无人机遥感技术在风电场竣工环保验收中的应用

朱京海 王晓臣 问鼎 梁婷

风能作为一种清洁的可再生能源，现在越来越受到世界各国的重视。2012年科技部印发了《风力发电科技发展“十二五”专项规划》，在《规划》中提到，到2015年时我国风电并网装机将达到1亿千瓦，当年发电量达到1900亿千瓦时，规划风电新增装机7000万千瓦[1]。与此同时相应的风电场项目竣工验收的工作量也会越来越大。如果采用传统的人工踏勘的方法，工作量将是巨大的，特别是风电场项目建设一般位于风能密度高的草原、山地丘陵和滨海地区，受地理环境条件等所限，人工勘察难度相对较大，在实际验收调查工程中，由于缺乏相应的仪器设备，往往更多的是凭借调查人员的主观臆断和环评单位及环境监理单位出具的报告，容易给环保验收工作带来验收结果不完整、不准确，缺乏客观性和科学性等问题。

而随着科学技术的进步，无人机作为获取遥感数据的新型手段，凭借其灵活型、低成本、即时性、可在危险地区作业等特点，已经成为获取高分辨率遥感影像的重要工具之一[2-5]。基于以上特点和优势，无人机特别适用于获取小范围高分辨率环境遥感数据，可广泛应用于建设项目环境保护管理、环境监测、环境应急、生态保护、环境监察等领域[6,7]。在现阶段的竣工环保验收工作中，对于风力发电项目环保验收尚无相应的技术导则、技术方法、成熟的规范和标准[8]。因此，加强风电场环保验收的技术方法研究就显得尤为重要。

本文利用辽宁省环境与航空应用工程中心在锦州黑山杨屯风电场竣工验收中分辨率达到0.2 m的无人机航拍影像作为数据源，在详细判研环评报告的基础上，借助ArcGIS软件的相关功能，对验收调查的重点区域和敏感目标通过一系列相关解译计算和分析，建立了无人机遥感风电类建设项目竣工环保验收解译标志库建立的方法，提出了基于无人机遥感技术的生态验收调查流程，以期为今后的无人机风电场竣工环保验收工作提供参考和依据。

1 研究区和数据源概况

锦州黑山杨屯风电场位于辽宁省黑山县西北部杨屯镇北，场址中心处坐标为东经122°05′40″，北纬41°55′5″。该场址处于黑山县与阜新蒙古自治县交界处，属我国“三北”风带，风能资源十分丰富。场址北至牛蹄洼，南至东八间房，西至王大包屯，东邻下蔡屯，地形为海拔高度70～160 m的丘陵。场区规划面积为9 km2。该地区地势较高，为丘陵山地。

本次无人机影像使用辽宁省环境与航空应用工程中心自主研发的LH-1号型环保无人机搭载佳能5DM arkⅡ型数码相机进行拍摄，机身搭载高精定位定向系统（POS）和实时智能监控系统，本次飞行相对航高500 m，航向重叠率80 %，旁向重叠率 60 %。获取的影像空间分率达到0.1 m，后期内业使用PixelGrid软件中UAV模块对获取的影像进行影像纠正和拼接，并结合实地考察并设置控制点等方式对影像数据进行校正，最终生成黑山风电场区域的数字正射影像，如图1所示。

图1 研究区地理位置及无人机遥感影像

2 风电场环保验收特征分析

2.1 风电场环境影响评价特征分析

我国已建以及适合风场建设的区域主要分布在偏远地区，植被覆盖度不高，生态环境相对脆弱[9]。按照风电场所出的地理位置，一般将其分为：风沙草原型、山地型、滨海型、海上型[10,11]。由于目前风力发电项目尚无相应的技术导则、技术方法、成熟的规范和标准，在总结前人的研究成果基础上，将风电项目的环境影响评价主要归纳为生态影响、经济影响、公众安全影响、景观及视觉影响、噪声影响、电磁辐射影响等方面[12]。

2.2 风电场环保验收范围及重点目标

黑山杨屯风电场工程环境影像评价报告表对风电场施工期和运营期的环境保护措施及环境保护方案进行了明确的规定。通过研读环评报告表的相关生态影响评价的内容，在总结分析风电场环境影响评价特征的基础之上，结合无人机遥感获取的可见光影像特点，最大限度地提取必要的环境信息，确定了此次无人机遥感风电场竣工环保验收工作的重点，如表1所示。

表1 无人机环保验收调查项目

2.3 解译标志的建立

本次研究调查以色调、形态、物体的结构和地物的纹理特征等为主要识别标志[13]，在详细研读环评报告表的基础之上，结合地形地貌和野外调查的实际结果，建立了研究区的遥感解译标志，见表2。

（1）风机。为白色柱状，可见其顶端的旋转叶片，纹理特征非常明显。由于环保验收期离建设项目竣工时间较近，风机周围大多数可见裸露的地面，人工作业的痕迹非常明显，在图中可以快速断定。

（2）箱变。为风机配套设施，一般位于风机一侧，底座为白色混泥土结构，在图中表现为规则方形，图中可以快速断定。

（3）居民点。大多数为规则方形，除少数零星分布外大多数为聚居，在影像中表现明显，呈白色点状，有屋顶一般呈灰色，一般位于道路交汇处，图中可以快速断定。

（4）铁道。为连续性线性分布，一般呈暗灰色，纹理平滑，边界明显，在图中可以快速断定。

2.4 人机交互式解译

根据解译标志和目视解译的原则，采用人机交互式解译方式，通过ArcGIS软件通过目视解译对目标信息进行提取并建立解译标志，并在ArcGIS中对其勾画并生成shape矢量数据，进行统计分析。从研究区内共提取出重点环境信息有33处风机及配套的箱变，15处居民点，1段铁路和2处文物。对解译结果进行了野外实地验证，结果表明解译精度达到100 %。步骤如下：

（1）导入经过处理的无人机遥感影像，以此作为工程底图；

（2）建立地理数据库。在ArcCatalog环境中，建立“风电场竣工环保验收”的“地理数据库”，之后在“地理数据库”中分别建立相应的“要素类”，在各“要素类”中建立对应属性字段并设定字段类型，最终完成风电场竣工环保验收数据库的建立。

表2 无人机遥感影像特征

（3）在ArcMap中使用编辑器完成点、线、面的勾画，并对其进行标注，实现环保验收环境重点目标信息矢量化提取；

（4）利用ArcGIS软件建立相应风机及铁路防护距离的缓冲区域，对环保敏感目标进行分析；

图2 研究区解译结果

（5）建立基于ArcGIS为平台的风电场环保验收查询平台；使用A rcGIS中的查询功能，可以很方便地查询出风机距离最近环境敏感目标的距离、地理位置、编号等信息。

（6）形成遥感解译成果图，见图2。

3 验收结果

选用最邻近距离法，结合地形等高线等地形要素，利用ArcGIS软件使用缓冲区功能建立各环境要素的缓冲区域，并量算出风机与环境要素的距离，统计出建设项目实际建设面积和受光影影响的房屋数量等环保验收数据，见表3。

表3 环保验收结果一览表

3.1 项目位置情况

该风电场建设项目实际建设情况与环评报告表中出入很大，主要有：

（1）本项目工程设计的区域范围拐点坐标符合项目区域建设规划，设计的33台风机坐标全部在区域规划范围内；但厂区实际建设面积为15 km2，比环评阶段增加6 km2。

（2）本项目环评阶段的建设区域范围拐点坐标与设计的区域范围拐点坐标相符，但环评阶段的33台风机坐标与区域规划范围不符，其中，有30台风机坐标不在本项目区域规划范围内；

（3）本项目实际建设的风机坐标与工程设计的风机坐标基本相同，但与环评阶段的风机坐标不同，两者相差近千余米；实际建设的33台风机坐标点位于本工程设计和项目环评期间的规划范围。

（4）该风电场建设工程中33台风机总体分布情况和坐标位置与环评阶段对照发生较大的变化，30台风机建设点位与环评给出的风机坐标点位不符，均相差约千余米。

3.2 环境敏感目标情况

（1）实际建设中有7台风机邻近四个村庄，其中250～450 m范围内涉及1户居民，450～500 m范围内涉及47户居民。

（2）编号为2C17的风机建设距省级保护文物—摩崖造像邻近敏感点812 m，编号为2C16和2C17的风机距多宝塔分别为971 m、812 m，不满足规划环评中批复的风机建设最小距离文物1000 m的距离要求。

（3）项目建设与郑大铁路最近的2D20风机距铁路距离达351 m，该风力发电场风机建设距郑大铁路均满足大于150 m的安全控制距离要求。

4 结论与建议

（1）本文利用无人机遥感和GIS技术对黑山杨屯风力发电项目竣工环保验收工作进行了初探，快速、准确地获得了项目区域高分辨率遥感影像，并从中最大限度地提取出环保验收工作所需的信息，在风电场环保验收工作中具有可行性与客观性，提高了验收工作的科学性。

（2）无人机环境遥感技术的使用与原有靠现场踏勘验收的方式相比工作效率大大提高，有更强的准确性和说服力。根据无人机遥感结果分析，目前的环境影响评价工作的科学性有待进一步限提高，急需采用更为科学的预测方法与技术，建设项目竣工环保验收工作也应该遵循独立、客观、科学的原则。

建设项目竣工环保验收工作是落实“三同时”制度的重要手段，传统的技术手段已经远远满足不了新形势下的环保验收工作，需要引起社会和学术界的高度重视；关于引入无人机等新技术手段来进行环保验收工作的方法还需要进一步的探索和研究。本文以黑山杨屯风电场环保验收为例，旨在介绍一种新的验收技术，为今后该类项目的环保验收工作提供可能的参考和依据。

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