(北京洛斯達數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120)

0 引言

特高壓直流輸電工程規(guī)模大，所處自然環(huán)境復雜，可能跨越農(nóng)村、城市、生態(tài)保護區(qū)等不同地區(qū)及平原、山地、荒漠、林地等多種地貌。工程建設(shè)過程中，基坑的開挖、棄土棄渣的堆放等會對原始地貌造成不同程度的擾動，特別是山地丘陵地區(qū)，棄土堆放處理不當會發(fā)生溜坡，引起更大范圍的擾動。隨著國家對水土保持工作的日益重視，電網(wǎng)工程建設(shè)對水土保持的影響成為考核建設(shè)項目的一項重要指標。尤其是超高壓、特高壓輸變電工程項目，作為國家重點項目，社會影響大、工程建設(shè)目標高，水土保持的要求也更加嚴格，也決定其水土保持工作將比其他工程建設(shè)更加復雜。

當前特高壓工程水土保持監(jiān)測多以人工檢查為主，工作繁重、耗時耗力。遙感技術(shù)以其靈活性、實時性、低成本、低風險等特點，文獻[1-4]介紹了在氣象監(jiān)測、資源調(diào)查與監(jiān)測、測量、海事、農(nóng)業(yè)、電力、災(zāi)害應(yīng)急等方面的應(yīng)用，文獻[5-7]介紹了在電力工程中的應(yīng)用，這給特高壓工程水土保持監(jiān)測工作提供了新思路。

深度學習技術(shù)在遙感影像目標識別、地物分類等方面的研究已成為熱點，提高了遙感影像分類的精度[8-13]。本文基于深度學習技術(shù)，以特高壓直流工程建設(shè)過程中的無人機影像為數(shù)據(jù)源，建立特高壓工程施工現(xiàn)場土地擾動監(jiān)測平臺，通過影像信息提取，獲取特高壓工程通道內(nèi)土地擾動信息，判斷工程施工土地擾動范圍是否合理，以達到施工過程水土保持快速監(jiān)測目的。

1 需求分析

特高壓工程施工現(xiàn)場土地擾動監(jiān)測平臺的建設(shè)目標是通過引用深度學習在影像解譯中的優(yōu)勢，提高影像解譯效率，以全部或部分替代工程現(xiàn)場調(diào)查和人工目視解譯。因此，平臺建設(shè)時需考慮以下幾點：

1)可兼容常見數(shù)據(jù)。能夠適用當前主流遙感影像，可以兼容國內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及常見無人機影像，同時能夠處理從0.1 m～10 m空間分辨率的影像，對于分辨率較低的影像，應(yīng)能夠識別較大目標地物，能夠適用當前主流矢量數(shù)據(jù)。

2)提取結(jié)果準確性高。施工現(xiàn)場土地擾動提取正確率應(yīng)優(yōu)于90%，漏檢率和錯檢率低于10%；識別位置精度，一般應(yīng)在2個像素內(nèi)，即優(yōu)于2倍空間分辨率。

3)提取速度較快。平臺針對每基桿塔周邊一定范圍進行信息提取，因工程桿塔數(shù)量多，監(jiān)測結(jié)果的時效性要求高，因此對平臺提取速度要求較高。

4)可以自動計算及統(tǒng)計提取結(jié)果。平臺在提取完成后，可統(tǒng)計出每基桿塔土地擾動面積，并統(tǒng)計出有多少基桿塔超過合理范圍并進行標注。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 開發(fā)工具

平臺設(shè)計為單機版，基于ArcGIS Engine和MATLAB進行二次開發(fā)，開發(fā)使用MatConvNet框架，確保具有較好的兼容性和前瞻性，方便后期維護升級，開發(fā)語言采用C#。

2.2 功能設(shè)計

1)數(shù)據(jù)的組織與管理功能設(shè)計

地理空間數(shù)據(jù)可以以文件形式存儲，也可以存儲在地理空間數(shù)據(jù)庫中。矢量數(shù)據(jù)以文件形式存儲時，本平臺以通用的shape file格式存儲。影像文件以文件形式存儲時，本平臺以主流的img、tif、jpg、ascii grid等格式進行存儲。當空間數(shù)據(jù)存儲至地理空間數(shù)據(jù)庫時，本平臺數(shù)據(jù)庫為文件地理數(shù)據(jù)庫FGDB。選用FGDB而不是個人地理數(shù)據(jù)庫mdb或企業(yè)級地理數(shù)據(jù)庫，原因是mdb容量太小，僅能容納2 GB，而FGBD可以擴展至1 TB，企業(yè)級數(shù)據(jù)庫容量大，但部署極其復雜，費用昂貴，而FGDB的容量完全可以滿足要求且部署簡單，單機即可，成本低。

2)數(shù)據(jù)加載、顯示與圖層控制功能設(shè)計

平臺是一個可視化平臺，借助ArcGIS Engine提供的MapControl控件與TocControl控件，基于.NET開發(fā)環(huán)境，可以開發(fā)具有可視化窗體界面的應(yīng)用程序。在該應(yīng)用程序中，MapControl主要用于數(shù)據(jù)的可視化，TocControl主要用于圖層的控制。除此之外，ArcGIS Engine還提供了空間數(shù)據(jù)的加載接口，借助于這些接口，平臺可以快速、安全地將這些數(shù)據(jù)加載至顯示模塊，并將其與圖層控制模塊聯(lián)動。

3)信息提取功能設(shè)計

平臺基于深度學習進行遙感影像土地擾動信息提取。為提高效率，僅針對桿塔周邊一定范圍的影像進行提取，以減少計算量，提高速度。同時考慮CPU計算和CPU+GPU計算雙模式，CPU計算每基桿塔提取時間約為5 s，CPU+GPU計算每基桿塔提取時間約為0.4 s。信息提取結(jié)果為shape file格式的矢量數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)編輯功能設(shè)計

平臺自動提取的結(jié)果難免有錯誤，數(shù)據(jù)編輯功能能夠?qū)μ崛〗Y(jié)果進行編輯。編輯功能主要分為三部分，分別是開始編輯、停止編輯和保存。開始編輯使數(shù)據(jù)進入編輯狀態(tài)，只有進入編輯狀態(tài)后用戶才可對數(shù)據(jù)進行編輯；停止編輯結(jié)束編輯狀態(tài)，并提示用戶是否保存編輯成果；保存不結(jié)束編輯狀態(tài)，它只保存用戶的編輯結(jié)果。

5)統(tǒng)計分析功能設(shè)計

基于深度學習提取地物信息后，還需要對其進行統(tǒng)計分析，對每基桿塔實際施工中的擾動面積與合理擾動面積進行比較，從而得出是否超量的結(jié)論，并以可視化的形式進行統(tǒng)計展示，方便建設(shè)管理單位和水保監(jiān)測單位進行查閱。

6)信息導出功能設(shè)計

提取出的土地擾動信息，可以Excel形式導出。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

ArcGIS Engine主要用于平臺界面和統(tǒng)計分析功能的開發(fā)，MATLAB用于開發(fā)深度學習信息提取功能。

平臺的主要功能包括數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、信息提取、信息統(tǒng)計、數(shù)據(jù)編輯、視圖控制和系統(tǒng)設(shè)置等。

部分界面如1所示：

圖1 平臺界面

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

特高壓工程水土保持監(jiān)測需要在施工期及試運行期進行監(jiān)測。施工期主要監(jiān)測施工區(qū)土地擾動面積是否超過合理擾動范圍，試運行期主要監(jiān)測施工結(jié)束后的擾動土地整治率。以扎魯特—青州±800 kV特高壓直流輸電工程為例進行平臺應(yīng)用實踐。

1)施工期應(yīng)用實踐

施工期施工區(qū)土地擾動面積利用施工期無人機影像進行土地擾動信息提取。通過對施工期無人機影像進行預(yù)處理，利用平臺進行信息提取，得到施工區(qū)面積，土地擾動面積=施工區(qū)面積－塔基面積。將土地擾動面積跟臨時占地合理面積進行對比得出土地擾動面積是否超標。

如圖2所示是某基桿塔施工前后的影像，桿塔為山丘區(qū)直線塔，合理占地面積推薦值為800 m2，提取出土地擾動面積為1 647.8-351.6=1 296.2 m2，已超過推薦值。

圖2 施工期土地擾動監(jiān)測

2)試運行期應(yīng)用實踐

試運行期擾動土地整治率利用施工期及試運行期無人機影像進行土地擾動信息及土地整治信息的提取。通過對兩期無人機影像進行預(yù)處理，利用平臺進行信息提取，得到施工區(qū)土地擾動面積和土地整治面積，計算得出土地擾動整治率。

如圖3所示是某基桿塔施工前、施工中和試運行期的影像，土地擾動面積為5 244.2-702.6=4 541.6 m2，已超過推薦值(平原區(qū)直線塔臨時占地推薦面積為1 900 m2)，試運行期間，土地已完全整理，整治率為100%。

圖3 某基塔施工影像

4 結(jié)語

特高壓工程施工現(xiàn)場土地擾動監(jiān)測平臺基于深度學習技術(shù)，整合高分辨率遙感影像、工程基礎(chǔ)信息等，可及時獲取特高壓工程建設(shè)過程中土地擾動情況及試運行期的擾動土地整治率，提高其可視化、精準化管理水平，減少野外工作量，提升工作效率，為工程建設(shè)管理人員加強水土保持過程統(tǒng)籌管理提供技術(shù)手段。