遥感影像技术处理包括大气校正、正射校正、数据融合、影像增强等方式（李国和等，2021），其处理流程如图1所示。

图1 影像技术处理流程

由于输变电工程塔基数量众多，需要遥感解译的环水保地物种类较多，在自动解译效率高的基础上，结合人机交互解译准确度高的优势，采用自动解译+人机交互解译相结合的方式进行解译，再结合GIS几何计算，可以准确获取扰动面积与施工道路长宽。

3 应用分析

本文以安徽省某输变电工程为依托，将“天地一体化”技术应用于输变电工程环水保监管核查。以塔基施工扰动、塔基溜坡溜渣、施工道路扰动及环水保措施为监管对象，进行详细分析，研究“天地一体化”技术方法在输变电工程环水保监控核查中的可靠性。

3.1 塔基施工扰动分析

塔基是输变电工程建设的基础单位，其扰动范围是否超出已批复的水土流失防治责任范围严重影响着工程的顺利施工。因此，在输变电工程建设过程中对塔基施工扰动面积进行及时监管，保障环保水保顺利验收具有重要意义。以某山丘区塔基为例，通过卫星遥感普查和无人机详查，并现场测量，结果如图2、表2所示。。

表2 塔基扰动面积评价结果

图2 塔基施工扰动识别结果

目前卫星遥感监测手段主要应用于特高压输变电线路，如洪倩等（2019）针对特高压线路，利用高分二号卫星遥感影像，进行塔基施工扰动面积提取，提取精度可以达到88%以上；吴凯等（2018）针对特高压线路，提取卫星遥感影像塔基施工扰动面积，扰动区提取率为65.2%，提取精度同样可以达到88%以上。本文将天地一体化技术应用于超高压输变电工程，在拓展卫星遥感在输变电工程的应用范围的同时，对环水保信息获取的准确度与时效性进行分析研判。

针对该输变电工程不同杆塔，以现场量测面积为基准，对卫星遥感与无人机解译得到的扰动面积进行精度评估。根据统计结果，卫星遥感解译的扰动结果精度与无人机提取结果精度相当，卫星遥感解译平均精度为94%，达到85%以上，无人机解译精度为97.1%，达到95%以上。由于分辨率差异，无人机提取结果更接近实际情况。个别塔基的卫星遥感提取结果误差偏大，主要原因在于塔基周边茂密植被的遮挡（孙娜等，2017），使得施工区边界不明晰，但误差范围仍控制在15%以内。综上，基于卫星遥感进行塔基施工扰动面积提取，精度可以满足监管工作要求。

3.2 施工道路分析

塔基修建过程中，不可避免地需要修建施工道路，山丘区施工道路的修建，往往容易造成现状植被的破坏，产生水土流失，水土保持方案对施工道路的长度和宽度有限定要求，因此，有必要对施工道路进行监管（胡玉杰和屈创，2019）。本研究通过卫星遥感和无人机遥测技术对某塔基施工道路进行初步测量后，通过人工现场量测进行复核（图3）。

图3 施工道路解译

当前，针对输变电工程施工中新增施工道路，利用卫星遥感影像，提取施工道路，对于较宽道路，提取效果理想，而较窄道路，提取效果不理想（陈岳和宋盼盼，2019；王天宇等；2020）。本研究利用天地一体化技术进行输变电工程塔基施工道路环水保信息监管，针对较窄道路，可通过无人机详查获取环水保信息。根据卫星遥感、无人机、现场量测的施工道路长宽统计结果，卫星遥感解译的结果精度与无人机提取结果精度相当，卫星遥感长度提取平均精度为96.07%，宽度提取平均精度为88.5%；无人机长度提取平均精度为98.01%，宽度提取平均精度为92.48%（表3，表4）。可以看出，由于分辨率差异，无人机提取结果更接近实际情况。由于植被遮挡、边界分辨率等因素，卫星遥感提取的道路宽度整体偏小，但误差范围在20%以内。综上，基于卫星遥感进行施工道路长度、宽度提取，精度可以满足监管工作要求。

表3 临时施工道路长度提取结果精度对比表

表4 临时施工道路宽度提取结果精度对比表

3.3 溜坡溜渣分析

位于山丘区的塔基在施工过程中若水保措施采取不及时或不到位，易造成溜坡溜渣，引发水土流失，影响当地生态环境（任婧宇等，2020）。对已经出现的重大溜坡溜渣应当予以特别关注，督促整改，以免扰动加剧。本研究利用遥感影像对塔基施工区域进行监控，结合谷歌三维地形图，发现某塔基施工扰动向低地势区延伸外扩，疑似溜坡溜渣。然后利用无人机详查与现场核查，发现该延伸外扩扰动区表面散乱堆放碎石碎渣，边缘处呈不规则形状，确认了该处溜坡（图4）。综上，通过卫星遥感可以及时发现疑似溜坡溜渣问题，再经过无人机影像加以确认，可提前发现确已发生的溜坡溜渣情况，及时治理整改，以保证工程整体最终顺利通过水保验收。

图4 溜坡溜渣解译

3.4 环水保措施分析

山丘区塔基在施工建设期易发生水土流失，因此，是无人机详查重点区域。为避免可能存在的水土流失风险，对于施工过程中产生的碎石碎渣在运出场外以前需进行合理归置，在具有一定坡度的地区需设置挡土墙。由于工程体量及分辨率差异，上述工程措施在卫星遥感影像中不容易被辨识，而通过无人机航摄可以准确识别出挡土墙、排水沟、临时拦挡等环水保措施，以及在验收前施工扰动区土地平整、植被恢复情况核查等（肖武等，2017）。针对无人机核查的环水保措施，人工进行抽查验证。以某塔基挡土墙为例进行说明，如图5所示，该塔基位于山丘区，通过无人机航摄发现塔基周边已设置了挡土墙，并人工现场核查证实了该结果。

图5 挡土墙解译

综上所述，将“天地一体化”技术应用输变电工程环水保监管，可有效获取塔基施工扰动、施工道路、溜坡溜渣情况、环水保措施等信息，有效减少现场人工检查的人员车辆投入，有效预防并及早解决环境破坏和水土流失情况，节约应急处置人力物力；同时造福工程沿线居民，具有较好的生态、社会、经济效益。

4 结语

本文基于卫星遥感、无人机及现场核查技术优势，研究“天地一体化”技术体系在安徽输变电工程环水保核查中的可靠性。应用分析结果表明，通过“天地一体化”进行远程环水保监管，在打破了传统监管方式的同时，可以确保获取相关信息的高效性和准确性，实现现场问题及时发现、不留死角，过程管控有据有依，有效减少施工现场环境事件和水土流失情况，实现参建单位现场工作减负，进一步提升环水保管理水平。