特高壓工程土地擾動監測平臺設計與實現

(北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120)

0 引言

特高壓直流輸電工程規模大，所處自然環境復雜，可能跨越農村、城市、生態保護區等不同地區及平原、山地、荒漠、林地等多種地貌。工程建設過程中，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，棄土堆放處理不當會發生溜坡，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，電網工程建設對水土保持的影響成為考核建設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更加復雜。

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

深度學習技術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，以特高壓直流工程建設過程中的無人機影像為數據源，建立特高壓工程施工現場土地擾動監測平臺，通過影像信息提取，獲取特高壓工程通道內土地擾動信息，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測目的。

1 需求分析

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

1)可兼容常見數據。能夠適用當前主流遙感影像，可以兼容國內外衛星數據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，應能夠識別較大目標地物，能夠適用當前主流矢量數據。

2)提取結果準確性高。施工現場土地擾動提取正確率應優于90%，漏檢率和錯檢率低于10%；識別位置精度，一般應在2個像素內，即優于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，因工程桿塔數量多，監測結果的時效性要求高，因此對平臺提取速度要求較高。

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

2 系統設計

2.1 開發工具

平臺設計為單機版，基于ArcGIS Engine和MATLAB進行二次開發，開發使用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，開發語言采用C#。

2.2 功能設計

1)數據的組織與管理功能設計

地理空間數據可以以文件形式存儲，也可以存儲在地理空間數據庫中。矢量數據以文件形式存儲時，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。當空間數據存儲至地理空間數據庫時，本平臺數據庫為文件地理數據庫FGDB。選用FGDB而不是個人地理數據庫mdb或企業級地理數據庫，原因是mdb容量太小，僅能容納2 GB，而FGBD可以擴展至1 TB，企業級數據庫容量大，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)數據加載、顯示與圖層控制功能設計

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開發環境，可以開發具有可視化窗體界面的應用程序。在該應用程序中，MapControl主要用于數據的可視化，TocControl主要用于圖層的控制。除此之外，ArcGIS Engine還提供了空間數據的加載接口，借助于這些接口，平臺可以快速、安全地將這些數據加載至顯示模塊，并將其與圖層控制模塊聯動。

3)信息提取功能設計

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。信息提取結果為shape file格式的矢量數據。

4)數據編輯功能設計

平臺自動提取的結果難免有錯誤，數據編輯功能能夠對提取結果進行編輯。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。開始編輯使數據進入編輯狀態，只有進入編輯狀態后用戶才可對數據進行編輯；停止編輯結束編輯狀態，并提示用戶是否保存編輯成果；保存不結束編輯狀態，它只保存用戶的編輯結果。

5)統計分析功能設計

基于深度學習提取地物信息后，還需要對其進行統計分析，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論，并以可視化的形式進行統計展示，方便建設管理單位和水保監測單位進行查閱。

6)信息導出功能設計

提取出的土地擾動信息，可以Excel形式導出。

3 系統實現及應用

3.1 系統實現

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

平臺的主要功能包括數據加載、數據瀏覽、信息提取、信息統計、數據編輯、視圖控制和系統設置等。

部分界面如1所示：

圖1 平臺界面

3.2 系統應用

特高壓工程水土保持監測需要在施工期及試運行期進行監測。施工期主要監測施工區土地擾動面積是否超過合理擾動范圍，試運行期主要監測施工結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用實踐。

1)施工期應用實踐

施工期施工區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處理，利用平臺進行信息提取，得到施工區面積，土地擾動面積=施工區面積－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 施工期土地擾動監測

2)試運行期應用實踐

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處理，利用平臺進行信息提取，得到施工區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 結語

特高壓工程施工現場土地擾動監測平臺基于深度學習技術，整合高分辨率遙感影像、工程基礎信息等，可及時獲取特高壓工程建設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，為工程建設管理人員加強水土保持過程統籌管理提供技術手段。