程 曦，翟曉萌，倉(cāng) 敏，李小樸，聶 峰

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001)

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為空中平臺(tái)，通過(guò)搭載傳感器獲取影像，再通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，結(jié)合特定需求提取信息并制作相關(guān)圖件[1]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，對(duì)于及時(shí)、客觀、全面掌握生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目過(guò)程中的水土保持信息，推進(jìn)監(jiān)測(cè)工作向數(shù)據(jù)定量化、成果精細(xì)化和信息化發(fā)展發(fā)揮了重要的技術(shù)引領(lǐng)作用[2-3]。相比傳統(tǒng)的地面觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料收集等方法，采用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可以輕松獲取在建項(xiàng)目特定時(shí)段和特定空間分辨率的影像資料，為監(jiān)測(cè)工作提供客觀的多時(shí)相基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-5]。然而，如何將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)工作中并滿足監(jiān)測(cè)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求，目前尚未形成一套成熟的技術(shù)方案。因此，本研究以江蘇南通某500 kV輸變電工程為例，結(jié)合《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51240—2018)(以下簡(jiǎn)稱《監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》)要求，以經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及高效為出發(fā)點(diǎn)和考量，提出基于無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)方法，以提高輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)工作效率、成果精度和信息化水平，為水土流失監(jiān)測(cè)與防治提供可靠的技術(shù)支撐。

1 技術(shù)路線

在輸變電工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可以獲取項(xiàng)目區(qū)一定重疊度的全覆蓋正射相片，在內(nèi)業(yè)通過(guò)Pix4D軟件生成項(xiàng)目區(qū)域全覆蓋數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)等，基于這些數(shù)據(jù)提取項(xiàng)目實(shí)際擾動(dòng)土地面積、取土(石、料)/棄土(石、渣)量、水土流失狀況、水土保持措施、水土流失防治效果及水土流失危害等監(jiān)測(cè)信息，建立項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而綜合評(píng)價(jià)項(xiàng)目施工過(guò)程中的水土保持工作開(kāi)展情況，為編寫(xiě)水土保持監(jiān)測(cè)季報(bào)、年報(bào)及竣工階段監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和影像支撐[6-7]。技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)路線

2 應(yīng)用實(shí)例

以江蘇南通某500 kV輸變電工程水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的應(yīng)用作為典型案例，分析上述技術(shù)路線的實(shí)施效果。該項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容是將原220 kV變電站升壓擴(kuò)建為500 kV，同時(shí)新建500 kV輸電線路2.4 km，于2018年7月開(kāi)工建設(shè)，2019年8月竣工。由于項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)為點(diǎn)、線型結(jié)合，變電站占地面積大，線路塔基分散，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)不僅耗時(shí)耗力、經(jīng)濟(jì)效益差，而且很難做到對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全覆蓋與精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，無(wú)法直觀、準(zhǔn)確地展示不同施工階段的水土流失防治效果，因此根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)結(jié)合無(wú)人機(jī)高分辨率、全覆蓋及時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)施不同施工階段無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)獲取水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過(guò)程的水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與防治效果評(píng)價(jià)。

該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)采用大疆精靈4 RTK，地面站控制軟件采用大疆DJI GS PRO2.0，航測(cè)軟件采用Pix4D 4.0，圖像處理硬件采用移動(dòng)圖像工作站戴爾Precision 7550，數(shù)據(jù)分析采用ArcGIS軟件。根據(jù)施工進(jìn)度和監(jiān)測(cè)需要，應(yīng)用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)分別于2018年7月、2018年12月、2019年5月、2019年11月進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取了4期遙感數(shù)據(jù)，用于擾動(dòng)土地面積、土石方、水土保持措施、防治效果監(jiān)測(cè)等。

2.1 擾動(dòng)土地面積監(jiān)測(cè)

根據(jù)4期DOM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS提取各防治分區(qū)的擾動(dòng)土地面積及其變化情況，見(jiàn)表1和圖2。2018年7月，首次無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)工程未啟用方案設(shè)置在站外西北側(cè)的臨時(shí)堆土場(chǎng)，同時(shí)新增了站外電纜施工區(qū)。2019年5月，項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積達(dá)到最大值6.23 hm2，與方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍疊加后發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目實(shí)際擾動(dòng)土地面積小于方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍(6.32 hm2)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與建設(shè)單位溝通，新增站外電纜施工區(qū)土地屬于該項(xiàng)目施工前場(chǎng)地遷改工程，且建設(shè)單位已辦理施工占地賠償手續(xù)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)影像已將新增防治責(zé)任范圍納入監(jiān)測(cè)范圍，故工程實(shí)際未發(fā)生重大變更，無(wú)違規(guī)建設(shè)行為。無(wú)人機(jī)全過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于防止項(xiàng)目因擾動(dòng)范圍增大而產(chǎn)生水土保持方案重大變更發(fā)揮了重要作用。

表1 無(wú)人機(jī)提取項(xiàng)目不同建設(shè)時(shí)期的擾動(dòng)土地面積 hm2

圖2 項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程4期DOM數(shù)據(jù)

2.2 土石方監(jiān)測(cè)

受場(chǎng)地限制，項(xiàng)目實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)站區(qū)開(kāi)挖的土石方進(jìn)行了外運(yùn)處置，未在站區(qū)設(shè)置臨時(shí)堆土場(chǎng)，所以僅考慮對(duì)線路工程基礎(chǔ)開(kāi)挖的土石方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)線路土石方DSM數(shù)據(jù)，在Pix4D中創(chuàng)建表土剝離量和臨時(shí)堆土量(Volume)，計(jì)算線路土石方量。表土堆土場(chǎng)見(jiàn)圖3，臨時(shí)堆土場(chǎng)見(jiàn)圖4，土石方監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。與收集的線路土建工程量資料進(jìn)行對(duì)比，無(wú)人機(jī)提取的土石方結(jié)果精度均在90%以上，滿足監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 線路表土堆土場(chǎng)DSM數(shù)據(jù)

圖4 線路臨時(shí)堆土場(chǎng)DSM數(shù)據(jù)

表2 無(wú)人機(jī)提取項(xiàng)目土石方信息及與施工土石方量對(duì)比

2.3 水土保持措施監(jiān)測(cè)

根據(jù)項(xiàng)目4期DOM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS提取并統(tǒng)計(jì)各分區(qū)不同施工階段落實(shí)的水土保持措施，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：站區(qū)，植物措施鋪植草皮2.64 hm2，密目網(wǎng)苫蓋3 438 m2，臨時(shí)排水溝180 m，泥漿沉淀池1座；進(jìn)站道路區(qū)，撒播草籽0.01 hm2，密目網(wǎng)苫蓋1 500 m2；施工生產(chǎn)生活區(qū)，耕地恢復(fù)0.55 hm2；站外電纜施工區(qū)，撒播草籽0.82 hm2；塔基及塔基施工區(qū)，表土剝離33.68 m3，撒播草籽0.64 hm2，密目網(wǎng)苫蓋276.36 m2，臨時(shí)排水溝137 m，泥漿沉淀池1座。

2.4 防治效果監(jiān)測(cè)

根據(jù)項(xiàng)目竣工后的DOM數(shù)據(jù)(2019年11月)，利用ArcGIS提取并統(tǒng)計(jì)各分區(qū)最大擾動(dòng)土地面積及水土流失治理面積，計(jì)算該工程的水土流失防治指標(biāo)值。因該項(xiàng)目站區(qū)未設(shè)置臨時(shí)堆土場(chǎng)，故僅對(duì)水土流失治理度、土壤流失控制比、林草植被恢復(fù)率及林草覆蓋率進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)獲得的各分區(qū)擾動(dòng)土地面積、水土流失治理面積及建構(gòu)筑物硬化面積等分別為：站區(qū)，擾動(dòng)土地面積3.56 hm2，植物措施治理面積2.64 hm2，建構(gòu)筑物及硬化場(chǎng)地面積0.92 hm2；進(jìn)站道路區(qū)，擾動(dòng)土地面積0.17 hm2，硬化面積0.17 hm2；施工生產(chǎn)生活區(qū)，擾動(dòng)土地面積0.96 hm2，耕地恢復(fù)治理面積0.55 hm2，臨建硬化面積0.40 hm2，未治理面積0.01 hm2；站外電纜施工區(qū)，擾動(dòng)土地面積0.89 hm2，撒播草籽治理面積0.82 hm2，電纜溝道硬化面積0.06 hm2，未治理面積0.01 hm2；塔基及塔基施工區(qū)，擾動(dòng)土地面積0.65 hm2，撒播草籽治理面積0.64 hm2，未治理面積0.01 hm2。治理后項(xiàng)目區(qū)侵蝕模數(shù)為300 t/(km2·a)。

表3 水土保持指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3 應(yīng)用分析

傳統(tǒng)的輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)常采用查閱施工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)等方法，不僅耗時(shí)耗力，而且精度一般。采用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可以快速獲取項(xiàng)目任意施工階段的全覆蓋高清數(shù)據(jù)信息，并且監(jiān)測(cè)精度滿足要求。結(jié)合上述案例，在項(xiàng)目擾動(dòng)土地面積監(jiān)測(cè)方面，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)借助ArcGIS軟件中的空間分析計(jì)算功能，能夠快速、精準(zhǔn)地提取各分區(qū)施工擾動(dòng)空間分布情況，并基于多期監(jiān)測(cè)成果實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目施工過(guò)程中擾動(dòng)面積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為建設(shè)單位有效應(yīng)對(duì)“天地一體化”擾動(dòng)合規(guī)性核查提供技術(shù)支持；在水土保持措施監(jiān)測(cè)方面，可快速獲取實(shí)際落實(shí)的措施位置及數(shù)量，能夠?qū)崿F(xiàn)水土保持措施數(shù)據(jù)與影像聯(lián)動(dòng)效果；在土石方監(jiān)測(cè)方面，改變了單純依靠外業(yè)實(shí)測(cè)土石方工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)的現(xiàn)狀；在水土流失防治效果監(jiān)測(cè)方面，可實(shí)現(xiàn)防治目標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)水土流失防治問(wèn)題，提高了驗(yàn)收階段核查的工作效率。特別是無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)不受時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程的定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，符合《水利部辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的通知》(辦水保〔2020〕161號(hào))中提出的水土保持監(jiān)測(cè)要充分應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)手段，不斷提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量和水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失的定量監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制的要求。

隨著國(guó)家“放管服”改革的推進(jìn)，水利部加強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持事中事后監(jiān)管，通過(guò)搭建“天地一體化”監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)在建項(xiàng)目事中事后水保監(jiān)督核查，其中項(xiàng)目擾動(dòng)合規(guī)性是水保監(jiān)督核查的一項(xiàng)重要內(nèi)容[8-10]。由于高分衛(wèi)星遙感影像的空間分辨率通常為1.0～2.0 m，對(duì)于擾動(dòng)面積較小的在建項(xiàng)目，擾動(dòng)面積及水土保持措施在衛(wèi)星影像中所占像元數(shù)量較少，提取的數(shù)據(jù)誤差較大，因此無(wú)法做到準(zhǔn)確識(shí)別。而無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)獲取的項(xiàng)目全覆蓋正射影像，其影像空間分辨率為厘米級(jí)別，是遙感衛(wèi)星影像的100倍以上，在及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)違規(guī)問(wèn)題方面更具優(yōu)勢(shì)。此外，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)高清還原了在建項(xiàng)目的施工進(jìn)度、施工質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)措施落實(shí)等細(xì)節(jié)信息，為建設(shè)單位把控項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量及安全等提供了有效的技術(shù)支持。