楊 軍，劉 龍，何 流，王大可

（中冶賽迪重慶環(huán)境咨詢有限公司 交通市政環(huán)境咨詢產(chǎn)品部，重慶 401120）

鐵路作為一種綠色低碳的交通方式，對我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要作用。截至2021年底，我國鐵路營業(yè)里程已達(dá)15萬公里，其中高鐵4萬公里[1]。隨著鐵路的快速發(fā)展，其建設(shè)過程對沿線生態(tài)環(huán)境的影響也逐步受到了各方關(guān)注。自2002年青藏鐵路建設(shè)試點開展環(huán)保監(jiān)理開始，環(huán)保監(jiān)理已經(jīng)成為鐵路建設(shè)項目施工期環(huán)境保護(hù)監(jiān)督管理的重要手段[2]。鐵路建設(shè)項目通常具有建設(shè)周期長、參建單位多、環(huán)境條件復(fù)雜等特點，傳統(tǒng)環(huán)保監(jiān)理手段難以有效開展監(jiān)督檢查。無人機(jī)技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、影像精度高、靈活機(jī)動的特點，可用于輔助巡查和定量勘察，可以提高環(huán)保監(jiān)理的工作效率和工作質(zhì)量[3]。在此，以鄭萬高速鐵路重慶段為例，對無人機(jī)技術(shù)在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，無人機(jī)在鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域通常用于選線、勘察、測繪、巡檢、竣工環(huán)保驗收、水土保持等方面。李營等[4]將無人機(jī)用于武廣客運專線竣工環(huán)保驗收工作，建立了無人機(jī)影像信息分類體系，提高了竣工環(huán)保驗收工作的效率和準(zhǔn)確性。王志良等[5]在鄭州至重慶鐵路建設(shè)項目中引入無人機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)了對重點區(qū)域水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取和分析，探討了無人機(jī)技術(shù)在線狀生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作中的應(yīng)用前景。

目前，無人機(jī)在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理工作中的應(yīng)用相對較少。鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理實施過程中，傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)查手段以人工踏勘為主。以鄭萬高速鐵路重慶段為例，其渣場、拌和站等大臨工程多選址在山區(qū)，環(huán)境條件復(fù)雜，傳統(tǒng)人工踏勘耗時長，監(jiān)理工作需要投入大量人力資源。與傳統(tǒng)監(jiān)理手段相比，無人機(jī)在設(shè)備和操作方面具有明顯優(yōu)勢，如體積小、攜帶使用方便、飛行速度快(一般可達(dá)到60 km/h)、靈活機(jī)動、能夠很好適應(yīng)地形條件。通過在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理中使用無人機(jī)輔助開展外業(yè)調(diào)查，可以提升環(huán)保監(jiān)理工作效率，節(jié)約人力資源投入，保障外業(yè)工作人員安全。

無人機(jī)技術(shù)在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理中的應(yīng)用一般包括影像拍攝、影像數(shù)字化、數(shù)據(jù)提取3個方面。利用無人機(jī)獲得調(diào)查對象的影像，進(jìn)而通過第三方軟件分析可以得到垂直影像、大比例地形、DEM數(shù)字高程和可測量三維模型[6]等數(shù)字成果，從中進(jìn)一步分析得到工程進(jìn)度、占地面積、對象體積、植被覆蓋等信息，為開展定量分析提供了數(shù)據(jù)保障，提高了環(huán)保監(jiān)理的工作質(zhì)量和工作效率。

2 無人機(jī)在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理中的應(yīng)用

2.1 鐵路建設(shè)項目主要環(huán)境影響特征

鐵路建設(shè)項目是典型的線型工程，工程線路沿線通常會涉及多種土地類型和生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)環(huán)境影響主要集中在施工階段。同時，車站、變電所、棄渣場、拌和站等具有點狀工程特征，生態(tài)環(huán)境影響表現(xiàn)為土地占用、植被破壞和污染排放。以鄭萬高速鐵路重慶段為例，其正線全長183.865 km，橋隧占比達(dá)98.18%，全線布置棄渣場40余座、大臨工程100余處，沿途涉及云陽小江濕地自然保護(hù)區(qū)、長江三峽風(fēng)景名勝區(qū)、長江三峽巫山濕地自然保護(hù)區(qū)等多個生態(tài)敏感區(qū)[7]。

基于對鄭萬高速鐵路重慶段工程特征和沿線環(huán)境條件的分析，鐵路建設(shè)項目通常具有以下特點：①線路長，沿線環(huán)境保護(hù)目標(biāo)多，生態(tài)環(huán)境影響范圍大；②建設(shè)周期長，生態(tài)環(huán)境影響呈現(xiàn)持續(xù)性影響特性；③渣場、臨建多且分散，環(huán)境保護(hù)監(jiān)督管理難度大[8]。

2.2 無人機(jī)輔助環(huán)保監(jiān)理技術(shù)路線

鐵路建設(shè)期間環(huán)保監(jiān)理的對象主要包括：全線施工工點日常巡查，聲屏障、環(huán)保拆遷等環(huán)保工程進(jìn)度巡查，重點工程專項監(jiān)督檢查等。傳統(tǒng)的環(huán)保監(jiān)理手段主要是按照監(jiān)理工作方案定期對施工現(xiàn)場進(jìn)行巡查，督促施工單位限期整改并追蹤檢查環(huán)境問題。這種監(jiān)理方式外業(yè)調(diào)查周期長、時效性較低，對重點區(qū)域缺乏量化調(diào)查數(shù)據(jù)，對重點工程進(jìn)度缺乏動態(tài)跟蹤，無法滿足當(dāng)前鐵路建設(shè)環(huán)境保護(hù)需求。

基于無人機(jī)技術(shù)特點，結(jié)合鄭萬高速鐵路重慶段環(huán)保監(jiān)理工作經(jīng)驗，本文將無人機(jī)輔助環(huán)保監(jiān)理技術(shù)路線劃分為3個方向和2個層級。3個方向分別為日常巡查、進(jìn)度跟蹤、專項檢查；2個層級分別是無人機(jī)影像人工視檢判讀和計算機(jī)輔助定量分析。無人機(jī)輔助環(huán)保監(jiān)理技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無人機(jī)輔助環(huán)保監(jiān)理技術(shù)路線

2.2.1 全線工點日常巡查

鐵路工程施工標(biāo)段多，除主體施工區(qū)域外，還有工區(qū)營地、拌和站、鋼筋加工廠、棄渣場等臨建場地。全線工點日常巡查對照環(huán)評文件及批復(fù)要求，核查各施工工點廢水、廢氣等污染防治措施的落實情況。重點是解決各項環(huán)保措施的落實問題，需考慮監(jiān)理指令發(fā)出的時效性，應(yīng)將施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的環(huán)境問題及時反饋給施工單位和建設(shè)單位。同時，還需要考慮監(jiān)理指令的可追溯性，以便后續(xù)整改對照。

利用無人機(jī)高清攝像、即時圖傳、懸停拍照的功能，對各施工工點進(jìn)行低空拍攝。同時，結(jié)合地面人工復(fù)核，評估施工現(xiàn)場環(huán)保措施落實情況。必要時，還可對施工工點重點部位進(jìn)行垂直拍攝，經(jīng)后期處理獲得正射影像，進(jìn)一步評估地面擾動面積、植被破壞范圍等，動態(tài)掌握施工過程對周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影像范圍和變化趨勢。無人機(jī)輔助開展工點日常巡查可以提高現(xiàn)場工作效率，對地面人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行高空檢查，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題；同時，對發(fā)現(xiàn)的環(huán)境問題做到“及時反饋、拍照留檔、整改對照”。

2.2.2 環(huán)保工程“三同時”進(jìn)度跟蹤

環(huán)保工程“三同時”制度是我國環(huán)境保護(hù)監(jiān)督管理的一項重要制度，其核心是“同時投產(chǎn)使用”，是建設(shè)項目通過竣工環(huán)保驗收的重要條件之一。因此，環(huán)保監(jiān)理必須加強(qiáng)“三同時”跟蹤檢查，將其作為建設(shè)項目整個施工階段環(huán)保監(jiān)理工作的重中之重。

鐵路建設(shè)項目通常位于城郊、鄉(xiāng)村地區(qū)，環(huán)保工程主要包括聲屏障、環(huán)保搬遷等，其環(huán)保監(jiān)理重點在于跟蹤建設(shè)進(jìn)度，確保這些環(huán)保工程與主體工程同時投入建成，為竣工環(huán)保驗收提供信息支撐，對監(jiān)理成果的連續(xù)性和整體性有較高的要求。

針對環(huán)保工程“三同時”進(jìn)度跟蹤，傳統(tǒng)的環(huán)保監(jiān)理方法以內(nèi)業(yè)設(shè)計復(fù)核為主、輔以外業(yè)抽樣調(diào)查。這種方法是以“按圖施工”為前提，無法全面反映工程實際情況，對聲屏障局部安裝滯后、個別住戶搬遷滯后等問題難以發(fā)現(xiàn)。利用無人機(jī)拍攝的高清、大比例影像，可以及時發(fā)現(xiàn)此類問題，尤其是工程后期監(jiān)理人員難以進(jìn)入軌面區(qū)。再者，無人機(jī)航線規(guī)劃功能可以確保拍攝角度始終一致，從而得到不同時期、相同角度的工程影像，構(gòu)建工程形象進(jìn)度檔案。

以鄭萬高速鐵路重慶段某隧道為例(見圖2)，通過無人機(jī)航拍可以發(fā)現(xiàn)隧道洞口區(qū)域生態(tài)恢復(fù)滯后、線路兩側(cè)區(qū)域環(huán)保拆遷實施滯后、線路聲屏障安裝缺失等問題，進(jìn)而建立問題庫以監(jiān)督相關(guān)施工單位整改，確保落實“三同時”要求。

圖2 無人機(jī)在環(huán)保工程“三同時”進(jìn)度跟蹤中的應(yīng)用

2.2.3 保護(hù)目標(biāo)專項監(jiān)督檢查

鐵路建設(shè)項目線路長，工程沿線涉及眾多生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。環(huán)保監(jiān)理工作應(yīng)關(guān)注工程建設(shè)對這些保護(hù)目標(biāo)的環(huán)境影響，尤其是當(dāng)?shù)卣l(fā)布的生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等各類生態(tài)敏感區(qū)。環(huán)保監(jiān)理工作重點在于落實生態(tài)敏感區(qū)位置、范圍和管控要求；核查棄渣場、大臨工程等選址和占地是否符合相關(guān)生態(tài)敏感區(qū)保護(hù)要求；施工擾動是否侵占保護(hù)區(qū)用地；各項保護(hù)措施是否落實等。

利用無人機(jī)航拍技術(shù)獲得鐵路棄渣場、大臨工程的遙感影像，再通過計算機(jī)輔助分析，提取棄渣場、大臨工程等的垂直影像和DEM數(shù)字高程，最后將這些數(shù)字化工程信息與生態(tài)敏感區(qū)紅線范圍、分區(qū)范圍進(jìn)行定量比較，從宏觀上分析工程選址與相關(guān)保護(hù)要求的符合性、工程占地與敏感區(qū)分區(qū)管控的符合性，以及施工擾動對臨近敏感區(qū)的影響程度。無人機(jī)輔助開展保護(hù)目標(biāo)專項監(jiān)督檢查的一般步驟如圖3所示。

圖3 無人機(jī)輔助環(huán)保目標(biāo)監(jiān)督檢查一般步驟

利用無人機(jī)開展保護(hù)目標(biāo)監(jiān)督檢查的關(guān)鍵在于內(nèi)業(yè)分析，即通過影像解譯提取需要的工程信息，包括工程占地范圍、施工擾動面積、生態(tài)保護(hù)措施等信息。其中，通過航拍照片可以直觀判斷工程現(xiàn)場是否采取了生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，工程占地是否涉及保護(hù)區(qū)域；利用解譯后的正射影像和數(shù)字高程，可以提取工程占地面積、施工擾動面積、各項生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施數(shù)量、植被覆蓋度等。結(jié)合環(huán)評文件及相關(guān)生態(tài)敏感區(qū)管控要求，進(jìn)一步判定是否符合竣工環(huán)保驗收條件。

與傳統(tǒng)監(jiān)理手段相比，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面無人機(jī)技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。一是通過計算機(jī)輔助分析系統(tǒng)提取工程數(shù)字信息，提高環(huán)保監(jiān)理內(nèi)業(yè)工作的準(zhǔn)確性，為建設(shè)單位提供決策依據(jù)；二是為重要生態(tài)敏感區(qū)建立數(shù)字檔案，實施長期跟蹤檢查，控制施工擾動范圍，避免越界施工，最大程度降低施工活動造成的生態(tài)環(huán)境影響。圖4為鄭萬高速鐵路重慶段某施工工區(qū)營地正射影像和DEM數(shù)字高程，通過正射影像和DEM數(shù)字高程的進(jìn)一步解譯，能夠提取項目植被覆蓋度(見圖5)，進(jìn)而判斷工區(qū)營地生態(tài)恢復(fù)情況。

圖4 鄭萬高速鐵路重慶段某施工工區(qū)營地正射影像和DEM數(shù)字高程

圖5 鄭萬高速鐵路重慶段某施工工區(qū)營地植被覆蓋度計算

3 結(jié)束語

無人機(jī)技術(shù)可以將大量的外業(yè)調(diào)查轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)分析，提高工作效率的同時也提升了工作的精準(zhǔn)性，具有較強(qiáng)的實用價值[9]。目前，無人機(jī)技術(shù)已應(yīng)用于鐵路建設(shè)勘察、測繪、巡檢、水土保持管理等工作，并取得了較好的效果，為無人機(jī)在環(huán)保監(jiān)理工作中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。作為一種新的技術(shù)手段，無人機(jī)在遙感影像獲取方面的優(yōu)勢可以顯著提升環(huán)保監(jiān)理的工作質(zhì)量和工作效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)理手段的不足，為建設(shè)項目順利通過竣工環(huán)保驗收提供技術(shù)保障，更好的滿足“雙碳”新形勢下建設(shè)綠色鐵路的要求。但是，面對復(fù)雜的環(huán)境條件，無人機(jī)輔助環(huán)保監(jiān)理技術(shù)亟待進(jìn)一步研究，如受山體、高大植被影響，無人機(jī)經(jīng)常會出現(xiàn)信號丟失、無法定位的情況，降低了工作效率；山區(qū)環(huán)境中局地風(fēng)向、風(fēng)速變化大，會出現(xiàn)無人機(jī)失控、炸機(jī)、墜毀事故，存在安全隱患；當(dāng)前消費級多旋翼無人機(jī)繼航時間短，無法適應(yīng)長距離、多點位、大面積的連續(xù)航拍需要，因而需進(jìn)一步探索無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在鐵路建設(shè)項目環(huán)保監(jiān)理中的應(yīng)用。