特高壓線路工程環(huán)水保空天一體化監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

李志斌 李 洋 譚榮榮

(北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司, 北京 100120)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量急劇增加。在工程建設(shè)期間,原地貌被人為干擾、機(jī)器開挖,地表原有的土壤和植被遭到破壞,裸露面積增加,表層土壤的耐蝕性減弱,導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。科學(xué)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)水保措施實(shí)施狀況,對(duì)進(jìn)一步科學(xué)指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)、防治水土流失具有積極意義。

傳統(tǒng)輸變電工程環(huán)水保實(shí)施監(jiān)測(cè)以人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主,通過人工拍照來搜集相關(guān)信息,時(shí)間周期長(zhǎng),無法宏觀掌握工程環(huán)水保落實(shí)情況[1]。并且,日益復(fù)雜的電網(wǎng)建設(shè)環(huán)境、外部環(huán)境變化、行業(yè)發(fā)展的需求,迫切要求采用新技術(shù)提高生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)水保監(jiān)測(cè)時(shí)效性及準(zhǔn)確性。近年來,遙感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)水保監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高提供了可能。

國(guó)內(nèi)人員利用遙感、互聯(lián)網(wǎng)、智能識(shí)別等新技術(shù)已在水土流失現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化、植被變化趨勢(shì)等方面開展了大量研究工作。張琳琳等[2]以北京市昌平區(qū)的2個(gè)處于施工期的項(xiàng)目為例,通過無人機(jī)遙感生成的數(shù)字正射影像和三維模型監(jiān)測(cè)臨時(shí)堆土的擾動(dòng)面積;王新星等[3]在晉陜蒙接壤地區(qū)部批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目中,利用衛(wèi)星遙感與無人機(jī)遙感技術(shù)精準(zhǔn)觀測(cè)地面擾動(dòng)和水土保持措施;韓東等[4]利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái),結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,在渾善達(dá)克沙地榆樹疏林草原地區(qū)實(shí)現(xiàn)植被類型的自動(dòng)劃分和不同類型植被覆蓋度快速獲取;戴洪寶等[5]利用無人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)獲取礦區(qū)序列傾斜影像,通過特征提取、空三測(cè)量、多視影像密集匹配等,重建露天礦山三維模型進(jìn)而繪圖，并運(yùn)用方格網(wǎng)法計(jì)算土石方量,有效提高工作效率和工程精度;潘邦龍等[6]緊密圍繞無人機(jī)多角度傾斜攝影實(shí)景三維模型,采用B/S和Cesium框架,研究三維不動(dòng)產(chǎn)重建Web服務(wù)系統(tǒng),展現(xiàn)了無人機(jī)傾斜攝影三維智慧化服務(wù)能力,為管理部門提供了有力的技術(shù)支撐;吳凱等[7]在錫林郭勒盟～勝利1 000 kV特高壓交流輸變電工程中,利用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)理論,基于高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取擾動(dòng)區(qū)域,精度達(dá)到65.2%[8]。

綜上,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)已應(yīng)用于工程建設(shè)施工過程,但在電網(wǎng)工程項(xiàng)目的環(huán)水保監(jiān)管領(lǐng)域應(yīng)用較少。因此,本研究提出綜合利用“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+機(jī)器學(xué)習(xí)+無人機(jī)傾斜攝影”技術(shù)創(chuàng)新工程環(huán)水保監(jiān)管模式,研究環(huán)水保事中事后監(jiān)管應(yīng)用方案,并進(jìn)行了工程應(yīng)用,提高了環(huán)水保工作的監(jiān)管效率。

1 環(huán)水保監(jiān)管重點(diǎn)梳理

依據(jù)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)水保監(jiān)督管理辦法、驗(yàn)收管理辦法[9]、水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)[10]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合環(huán)水保要求,獲取項(xiàng)目開工前、施工階段和竣工驗(yàn)收階段的環(huán)水保工作重點(diǎn),如表1所示。

表1 環(huán)水保監(jiān)管重點(diǎn)

2 空天一體化監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)土地?cái)_動(dòng)范圍提取

研究利用高分辨率光學(xué)遙感影像,基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network，CNN)及其衍生網(wǎng)絡(luò),通過使用有限樣本開展典型土地類型分類提取。

2.2 傾斜影像獲取及實(shí)景三維模型重建

山區(qū)因傳統(tǒng)無人機(jī)航飛航線的旁向覆蓋范圍少,航飛高度過高時(shí),生成地物的三維模型視覺效果差,無法達(dá)到監(jiān)測(cè)的要求。因此,本研究利用傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建,并設(shè)計(jì)高效的航飛方案及影像處理方案。

2.3 環(huán)保水保監(jiān)管信息知識(shí)庫(kù)建立

建立基于國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星影像、傾斜攝影數(shù)據(jù)的環(huán)保水保信息解譯標(biāo)志,借助影像光譜信息及紋理特征,提取特高壓工程環(huán)保水保落實(shí)情況的信息,形成信息解譯數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 空天一體化監(jiān)管應(yīng)用

3.1 高清國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像在環(huán)水保大范圍監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1.1衛(wèi)星影像采集及處理

本研究采集了基礎(chǔ)施工向組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段的全線亞米級(jí)高清衛(wèi)星影像,如表2所示。數(shù)據(jù)主要是國(guó)內(nèi)高分衛(wèi)星,影像寬度為3～5 km,監(jiān)測(cè)塔基、施工道路、敏感點(diǎn)等環(huán)水保重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。衛(wèi)星影像處理的主要技術(shù)流程為正射糾正、配準(zhǔn)、融合、鑲嵌,總體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星影像處理流程圖

表2 研究采集影像數(shù)據(jù)

3.1.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的塔基區(qū)土地?cái)_動(dòng)范圍提取

開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的遙感影像塔基區(qū)土地?cái)_動(dòng)范圍提取,主要包括土地?cái)_動(dòng)樣本制作、擾動(dòng)區(qū)域檢測(cè)模型訓(xùn)練、擾動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)精度分析。首先,制作符合訓(xùn)練要求的樣本;對(duì)于不同的遙感影像數(shù)據(jù)來源,進(jìn)行監(jiān)測(cè)模型的重復(fù)訓(xùn)練,得到針對(duì)不同數(shù)據(jù)來源的監(jiān)測(cè)模型;最后,基于訓(xùn)練精度、識(shí)別精度2個(gè)方面評(píng)價(jià)檢測(cè)模型的精度與適用性,滿足土地?cái)_動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)自動(dòng)提取精度的要求。

3.1.3土地?cái)_動(dòng)、環(huán)水保措施解譯

根據(jù)環(huán)水保監(jiān)管重點(diǎn)項(xiàng)目,結(jié)合本項(xiàng)目環(huán)水保設(shè)計(jì)內(nèi)容,高分衛(wèi)星的解譯范圍包括塔基范圍、施工道路范圍、房屋拆遷及跡地恢復(fù)、敏感點(diǎn)新增情況、桿塔坐標(biāo)偏移情況。每項(xiàng)解譯范圍如表3所示。

表3 工程環(huán)水保解譯內(nèi)容

解譯知識(shí)庫(kù)的建立,旨在降低影像判讀的不確定性,形成統(tǒng)一的解譯標(biāo)準(zhǔn),更高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行解譯工作,輔助環(huán)水保驗(yàn)收。通過環(huán)水保資料收集和整理,結(jié)合環(huán)水保措施、遙感影像特點(diǎn)和解譯要求,本文的解譯知識(shí)庫(kù)分為土地?cái)_動(dòng)、工程措施、臨時(shí)措施和房屋拆遷與跡地恢復(fù)4大類,如表4～7所示。

表4 土地?cái)_動(dòng)解譯知識(shí)庫(kù)

表5 工程措施解譯知識(shí)庫(kù)

表6 臨時(shí)措施解譯知識(shí)庫(kù)

表7 房屋拆遷與跡地恢復(fù)解譯知識(shí)庫(kù)

3.1.4工程監(jiān)測(cè)應(yīng)用

利用遙感核查技術(shù)形成某特高壓工程基礎(chǔ)施工向組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段2期環(huán)水保落實(shí)情況核查報(bào)告,具體核查結(jié)果如下。

(1)塔基擾動(dòng)情況

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:設(shè)計(jì)塔基數(shù)量、擾動(dòng)塔基數(shù)量、實(shí)測(cè)擾動(dòng)面積、平均擾動(dòng)面積。其中,平均擾動(dòng)面積=實(shí)測(cè)擾動(dòng)面積/擾動(dòng)塔基數(shù)量,核查情況如表8所示。

表8 塔基擾動(dòng)情況解譯

(2)施工道路擾動(dòng)情況

監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括:塔基數(shù)量、新增總長(zhǎng)度、新增總面積、平均寬度。其中塔基數(shù)量為存在新增臨時(shí)道路的塔基個(gè)數(shù);平均寬度=新增總面積/新增總長(zhǎng)度;新增總長(zhǎng)度、新增總面積均來源于航片影像,影像范圍外的新增道路未計(jì)入,核查情況如表9所示。

表9 施工道路擾動(dòng)情況解譯

(3)水土保持措施落實(shí)情況

對(duì)基礎(chǔ)施工向組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段的1 072基桿塔進(jìn)行水保措施落實(shí)情況解譯,未按要求布設(shè)措施或措施不到位情況如表10所示。

表10 水土保持措施落實(shí)情況解譯

(4)房屋拆遷及跡地恢復(fù)情況

通過基礎(chǔ)施工向組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段核查房屋拆遷及跡地恢復(fù)情況,如表11所示。

表11 房屋拆遷及跡地恢復(fù)情況解譯

(5)敏感點(diǎn)新增情況

通過核查,基礎(chǔ)施工向組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段敏感點(diǎn)新增5處。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影在重點(diǎn)區(qū)域環(huán)水保詳查中的應(yīng)用

3.2.1數(shù)據(jù)采集及處理

兼顧平地、丘陵和山地等不同地形條件,對(duì)環(huán)水保措施(設(shè)施)較多、無人機(jī)傳統(tǒng)核查后典型環(huán)水保問題較多區(qū)域,兼顧多個(gè)施工標(biāo)段的原則,分別選取山區(qū)約165 km,平原區(qū)約20 km作為典型區(qū)域,利用選取純電動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)為載荷平臺(tái),搭載傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行航拍。經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理,進(jìn)行空三測(cè)量計(jì)算生成稀疏點(diǎn)云模型,進(jìn)一步構(gòu)建三維TIN格網(wǎng)，創(chuàng)建白體模型、映射紋理，從而生成區(qū)域的三維實(shí)景模型,技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線

3.2.2 土地?cái)_動(dòng)、水保措施工量及環(huán)水保問題解譯

根據(jù)環(huán)水保監(jiān)管重點(diǎn)項(xiàng)目,結(jié)合本項(xiàng)目環(huán)水保設(shè)計(jì)內(nèi)容,在無人機(jī)解譯內(nèi)容的基礎(chǔ)上,新增制定了傾斜攝影的解譯內(nèi)容如表12所示。

表12 傾斜攝影新增解譯內(nèi)容

傾斜攝影的解譯知識(shí)庫(kù)涵蓋無人機(jī)解譯知識(shí)庫(kù)的全部?jī)?nèi)容,增加了植草袋、植被恢復(fù)的判別標(biāo)志,且可利用專業(yè)軟件對(duì)擋土墻、余土、溜坡溜渣等進(jìn)行體積和面積測(cè)量。傾斜攝影措施及問題解譯內(nèi)容如表13～14所示。

表13 措施解譯知識(shí)庫(kù)

3.2.3工程詳查應(yīng)用

在項(xiàng)目竣工驗(yàn)收階段,選擇185 km重點(diǎn)區(qū)域,共341基塔進(jìn)行詳查,詳查內(nèi)容包括:水土保持措施工量情況、植被恢復(fù)情況、環(huán)水保問題情況、塔基擾動(dòng)情況。具體詳查結(jié)果如表15所示。

表14 問題特征解譯知識(shí)庫(kù)

表15 竣工階段重點(diǎn)區(qū)域詳查結(jié)果

通過應(yīng)用表明,本文成果適用于特高壓線路工程組塔施工轉(zhuǎn)序階段、架線即將完成階段和竣工驗(yàn)收階段環(huán)水保監(jiān)管工作。其中,高清國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像適用于快速大范圍監(jiān)測(cè)土地?cái)_動(dòng)面積;在重點(diǎn)區(qū)域,針對(duì)實(shí)景三維模型可立體量測(cè)特點(diǎn),無人機(jī)傾斜攝影可對(duì)擋土墻、排水溝等設(shè)施和余土體積進(jìn)行詳查,輔助開展特高壓線路工程環(huán)水保大范圍監(jiān)測(cè),提升工作效率。

4 結(jié)束語

本文梳理了國(guó)產(chǎn)高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取、影像處理、衛(wèi)星影像解譯知識(shí)庫(kù)建立及環(huán)水保普查的整體流程,形成國(guó)產(chǎn)高清衛(wèi)星影像輔助環(huán)水保大范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)方案;基于多源多尺度國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像,完成了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土地?cái)_動(dòng)范圍提取方法研究;完成了從三維建模數(shù)據(jù)處理、解譯知識(shí)庫(kù)建立到傾斜攝影輔助詳查的全流程研究和實(shí)驗(yàn),并對(duì)三維建模處理流程進(jìn)行方案優(yōu)化研究,形成了基于傾斜攝影的環(huán)水保詳查技術(shù)方案。

本文結(jié)合工程實(shí)際情況,基于遙感、互聯(lián)網(wǎng)、智能識(shí)別等技術(shù)從“空天一體化”監(jiān)管模式入手,進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)水保管理探索,研究結(jié)果可改善傳統(tǒng)工程項(xiàng)目環(huán)水保監(jiān)測(cè)效率低、實(shí)時(shí)性不足等問題,為項(xiàng)目管理部門提供了一種環(huán)水保監(jiān)管的新模式,提升了監(jiān)管效能。最后,本文僅研究了專項(xiàng)設(shè)計(jì)部分典型措施的解譯知識(shí)庫(kù),后續(xù)需要進(jìn)一步梳理和拓展歷史工程設(shè)計(jì)、施工和竣工各階段環(huán)水保典型措施、典型問題等經(jīng)驗(yàn)庫(kù),不斷積累環(huán)水保工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)提供參考。