無人機低空遙感技術在輸變電工程水土保持監測中的應用

程 曦，翟曉萌，倉 敏，李小樸，聶 峰

(1.國網江蘇省電力有限公司 經濟技術研究院，江蘇 南京 210008；2.中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200001)

無人機低空遙感技術是以無人機為空中平臺，通過搭載傳感器獲取影像，再通過計算機進行處理，結合特定需求提取信息并制作相關圖件[1]。近年來，無人機低空遙感技術在水土保持監測領域的應用逐漸增多，對于及時、客觀、全面掌握生產建設項目過程中的水土保持信息，推進監測工作向數據定量化、成果精細化和信息化發展發揮了重要的技術引領作用[2-3]。相比傳統的地面觀測、現場調查、資料收集等方法，采用無人機低空遙感技術可以輕松獲取在建項目特定時段和特定空間分辨率的影像資料，為監測工作提供客觀的多時相基礎數據[4-5]。然而，如何將這項技術應用到輸變電工程水土保持監測工作中并滿足監測規程標準要求，目前尚未形成一套成熟的技術方案。因此，本研究以江蘇南通某500 kV輸變電工程為例，結合《生產建設項目水土保持監測與評價標準》(GB/T 51240—2018)(以下簡稱《監測與評價標準》)要求，以經濟、實用及高效為出發點和考量，提出基于無人機低空遙感技術的輸變電工程水土保持監測方法，以提高輸變電工程水土保持監測工作效率、成果精度和信息化水平，為水土流失監測與防治提供可靠的技術支撐。

1 技術路線

在輸變電工程建設過程中，應用無人機低空遙感技術可以獲取項目區一定重疊度的全覆蓋正射相片，在內業通過Pix4D軟件生成項目區域全覆蓋數字正射影像(DOM)、數字表面模型(DSM)等，基于這些數據提取項目實際擾動土地面積、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測信息，建立項目建設全過程水土保持監測數據庫，從而綜合評價項目施工過程中的水土保持工作開展情況，為編寫水土保持監測季報、年報及竣工階段監測總結報告提供監測數據和影像支撐[6-7]。技術路線見圖1。

圖1 無人機低空遙感技術路線

2 應用實例

以江蘇南通某500 kV輸變電工程水土流失監測過程中無人機低空遙感技術的應用作為典型案例，分析上述技術路線的實施效果。該項目建設內容是將原220 kV變電站升壓擴建為500 kV，同時新建500 kV輸電線路2.4 km，于2018年7月開工建設，2019年8月竣工。由于項目建設特點為點、線型結合，變電站占地面積大，線路塔基分散，傳統的人工現場監測不僅耗時耗力、經濟效益差，而且很難做到對項目進行全覆蓋與精準監測，無法直觀、準確地展示不同施工階段的水土流失防治效果，因此根據項目特點結合無人機高分辨率、全覆蓋及時效性強的優勢，通過實施不同施工階段無人機低空遙感監測獲取水土保持監測數據，結合監測與評價標準，實現項目全過程的水土保持動態監測與防治效果評價。

該項目監測無人機采用大疆精靈4 RTK，地面站控制軟件采用大疆DJI GS PRO2.0，航測軟件采用Pix4D 4.0，圖像處理硬件采用移動圖像工作站戴爾Precision 7550，數據分析采用ArcGIS軟件。根據施工進度和監測需要，應用無人機低空遙感技術分別于2018年7月、2018年12月、2019年5月、2019年11月進行數據采集，獲取了4期遙感數據，用于擾動土地面積、土石方、水土保持措施、防治效果監測等。

2.1 擾動土地面積監測

根據4期DOM數據，利用ArcGIS提取各防治分區的擾動土地面積及其變化情況，見表1和圖2。2018年7月，首次無人機監測發現工程未啟用方案設置在站外西北側的臨時堆土場，同時新增了站外電纜施工區。2019年5月，項目擾動土地面積達到最大值6.23 hm2，與方案批復的防治責任范圍疊加后發現，項目實際擾動土地面積小于方案批復的防治責任范圍(6.32 hm2)。根據監測結果與建設單位溝通，新增站外電纜施工區土地屬于該項目施工前場地遷改工程，且建設單位已辦理施工占地賠償手續，現有監測影像已將新增防治責任范圍納入監測范圍，故工程實際未發生重大變更，無違規建設行為。無人機全過程監測數據對于防止項目因擾動范圍增大而產生水土保持方案重大變更發揮了重要作用。

表1 無人機提取項目不同建設時期的擾動土地面積 hm2

圖2 項目建設全過程4期DOM數據

2.2 土石方監測

受場地限制，項目實際施工過程中對站區開挖的土石方進行了外運處置，未在站區設置臨時堆土場，所以僅考慮對線路工程基礎開挖的土石方進行數據采集。根據線路土石方DSM數據，在Pix4D中創建表土剝離量和臨時堆土量(Volume)，計算線路土石方量。表土堆土場見圖3，臨時堆土場見圖4，土石方監測結果見表2。與收集的線路土建工程量資料進行對比，無人機提取的土石方結果精度均在90%以上，滿足監測與評價標準要求。

圖3 線路表土堆土場DSM數據

圖4 線路臨時堆土場DSM數據

表2 無人機提取項目土石方信息及與施工土石方量對比

2.3 水土保持措施監測

根據項目4期DOM數據，利用ArcGIS提取并統計各分區不同施工階段落實的水土保持措施，監測結果顯示：站區，植物措施鋪植草皮2.64 hm2，密目網苫蓋3 438 m2，臨時排水溝180 m，泥漿沉淀池1座；進站道路區，撒播草籽0.01 hm2，密目網苫蓋1 500 m2；施工生產生活區，耕地恢復0.55 hm2；站外電纜施工區，撒播草籽0.82 hm2；塔基及塔基施工區，表土剝離33.68 m3，撒播草籽0.64 hm2，密目網苫蓋276.36 m2，臨時排水溝137 m，泥漿沉淀池1座。

2.4 防治效果監測

根據項目竣工后的DOM數據(2019年11月)，利用ArcGIS提取并統計各分區最大擾動土地面積及水土流失治理面積，計算該工程的水土流失防治指標值。因該項目站區未設置臨時堆土場，故僅對水土流失治理度、土壤流失控制比、林草植被恢復率及林草覆蓋率進行計算，見表3。無人機監測獲得的各分區擾動土地面積、水土流失治理面積及建構筑物硬化面積等分別為：站區，擾動土地面積3.56 hm2，植物措施治理面積2.64 hm2，建構筑物及硬化場地面積0.92 hm2；進站道路區，擾動土地面積0.17 hm2，硬化面積0.17 hm2；施工生產生活區，擾動土地面積0.96 hm2，耕地恢復治理面積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，擾動土地面積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，擾動土地面積0.65 hm2，撒播草籽治理面積0.64 hm2，未治理面積0.01 hm2。治理后項目區侵蝕模數為300 t/(km2·a)。

表3 水土保持指標計算結果

3 應用分析

傳統的輸變電工程水土保持監測常采用查閱施工圖紙、現場量測等方法，不僅耗時耗力，而且精度一般。采用無人機低空遙感技術可以快速獲取項目任意施工階段的全覆蓋高清數據信息，并且監測精度滿足要求。結合上述案例，在項目擾動土地面積監測方面，無人機低空遙感技術借助ArcGIS軟件中的空間分析計算功能，能夠快速、精準地提取各分區施工擾動空間分布情況，并基于多期監測成果實現項目施工過程中擾動面積的動態監測，為建設單位有效應對“天地一體化”擾動合規性核查提供技術支持；在水土保持措施監測方面，可快速獲取實際落實的措施位置及數量，能夠實現水土保持措施數據與影像聯動效果；在土石方監測方面，改變了單純依靠外業實測土石方工作量大、耗時長的現狀；在水土流失防治效果監測方面，可實現防治目標的動態監測，具有直觀、準確的優勢，有助于及時發現工程現場水土流失防治問題，提高了驗收階段核查的工作效率。特別是無人機低空遙感監測不受時間限制，實現了項目建設全過程的定量動態監測，并且能夠對監測信息進行存儲和管理，符合《水利部辦公廳關于進一步加強生產建設項目水土保持監測工作的通知》(辦水保〔2020〕161號)中提出的水土保持監測要充分應用無人機遙感，運用互聯網+、大數據等高新信息技術手段，不斷提高監測質量和水平，實現對生產建設項目水土流失的定量監測和過程控制的要求。

隨著國家“放管服”改革的推進，水利部加強了對生產建設項目水土保持事中事后監管，通過搭建“天地一體化”監管平臺系統實現了對在建項目事中事后水保監督核查，其中項目擾動合規性是水保監督核查的一項重要內容[8-10]。由于高分衛星遙感影像的空間分辨率通常為1.0～2.0 m，對于擾動面積較小的在建項目，擾動面積及水土保持措施在衛星影像中所占像元數量較少，提取的數據誤差較大，因此無法做到準確識別。而無人機低空遙感技術獲取的項目全覆蓋正射影像，其影像空間分辨率為厘米級別，是遙感衛星影像的100倍以上，在及時、準確發現擾動違規問題方面更具優勢。此外，無人機低空遙感技術高清還原了在建項目的施工進度、施工質量及現場安全防護措施落實等細節信息，為建設單位把控項目進度、質量及安全等提供了有效的技術支持。