基于GIS空间分析的电站施工期环保自动监控技术研究

宋绪国 项荣华 李海涛 鲍利佳

(1.国网新源控股有限公司 北京 100761；2.浙江缙云抽水蓄能有限公司 浙江丽水 321400)

施工期环境监控是环境管理的重要内容也是重要手段，其组织机构、内容、技术方法等仍在不断探索和完善之中。根据相关法规和技术规范，以及大型建设项目环境影响报告书和水土保持方案及其批复的要求，在施工期应由专业人员针对工程产生的生态破坏和恢复、水土流失、噪声、污水和扬尘、废气及净化设施等，监控其影响的形式、数量和发展过程，减缓和监控其产生的环境不良影响，为业主和环境管理部门采取环水保( 环境保护与水土保持的合称) 措施提供科学依据。

电站施工期环境监控的工作量非常大，外业调查点多线长，内业资料整理庞杂。利用无人机技术辅助勘察和定量测量，可以提高工作效率，为更好地保护环境打下坚实基础。今以浙江某在建电站为例，研究无人机在施工期环境监控中的应用。

1 无人机助力环境监控的技术优势

将小微型无人机应用于遥感监控，在设备和外业操作方面的优势为:(1)运输、使用方便，飞行和维护等各项成本低廉;(2)针对监测区域的定位选择性强;(3)能很好地适应地形、云层等条件;(4)机动灵活，可采集高崖、陡坡处的数据;(5)工作速度快、效率高，获取信息及时。

在内业产品方面其优势为:(1)空中宏观大尺度的视角保障了整体的勘察效果;(2)影像直观性强，分辨率高;(3)资料时效性强;(4)数码照片经软件处理成为相关的测绘成果，包括数字化三维地形模型( DTM)、高程模型(DEM)、正射影像(DOM)、1:500～1:10 000比例尺线划图(DLG) 等，结合后期软件可直接导出CAD等各种格式的矢量文件，便于进一步规划设计。

2 电站环境监控

电站工程环境监控的对象包括全线域的日常工作和重点区域的技术监督管理。在无人机辅助下，可以弥补监控人员难以面面俱到的不足，更全面地了解工程的环境影响。

电站工程环境监控的对象的监测周期根据施工阶段(比如土石方工程施)、天气(雨季、风季)、环保重点检查期等条件设计相应的频次。

3 全线域无人机环境监控技术方案

3.1 无人机监测方案和参数

拟采用多旋翼无人航摄平台搭载倾斜航摄数码相机对测区进行多航次、全方位的倾斜航空摄影。同时采用CORS环境下的实时GPS RTK作业方式进行外业像片控制测量，利用像片控制测量成果对原始影像进行空中三角测量后得到影像的外方位元素，即摄影时刻影像的空间位置坐标和姿态参数。利用Map Matrix制图软件平台生成立体模型后，进行地形特征要素的采集，将采集的特征点、线、面要素通过构TIN形成三角网，栅格化后得到数字高程模型（DEM）数据成果。通过DEM成果对原始影像进行数字微分纠正，然后进行纠正影像的匀光、镶嵌、裁切和修饰后即可得到测区范围内的数字正射影像图（DOM）成果。

利用全自动三维建模软件Smart3D对空三加密后的影像数据进行实景三维场景的制作，作为三维可视化数字成果的基础数据。通过不同时期实景三维模型间的空间对比分析，经过一定的筛选规则，自动提取出地形发生较大变化的区域，结合影像纹理特征辅助人工判别后可以得到对涉及环保的地物的变化监测的定性定量结果。即通过对不同时期三维场景的空间对比分析，标识出测区范围内以异常变化的各个点位。

3.2 环境监控成果和分析

全线普查数字化影像资料经后期处理生成正射影像图成果，可将现场调查工作转变为室内图像识别，既减少了大量外业工作，提高了工作效率，又可借助高清影像，提高工作质量。在高清矢量化全图中，可将工程重点区域、环境敏感区、问题区域等标注，以便关注。必要时还可选出局部路段的数码照片，进一步处理生成数字化三维地形模型，结合地面人工复核，进一步评估环境影响和环保措施效果。

图1 料场出水口沉淀池和排水沟

4 重点区域无人机环境监控技术方案

4.1 重点区域监控方案与参数

环境监控的重点区域包括环境敏感区和桥隧等大型主体工程建设区，以及大型临时工程建设区等。其重点内容包括: 工程占地面积; 场区对周边的直接影响区面积; 表土堆存和有效保护情况; 堆料场体积及防护情况; 进场道路的防护情况; 场区周边截流、顺接自然水系的排水系统完整性，注意不能直排入江; 污水处理、泥浆池的位置和排水去向，注意不能直排入江河(溪流) ; 截排水沟、沉淀池等集雨( 洪) 设施的位置和排水去向; 局部生态恢复情况等。无人机能辅助建立较为准确的三维数字化模型，将所有面积、体积的测量定量化。在此基础上，可建立GIS数据库，便于后续监控做到“全部过程监控、图像视频直观、分期数据对比”。

在正射影像图中测量了全部施工场地和周边汇水区的面积，周边汇水区约260hm2，场区内部汇水面积为7hm2。制梁场工地外围上边坡设置了截水沟，周边和下边坡设置了排水沟，总体而言排水系统较为完善，已将场区与周边径流环境隔离。在工地内部，除少部分覆盖的工棚和堆料场外，最大面积为裸露的土地，车辆机械活动使其压实度较高。工地的植物截留、填洼与蒸发暂留几乎可以忽略，因而对降雨的滞时和截留量十分有限，很快会形成地表径流，从减少水土流失和洪水危害的角度，需要妥善设计临时排水工程。在图中判别工地内部的排水系统，如储料场局部出水口设置了系列沉淀池，减少了泥浆的环境污染，并通过排水沟引流到工地场界外。然而，沉淀池和排水沟容积和断面规格偏小，末端未顺接到自然水系(见图1)。2018年9月下旬某日降雨量在100mm以上，形成雨洪，产生了一定的水土流失危害。对此，通过无人机辅助环境监控建立了地形模型后，识别了汇水来源和下游径流去向，为完善排水设施提供了设计依据，相关测量精度可达10cm级别。

无人机摄影测量生成的是分辨率为10cm的正射全景图，可辨别施工场地的细节，检查环保措施的落实情况和效果，发现潜在问题。制梁场工程区直接影响面积应控制在工程区周边10m以内，而在实际图中发现环境影响区域远大于此。经测量，制梁场工程区面积为7.5hm2，周边影响区达11hm2。对此，监控工程师提出了严格控制施工界限的要求。制梁场原址为农田和林草地，需要堆存保护表土，而在图中未见该要求得到落实。此外，在图中还判别施工人员宿舍区设置了简易生活污水处理沉淀池(化粪池) ，以沉淀固体物质，而缺乏针对污水中 COD、BOD 的污染处理工艺。

在建立重点区域周边环境三维数字模型、语义定义、矢量化标识的基础上，使用GIS平台软件对整个环境中的关键对象进行平面面积、表面积、土石方量及周边汇水面积测量，与以往长期积累的健康安全标准值比对，发出预警，进而向建设单位提出具有针对性、科学性、准确性的专业建议。

重点区域的常态化技术监督管理周期：在日常驻地监控工作的基础上，无人机辅助工作的重点包括定期巡查和重点时段的针对性调查，特别是在容易造成水土流失的雨季。

4.2 实时监控识别与分析

无人机搭载智能识别系统，在全线域成果离线化的基础上，实时读取采集的数码照片，进行环保区域重点设施以及周边环境在分类上的识别、空间关系上的计算，和环境管理要求红线进行对比分析，通过环境监控平台实时表达或是通过接口实时推送至相关平台。

5 结语

将无人机系统应用于项目施工期环境监控，提高了环境监控工作的质量和效率。今后，还可以在以下几个方面进一步开展研究:(1)完善无人机的结构、设备和功能，如研发适应高海拔恶劣气候的机型，图视频实时监控、异地超视距图视频传送的软硬件等;(2)协调无人机的使用空域，解决“黑飞”监控与技术应用之间的矛盾;(3)在无人机的“人机地载链”系统中，各使用单位应重视飞手培训，提高安全性和专业性;(4)对大量的工程环水保数据进一步分析、归类和使用，可先针对单个工程进而提炼普遍性规律，开发环境监控监测数据库;(5)关注测量和工程资料的保密工作。