空天地一體化技術在某電站水土保持監測中的應用

陸 斌，曹偉剛

（1.商洛市水土保持工作站，陜西 商洛 726000；2.漢中市科技資源統籌中心，陜西 漢中 723108）

水土保持監測新技術是隨著科學技術的進步而逐漸發展起來的。推進水土保持數字化、網絡化、智能化，加快推進智慧模式構建，是提升水土保持監管能力現代化水平的重要途徑。某電站工程占地范圍大、施工周期長，易引起水土流失的環節眾多，傳統水土保持監測手段無法滿足大范圍監測需求，亟需引入一種新的技術手段進行水土流失超標預警管控。

1 概況

某水電站壩址位于金沙江中游。該水電站為大（1）型一等工程，總庫容22.5 億m3，調節庫容5.55 億m3，防洪庫容5.42 億m3，裝機容量為3 000 MW[1]。水土保持方案確定的工程防治責任范圍為6 213.19 hm2。項目區屬西南土石山區，以水力侵蝕為主，水土流失允許值為500 t/（km2·a），水土流失強度為輕度—強度，以輕度為主，平均土壤侵蝕模數為1 520 t/（km2·a）。土壤主要有紅壤、紫色土、沖積土、水稻土、燥紅土等幾類。庫區屬河谷熱性植被帶，林草覆蓋率約53%。結合工程實際情況和水土保持監測有關規程規范要求，工程建設期水土保持監測的重點位置為樞紐工程區、場區道路工程區、存棄渣場區，監測重點時段為各項工程的施工期及植被恢復期，共布設監測點62個，其中調查型監測點48個、觀測型監測點14個。

2 水土保持監測信息化技術應用

2.1 空天地一體化監測技術特點

空天地一體化監測技術是指利用現代信息技術和科技手段，從空、天、地3個角度進行監測，具體到水土保持監測工作，就是利用高分遙感、無人機及地面監測等相結合的空天地一體化監測技術，對生產建設項目水土流失防治責任范圍、擾動地表面積、表土保護、棄渣場的設置、水土保持措施實施等情況適時監控[2]。該技術因為監測范圍廣、覆蓋面大、不受地面交通限制、重訪周期短、成像分辨率高等特點，廣受歡迎。綜合考慮該水電站施工擾動面廣點多、開挖方量大的特點，本次在采用地面監測基礎上，運用高分遙感和無人機技術對項目水土流失狀況、水土保持措施防治效果和水土流失危害情況等進行實時監控。實際工作中，注重運用無人機和移動終端進行現場檢查，準確掌握項目防治責任范圍、棄土（渣）場位置及棄土（渣）量等重點環節的現場核定，及時優化治理措施的空間配置。

2.2 遙感監測

本項目水土保持遙感監測主要是針對工程施工前、施工過程中、施工后等階段防治責任范圍內的土地利用類型變化、土壤侵蝕度、植被覆蓋度情況進行遙感監測[3]，對比分析施工過程對監測區域的影響以及工程結束后的恢復治理情況，及時監控項目水土流失狀況和水土保持措施防治效果。

2.2.1 影像獲取

為了更好地監測水電站建設對水土保持情況的影響，選取施工前（2010 年）、施工中（2013 年）、施工后期（2017、2020 年）的遙感影像。其中，2010 年選用ALOS 衛星影像，2013、2017 年選取高分一號衛星影像，2020 年選取資源三號衛星影像。在進行遙感圖像處理前，還需要進行影像預處理，主要利用ENVI 軟件等對影像進行輻射校正、大氣校正、正射校正、影像融合。

2.2.2 信息提取

遙感影像解譯前，根據監測內容、遙感影像分辨率、時相、色調、幾何特征、影像處理方法、外業調查等建立遙感解譯標志[4]。如該水電站的耕地部分，外業調查記錄為收割后的玉米地，對應直接解譯標志色調為棕色、形狀為規則片狀或塊狀、結構為表面較平整，間接解譯標志為道路的閉合區。利用Arc-GIS 軟件，解譯提取林地、草地、耕地、建筑用地、未利用地、水域、道路7種土地利用類型。

本次植被覆蓋度提取主要利用ENVI 軟件和ArcGIS 軟件，通過利用近紅外波段和可見光紅波段計算得到歸一化植被指數，并經過現場調查率定指數與實際蓋度關系，計算得到植被覆蓋度。地面坡度是水力侵蝕面蝕方式強度分級的主要指標之一，利用ArcGIS 軟件獲取影響區坡度信息。同時，結合土地利用矢量數據、植被指數柵格數據和坡度柵格數據，計算土壤侵蝕強度。

2.3 無人機航拍監測

本項目重點對水電站樞紐工程區、場內道路區、存棄渣場區、施工營地等實施定期航拍監測，實時獲取各分區開挖填筑狀況、水土保持措施布設情況及水土流失影響情況。無人機技術具有較快的反應速度、較高的空間分辨率、便捷的攜帶方式、自動化的工作流程等優點。

根據項目區正射影像判讀，樞紐區內施工較為規范，無較大水土流失危害，沒有對周邊環境產生影響。存在水土流失隱患的是存棄渣場及表土堆存場，建設單位均采取了臨時苫蓋、撒播草籽等措施進行防護，有效地避免了降雨沖刷。通過無人機獲取的高精度正射影像，監測單位精準地識別水土流失危害的潛在發生位置、面積、程度。利用無人機開展遙感監測能獲取正射影像，監測無死角，能有效地解決現場調查不能實現全域有效監測的難題，從而對現場水土流失情況實現精準掌控。無人機遙感監測技術能極大地提高監測工作的效率和精度，在擾動情況、土石方、水土流失危害等方面均可實現有效監測。

2.4 地面監測

監測工作組通過定期開展地面監測，進一步復核和補充遙感監測和無人機航拍成果。現場采取全面調查的方式，采用GPS定位儀結合地形圖、數碼相機、測距儀、測高儀、標桿和尺子等工具[5]，測定樞紐工程區、場內道路區、存棄渣場區等不同分區的地表擾動類型和不同類型的面積。對照影像資料，重點監控每個擾動類型區的基本特征（特別是堆渣和開挖面坡長、坡度、巖土類型）及水土保持措施（攔擋工程、護坡工程和土地整治工程等）實施情況。對施工期和運行初期進行定位監測，側重于施工期土壤流失量動態監測和運行初期的土壤流失量監測。在工程施工建設過程中和林草植被恢復期，對整個建設期的全部區域開展巡查，重點監測水土流失危害和重大水土流失事件等內容。

3 監測結果分析

3.1 監測結果

3.1.1 擾動面積

通過遙感動態監測和地面監測，結合項目實際，最終確定工程建設區實際地表擾動范圍為樞紐工程區、場內交通工程區、存棄渣場區、料場區、施工輔助設施區。電站建成后，料場（含棄料堆場）交回繼續開采和使用。水庫淹沒區、水庫淹沒影響處理區在工程蓄水后變為水域，不納入地表擾動范圍。對本次遙感監測結果的復核，主要采取查閱國土批復文件及征占地資料，結合典型區域現場量測進行；對臨時占地主要依據工程施工圖設計和征占地資料，同時結合現場調查和回訪綜合確定。擾動面積監測結果為樞紐工程區101.07 hm2，場內交通工程區110.46 hm2，施工輔助設施區94.41 hm2，存棄渣場區198.75 hm2，料場區45.96 hm2。對比遙感圖像和統計數據，該水電站擾動面積變化主要發生在2011—2012年，2013年后擾動區域基本穩定。

根據擾動后的水土流失特點，結合遙感航拍圖像，對該水電站的地表擾動進行分類，主要表現為棄土棄渣、開挖面、建筑物、施工平臺等。堆渣、開挖面、平臺等具有不同的水土流失特點。在實地調查的基礎上，依照同一擾動類型的流失特點和流失強度基本一致、不同擾動類型的流失特點和流失強度明顯不同的原則，共分為8類地表擾動類型。

3.1.2 表土保護

無人機航拍和地面監測顯示，工程表土剝離的區域為存棄渣場區、料場區、施工輔助設施區、樞紐工程區、場內交通工程區。對比前后圖像和內業復核，樞紐工程區由于壩基兩岸可剝離區域較小，主要針對土壩段平緩區域進行表土剝離；場內交通區鑒于線性工程施工分散，僅對地形平整路段進行表土剝離，剝離表土主要用于道路沿線兩側邊坡及行道樹綠化覆土；存棄渣場區主要針對棄渣場表土進行剝離。該水電站工程實際共剝離收集表土105.54萬m3。對比方案，表土剝離量有所減少，是因為工程實際擾動地表面積減少，如場內交通工程區、輔助設施區等區域取消或優化減少占地；部分區域土層較薄，可剝離條件較差，實際剝離量減少。

3.1.3 土壤流失狀況

根據遙感解譯獲取的土地利用類型面積和土壤侵蝕度面積統計，綜合地面物質組成和擾動地表類型、經驗分析和定位監測，綜合取值得出項目各侵蝕單元類型根據施工進度和占雨季的比例，確定相應土壤侵蝕模數，項目樞紐工程建設區建設運行期（2011—2020 年）水土流失總量為320 059.2 t。其中，樞紐工程區水土流失量為45 098.75 t，場內交通道路區水土流失量為38 770.52 t，施工輔助設施區水土流失量為58 043.26 t，存棄渣場區水土流失量為168 769.53 t，石料場水土流失量為9 377.14 t。

水土流失原因主要為：施工初期，樞紐工程區、場內道路、施工營地等未全面實施水土保持措施，加上雨季雨水對邊坡沖刷，加大了該區域水土流失，該階段水土流失處于最嚴重時期。渣場在修建過程中按照先擋后棄逐層堆放的原則進行了施工，但是由于渣場堆渣量較大，持續堆渣時間長且堆渣時間久，擋護措施在使用過程中出現了部分損壞，造成了水土流失，水土流失量占工程建設區總棄渣量的52.7%。堆渣期間，各渣場根據施工設計分別采用了貼坡排水、邊坡防護和植物措施等，有效減少了棄渣期間水土流失。其他區域也隨著水土保持措施的不斷完善，有效控制和減少了水土流失。

3.1.4 水土保持措施實施

監測組在全面觀測的基礎上，結合解譯的土地利用類型專題圖、植被覆蓋度分級專題圖及統計結果等，通過對施工單位、監理單位等調查復核，重點監測統計了各區域的措施完成情況。工程防護措施量與方案相比有增有減，經分析是因為實際施工中根據開挖及砌筑實際情況變化，相應采取更適合的防護措施，故引起措施量的變化。如場內交通工程區防護措施增減，是實際施工中根據路基開挖及邊坡實際情況變化相應采取適應的防護措施；結合工程實際，永久和臨時結合，減少占地，將左岸下游低線公路、出渣公路、右岸上游低線公路等優化取消，棄渣場公路等優化縮短，與之相應的擋墻、排水溝等措施量減少。渣場區的工程量變化的主要原因是防護工程結構和型式隨地基情況的改變而調整，如某渣場坡面全部采用了干砌石護坡等。樞紐工程區壩肩實施了園林式綠化工程；施工輔助設施區主要因業主營地等區域綠化標準提升，實施的植物措施面積增加，達到了綠化和美化的效果。

3.2 監測技術分析

2010—2020 年開展的集地面監測、遙感監測及無人機航測于一體的空天地一體化水土保持監測，動態獲取了水電站的水土流失防治責任范圍、擾動地表面積、表土保護、棄渣場的設置、水土保持措施實施等方面監測內容。結果顯示，工程建設基本按照主體工程設計的內容和水保方案設計實施各種預防保護措施。根據監測成果分析，項目區水土保持措施到位，水土保持效果明顯。通過對影響區施工期間的遙感監測結果進行分析，項目建設期因工程建設施工不可避免地擾動和破壞防治責任范圍內的原地貌增加了水土流失強度和程度。而工程水土保持工作做得較好，最大限度地減少了因項目建設引發的水土流失。通過對影響區施工后的遙感監測結果進行分析，認為施工結束后的恢復工作極其有效，最大程度地恢復了項目施工對影響區的擾動后果。通過空天地一體化水土保持監測，檢驗工程各區水土流失情況和水土保持方案的實施效果，為業主單位的水土保持工作服務，以期最大限度地減少對項目區及周邊地區生態環境的負面影響，為水土保持專項驗收提供了科學依據。

4 結語

通過分析探討可知，空天地一體化水土保持監測技術，對于工程復雜、施工點多面廣、土石方量大的水土流失防治任務艱巨的開發建設工作具有良好的監測效果，科學全面地反映了某水電站水土保持治理情況，提升了水土保持管控水平，具有先進性和前瞻性，在水土保持開發項目監測中可推廣使用。