高分卫星遥感技术在特高压工程环保水保管理中的应用研究

宋继明，倪向萍，唐明利，李盈盈，冯金仓

（1.国家电网有限公司特高压建设分公司，北京 100050；2.山东诚信工程建设监理有限公司，山东 济南 250102）

0 引言

特高压输变电工程是当前我国跨大区流域输电、全国能源资源优化配置的主要能源通道，有输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少的显著优势（舒印彪，2005）。近几年，国家大力发展特高压输电项目，特高压输电工程点多、面广、线长，施工场地地形复杂，占用空间距离长、时间跨度大，且受限于线路通道走廊选择，部分区域不可避免的需要穿越环境、居住等敏感点，特别在房屋拆迁、树木砍伐、道路修筑、土地平整、材料运输等方面对环境扰动点位多，社会关注度高，环保水保管理管控难度大。以往输变电工程环保水保管理工作中，主要是通过管理人员频繁到现场检查，这样的方式过于依赖检查人员的素质和责任心，准确性差；现场状况信息更新周期长，且时间节点难以统一；人员、车辆投入大，经济性差。为此，在环保水保管理工作中引入先进科技技术手段以提高环保水保管理工作效率和效益势在必行。

目前，计算机技术、软件技术、通讯技术、信息技术、影像处理技术、人工智能技术等先进技术日新月异，卫星遥感技术便是综合其中部分技术而产生的综合性智能遥感技术，对比传统的监测技术，遥感技术具有无与伦比的优越性（陈安宁，2017）。而且，随着卫星遥感技术的不断发展和完善，这项技术被越来越多的应用在工程建设领域，也为利用卫星遥感技术进行环保水保和通道清理的监测、检查、验收等管理工作提供了一项很好的可供选择的先进技术手段。应用卫星遥感技术，可以使环保水保监测、检查、验收等管理工作从传统人工、事后管理为主转化为以智能、事中监管为主，实现环保水保监测数字化、可视化、智能化，为环保水保管理人员提供预判预警，为验收提供精准数字及过程影像，极大的提高了监理工作的效率及效益。

1 高分卫星遥感技术

卫星遥感技术是利用人造卫星收集地物目标的电磁辐射信息，以辨认地球环境和资源的技术，是航天遥感最为实用普遍的技术。高分卫星遥感技术便是综合遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等技术在内的空间信息技术，它是利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。目前国内多采用我国自主建立的卫星系统。

应用高分卫星遥感技术进行特高压输电工程监理，其工作原理是“卫星遥感影像采集处理”（黄来等，2020），主要包括两个方面，一是影像数据获取，二是遥感分析。遥感影像是遥感分析的基础，只有符合要求的遥感影像才能用于遥感分析。通过对采集的遥感影像进行一系列处理，使遥感影像与输变电实际线路向匹配，坐标一一对应，为遥感分析和研究做好数据基础。

影像数据获取主要是通过卫星系统获取项目所需的影像资料。遥感卫星影像的获取分为存档数据和编程数据两种。存档数据是卫星按照既定程序进行影像的拍摄和存储，当有需要时进行调取，这是历史数据。该影像容易获得，但时效性差，对时效要求不高的情况可以采用。编程数据是指根据需要，向卫星发出指令指定卫星在未来时间定点获取影像数据。卫星编程拍摄受卫星轨道忙碌、天气影响的因素很大，所以获取数据的时间比较久，一般获取周期需要2～3个月，要得到及时影像，需要提前预约，而且费用与已有存档卫星影像数据相比高很多。在实际应用中，可根据工程进展和需求，采用存档数据和编程数据结合的方式实施。

遥感分析是指通过解译标志建立、分类特征分析、遥感影像解译、解译对象的遥感提取与计算、形成解译报表等过程进行遥感影像解译，并对解译的数据采用专用软件进行分析，并与相关技术要求相对比，查找现场存在的问题，并予以解决。遥感影像解译一般由专业技术人员完成。

2 利用高分卫星遥感技术进行特高压输电工程的环保水保管理

2.1 应用范围

在输电线路工程建设中，可利用高分遥感的高分序列影像，在输变电工程施工的不同阶段，采集高分系列影像并通过遥感处理与分析，实现部分现场影像及数据资料的采集，以此协助环保水保管理工作的高效完成。在实际应用中，将根据工程进展和现场需求，采用存档数据和编程数据结合的方式获取数据。

利用遥感影像处理技术、波谱解译技术及影像对比库技术，对水保环保、通道清理等进行远程监测。同时，利用影像比对库技术，对环保水保各类面积、通道清理数量作出判别，以此辅助监理工作，并提高效率。具体应用范围如下：

（1）线路路径优化：遥感图片可以辨别出地质构造、山脉走向、河流水系、公路铁路交通线的现状，以及农田、林场等自然地貌状况。这些丰富的地理地貌信息对送电线路进行多方案路径优化选择有着极大的帮助（徐世泽和许琳，2011）。如此，在线路路径上可从根本上规避环保水保敏感点。

（2）环保水保方面：环境敏感区监控，施工过程中施工扰动面积、临时进场及材料运输道路的长度和宽度、塔材堆放调查、取弃土场面积情况，工程竣工验收阶段植被恢复等情况，竣工验收阶段动土地整治率、水土流失总治理度、林草植被恢复率和林草覆盖率，水土流失状况调查等。

（3）通道清理方面：房屋拆迁进度及迹地恢复完成情况，树木砍伐进度及完成情况，厂矿、企业等障碍设施拆迁情况的检查、验收。

（4）施工组织方面：预先采集现场地形、地貌、周边跨越物、临近建构筑物等基础性数据，在基础、组塔阶段可为材料堆放场、作业方式的选择在导地线架设阶段可为牵张场布设、跨越措施选择等提供支撑性参考资料。

（5）相关说明：本文重点针对在环保水保管理、线路通道清理等方面工作如何应用高分卫星遥感技术进行探讨。

2.2 高分系列卫星影像参数

我国2010年启动了高分辨率对地观测技术研究，是我国中长期研究重点支持的16个重大专项之一。2013年4月，国家高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的首发星“高分一号”成功发射，突破了高空间分辨率、多光谱高空间分辨率的光学遥感技术，全色片空间分辨率为2 m，多光谱空间分辨率为8 m，开启了我国高分辨率数据获取以及应用的先河（白照广，2013）。2014年8月，“高分二号”（GF-2）卫星成功发射，标志着我国遥感事业进入了一个新的“里程碑”，全色片空间分辨率达到0.81 m，多光谱分辨率达到3.24 m（崔恩慧等，2014；邱学雷，2014；云成，2014；东方星，2015），有效地提升了卫星综合观测效能（吴凯等，2018），均能满足输变电工程环保水保监管对影像空间分辨率的要求。考虑到云层遮挡、系统故障等对数据获取造成的影响，在影像采集时使用多源卫星联合应用，从而保证输变电线路的重访频次及全线覆盖。

高分遥感技术具有大范围、多频次、高清晰的优势，特别是国产高分一号、二号覆盖周期分别为41天、69天，分辨率可达2 m、0.8 m，可实现一年多次监测（姜德文，2016）。高分一号、高分二号以及其他高分系列卫星逐步进入我国环境保护的主体业务，全面提升我国环境监测的定量化和精细化水平，提高我国环境监测天地一体化能力，为我国的环境保护和管理工作提供重要技术支撑（赵少华等，2015）。目前，在特高压工程环保水保工作中常用的高分系列卫星影像参数详见表1。

表1 特高压工程环保水保常用高分系列卫星影像参数

2.3 操作流程

在线路遥感监理架构设计中，对采集工程沿线高分遥感影像进行前期预处理，处理的过程包括校正、影像融合、裁剪等方法。使用处理后的影像进行目视解译，并对监控对象划分为扰动区、临时进场道路、拆迁房屋、拆迁厂矿、取弃土场、料场选择、合理作业方式等类别，进行矢量化。为各类别监控对象赋予属性，如面积、长度、宽度等。具体操作流程如图1。

图1 线路遥感在项目管理中的技术路线

2.4 实施过程

采用高分遥感技术辅助现场环保水保管理工作，需结合技术要求和项目实际情况开展相关工作。目前国内利用卫星遥感技术一般通过具有相关资质和能力的科技公司获取，一般项目管理单位暂无相关资质和能力，需要和相关科技公司通过业务合作来实现相关数据的采集。

为此，在项目实施前，应首先选定相关科技公司并签署委托协议，明确委托事项和要求，主要包括：

（1）应对每基塔位环保水保状况和线路通道范围内清理情况在开工初期进行拍摄、处理、分析。

（2）拍摄照片清晰度满足分析需要；遥感解译精度误差控制在5%以内；环保水保遥感监测报告和通道清理检查、验收报告符合工作需要。

（3）明确遥感实施的周期，实现多期遥感影像的采集、处理、分析、存储，完成影像比对库建设。

在使用高分卫星遥感技术开展特高压输电工程环保水保管理工作前，应提前收集基础资料，主要是杆塔经纬度坐标等；同时收集环保水保和通道清理的管理要求等资料，作为该项工作的依据文件。

具体来讲，可在施工前、施工中和验收阶段利用高分卫星遥感技术开展项目管理工作，每个阶段的主要工作包括：

（1）施工前阶段工作：根据杆塔经纬度坐标，环保水保专项设计、通道清理清册等资料等采集高分遥感影像，解译该线路原始地貌类型，编写第一次遥感监测报告，作为后期项目验收的参照影像。由于该阶段对时间要求不高，可采用遥感卫星影像存档数据进行分析。

（2）施工阶段工作：在施工过程中应根据工程进展情况，定期采集高分遥感影像，主要解决环保水保方面的问题，采集施工过程中环境敏感区影响范围和状况、环境敏感区范围内新增进场道路状况、施工扰动面积、临时进场道路的长度和宽度、塔材堆放调查、取弃土场面积情况等。建议在基础、组塔、架线三个阶段各采集一次，并编制遥感监测报告。项目管理单位根据报告分析结果及时发出通知单，督促施工单位及时进行整改。基础阶段可采用遥感卫星影像存档数据进行分析，组塔、架线阶段采用遥感卫星影像编程数据进行分析，以提高工作时效性。

（3）验收阶段工作：输电线路竣工预验收阶段，进行遥感影像采集与处理，完成环保水保初检和通道清理验收工作，包括扰动土地整治率、林草覆盖率、林草植被恢复率指标计算、房屋拆迁、树木砍伐等，对于不符合验收标准的进行整改，提供影像解译分析报告，并编入验收初检验收报告，发出问题通知单，督促施工单位整改。鉴于该阶段对数据提供实效要求较高，需采用遥感卫星影像编程数据进行分析。

2.5 应用难点及注意事项

利用高分卫星开展特高压输电工程环保水保管理工作，由于客观因素影响也存在一些难点。

（1）实时性较差：高分卫星遥感影像分析流程多、数据量大、周期长，致使实时性差。如遥感卫星影像存档数据采用的是历史数据，一般是采集时点之前2～3个月的影像数据；遥感卫星影像编程数据则需要提前预约，需要对工程进展非常准确的预测，鉴于工程进度的不可预见性，这点也是很难做到的。为此，如何提高时效性，将是卫星遥感技术在工程中应用的一个难题。

（2）受天气影响大：卫星遥感监测最理想的情况是含云量为0%，项目在开展过程中发现，15%以下的含云量都是可以接受的。因此，阴雨、沙尘暴、雾等不良天气都会对遥感观测产生不利影响。

在利用高分卫星开展特高压输电工程环保水保管理工作中，为提高工作成效，需注意以下事项：

（1）基础资料的准确性：采用卫星遥感技术辅助输电线路现场环保水保管理工作需要提供准确的基础资料，杆塔经纬度坐标、通道拆迁砍伐清册的准确度直接影响使用效果。坐标不准确，将无法采取到所需位置的影像资料，导致分析结果无效；通道拆迁砍伐清册不准确，无法与采集的影像进行分析。

（2）影像资料采集的关键部位：影像资料的采集，应重点关注山区是否有挂渣现象、扰动面积过大部位、成片的树木、需拆迁的房屋及厂房等敏感因素。

（3）技术手段的综合性：根据工程监测的任务和要求，在技术手段上宜采用卫星遥感为主、抽样调查和地面调查、验证相结合的方法，发挥各自优势，求得总体功能上满足各项需要。

3 某工程应用实践

在山东某特高压线路工程环保水保管理工作中，已利用高分卫星遥感技术辅助现场环保水保管理工作（图2～3），分别在基础、组塔、架线及验收四个阶段各应用一次，目前，均已完成三个阶段的应用，总体应用情况较为理想。

图2 高分遥感影像施工扰动面积解译示例一

该段线路工程全长2 km×96.218 km，铁塔189基，主要地形为山区。该工程基础阶段的应用获取了以下成果：所有塔基区扰动面积总体统计、塔基区施工扰动超过4000 m2遥感解译、塔基区施工扰动面积超过3000 m2遥感解译、塔基区扰动面积逐个统计；临时施工道路统计、临时施工道路长度超过200 m解译、塔基临时施工道路长度逐个统计；房屋拆迁遥感解译等。所形成的监测报告直接用于现场环保水保管理工作，相关问题以通知单形式发往施工单位整改。

以上工作如采用传统检查方式，需一人一车至少要30天才能完成，且观察盲点多、不全面、误差大。而利用高分卫星遥感技术采集数据、处理数据并形成报告仅需10天左右，无需野外作业，观察数据精确、全面，有明确的数据依据。

由此可看出，与传统的人工实地监测相比，高分遥感技术具有如下优势：探测范围大，可以了解整个工程水保环保的整体状况；获取资料速度快、周期短；受地面条件限制少；减少了对人员工作态度和人员素质的依赖性；减少了人员、车辆的投入，既节约了开支也减少风险。

4 结论

高分卫星遥感技术为输电线路工程的水保环保、通道清理等项目管理工作提供了一种先进可靠的技术手段，并在实践中取得了良好的效果。

随着卫星遥感技术和信息处理技术的迅猛发展，由各种高、中、地轨道相结合，大、中、小卫星相协同，高、中、地分辨率相弥补而组成的对地观测系统，未来可对工程可进行多层、立体、多角度、全方位和全天候的监测，能够准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率的观测数据，且影像拍摄周期越来越短，时效性也越来越高。

综上所述，随着高分卫星遥感技术的进一步发展，在特高压输电线路工程项目管理工作中应用也将越来广泛，除在环保水保管理和通道清理验收方面的应用外，还将在工程本体的安全、质量检查和进度控制方面发挥一定作用，为特高压输电线路工程建设及项目管理工作提供更加高效的技术手段。