基于GIS空間分析的電站施工期環保自動監控技術研究

宋緒國 項榮華 李海濤 鮑利佳

(1.國網新源控股有限公司 北京 100761；2.浙江縉云抽水蓄能有限公司 浙江麗水 321400)

施工期環境監控是環境管理的重要內容也是重要手段，其組織機構、內容、技術方法等仍在不斷探索和完善之中。根據相關法規和技術規范，以及大型建設項目環境影響報告書和水土保持方案及其批復的要求，在施工期應由專業人員針對工程產生的生態破壞和恢復、水土流失、噪聲、污水和揚塵、廢氣及凈化設施等，監控其影響的形式、數量和發展過程，減緩和監控其產生的環境不良影響，為業主和環境管理部門采取環水保( 環境保護與水土保持的合稱) 措施提供科學依據。

電站施工期環境監控的工作量非常大，外業調查點多線長，內業資料整理龐雜。利用無人機技術輔助勘察和定量測量，可以提高工作效率，為更好地保護環境打下堅實基礎。今以浙江某在建電站為例，研究無人機在施工期環境監控中的應用。

1 無人機助力環境監控的技術優勢

將小微型無人機應用于遙感監控，在設備和外業操作方面的優勢為:(1)運輸、使用方便，飛行和維護等各項成本低廉;(2)針對監測區域的定位選擇性強;(3)能很好地適應地形、云層等條件;(4)機動靈活，可采集高崖、陡坡處的數據;(5)工作速度快、效率高，獲取信息及時。

在內業產品方面其優勢為:(1)空中宏觀大尺度的視角保障了整體的勘察效果;(2)影像直觀性強，分辨率高;(3)資料時效性強;(4)數碼照片經軟件處理成為相關的測繪成果，包括數字化三維地形模型( DTM)、高程模型(DEM)、正射影像(DOM)、1:500～1:10 000比例尺線劃圖(DLG) 等，結合后期軟件可直接導出CAD等各種格式的矢量文件，便于進一步規劃設計。

2 電站環境監控

電站工程環境監控的對象包括全線域的日常工作和重點區域的技術監督管理。在無人機輔助下，可以彌補監控人員難以面面俱到的不足，更全面地了解工程的環境影響。

電站工程環境監控的對象的監測周期根據施工階段(比如土石方工程施)、天氣(雨季、風季)、環保重點檢查期等條件設計相應的頻次。

3 全線域無人機環境監控技術方案

3.1 無人機監測方案和參數

擬采用多旋翼無人航攝平臺搭載傾斜航攝數碼相機對測區進行多航次、全方位的傾斜航空攝影。同時采用CORS環境下的實時GPS RTK作業方式進行外業像片控制測量，利用像片控制測量成果對原始影像進行空中三角測量后得到影像的外方位元素，即攝影時刻影像的空間位置坐標和姿態參數。利用Map Matrix制圖軟件平臺生成立體模型后，進行地形特征要素的采集，將采集的特征點、線、面要素通過構TIN形成三角網，柵格化后得到數字高程模型（DEM）數據成果。通過DEM成果對原始影像進行數字微分糾正，然后進行糾正影像的勻光、鑲嵌、裁切和修飾后即可得到測區范圍內的數字正射影像圖（DOM）成果。

利用全自動三維建模軟件Smart3D對空三加密后的影像數據進行實景三維場景的制作，作為三維可視化數字成果的基礎數據。通過不同時期實景三維模型間的空間對比分析，經過一定的篩選規則，自動提取出地形發生較大變化的區域，結合影像紋理特征輔助人工判別后可以得到對涉及環保的地物的變化監測的定性定量結果。即通過對不同時期三維場景的空間對比分析，標識出測區范圍內以異常變化的各個點位。

3.2 環境監控成果和分析

全線普查數字化影像資料經后期處理生成正射影像圖成果，可將現場調查工作轉變為室內圖像識別，既減少了大量外業工作，提高了工作效率，又可借助高清影像，提高工作質量。在高清矢量化全圖中，可將工程重點區域、環境敏感區、問題區域等標注，以便關注。必要時還可選出局部路段的數碼照片，進一步處理生成數字化三維地形模型，結合地面人工復核，進一步評估環境影響和環保措施效果。

圖1 料場出水口沉淀池和排水溝

4 重點區域無人機環境監控技術方案

4.1 重點區域監控方案與參數

環境監控的重點區域包括環境敏感區和橋隧等大型主體工程建設區，以及大型臨時工程建設區等。其重點內容包括: 工程占地面積; 場區對周邊的直接影響區面積; 表土堆存和有效保護情況; 堆料場體積及防護情況; 進場道路的防護情況; 場區周邊截流、順接自然水系的排水系統完整性，注意不能直排入江; 污水處理、泥漿池的位置和排水去向，注意不能直排入江河(溪流) ; 截排水溝、沉淀池等集雨( 洪) 設施的位置和排水去向; 局部生態恢復情況等。無人機能輔助建立較為準確的三維數字化模型，將所有面積、體積的測量定量化。在此基礎上，可建立GIS數據庫，便于后續監控做到“全部過程監控、圖像視頻直觀、分期數據對比”。

在正射影像圖中測量了全部施工場地和周邊匯水區的面積，周邊匯水區約260hm2，場區內部匯水面積為7hm2。制梁場工地外圍上邊坡設置了截水溝，周邊和下邊坡設置了排水溝，總體而言排水系統較為完善，已將場區與周邊徑流環境隔離。在工地內部，除少部分覆蓋的工棚和堆料場外，最大面積為裸露的土地，車輛機械活動使其壓實度較高。工地的植物截留、填洼與蒸發暫留幾乎可以忽略，因而對降雨的滯時和截留量十分有限，很快會形成地表徑流，從減少水土流失和洪水危害的角度，需要妥善設計臨時排水工程。在圖中判別工地內部的排水系統，如儲料場局部出水口設置了系列沉淀池，減少了泥漿的環境污染，并通過排水溝引流到工地場界外。然而，沉淀池和排水溝容積和斷面規格偏小，末端未順接到自然水系(見圖1)。2018年9月下旬某日降雨量在100mm以上，形成雨洪，產生了一定的水土流失危害。對此，通過無人機輔助環境監控建立了地形模型后，識別了匯水來源和下游徑流去向，為完善排水設施提供了設計依據，相關測量精度可達10cm級別。

無人機攝影測量生成的是分辨率為10cm的正射全景圖，可辨別施工場地的細節，檢查環保措施的落實情況和效果，發現潛在問題。制梁場工程區直接影響面積應控制在工程區周邊10m以內，而在實際圖中發現環境影響區域遠大于此。經測量，制梁場工程區面積為7.5hm2，周邊影響區達11hm2。對此，監控工程師提出了嚴格控制施工界限的要求。制梁場原址為農田和林草地，需要堆存保護表土，而在圖中未見該要求得到落實。此外，在圖中還判別施工人員宿舍區設置了簡易生活污水處理沉淀池(化糞池) ，以沉淀固體物質，而缺乏針對污水中 COD、BOD 的污染處理工藝。

在建立重點區域周邊環境三維數字模型、語義定義、矢量化標識的基礎上，使用GIS平臺軟件對整個環境中的關鍵對象進行平面面積、表面積、土石方量及周邊匯水面積測量，與以往長期積累的健康安全標準值比對，發出預警，進而向建設單位提出具有針對性、科學性、準確性的專業建議。

重點區域的常態化技術監督管理周期：在日常駐地監控工作的基礎上，無人機輔助工作的重點包括定期巡查和重點時段的針對性調查，特別是在容易造成水土流失的雨季。

4.2 實時監控識別與分析

無人機搭載智能識別系統，在全線域成果離線化的基礎上，實時讀取采集的數碼照片，進行環保區域重點設施以及周邊環境在分類上的識別、空間關系上的計算，和環境管理要求紅線進行對比分析，通過環境監控平臺實時表達或是通過接口實時推送至相關平臺。

5 結語

將無人機系統應用于項目施工期環境監控，提高了環境監控工作的質量和效率。今后，還可以在以下幾個方面進一步開展研究:(1)完善無人機的結構、設備和功能，如研發適應高海拔惡劣氣候的機型，圖視頻實時監控、異地超視距圖視頻傳送的軟硬件等;(2)協調無人機的使用空域，解決“黑飛”監控與技術應用之間的矛盾;(3)在無人機的“人機地載鏈”系統中，各使用單位應重視飛手培訓，提高安全性和專業性;(4)對大量的工程環水保數據進一步分析、歸類和使用，可先針對單個工程進而提煉普遍性規律，開發環境監控監測數據庫;(5)關注測量和工程資料的保密工作。