特高压线路工程环水保空天一体化监管关键技术研究及应用

李志斌 李 洋 谭荣荣

(北京洛斯达科技发展有限公司, 北京 100120)

0 引言

随着我国社会经济的快速发展,生产建设项目数量急剧增加。在工程建设期间,原地貌被人为干扰、机器开挖,地表原有的土壤和植被遭到破坏,裸露面积增加,表层土壤的耐蚀性减弱,导致土壤侵蚀加剧。科学、准确监测生产建设项目环水保措施实施状况,对进一步科学指导项目建设、防治水土流失具有积极意义。

传统输变电工程环水保实施监测以人工现场调查为主,通过人工拍照来搜集相关信息,时间周期长,无法宏观掌握工程环水保落实情况[1]。并且,日益复杂的电网建设环境、外部环境变化、行业发展的需求,迫切要求采用新技术提高生产建设项目环水保监测时效性及准确性。近年来,遥感技术、互联网技术、人工智能识别技术的快速发展为生产建设项目环水保监测技术的提高提供了可能。

国内人员利用遥感、互联网、智能识别等新技术已在水土流失现状监测、长期动态变化、植被变化趋势等方面开展了大量研究工作。张琳琳等[2]以北京市昌平区的2个处于施工期的项目为例,通过无人机遥感生成的数字正射影像和三维模型监测临时堆土的扰动面积;王新星等[3]在晋陕蒙接壤地区部批生产建设项目中,利用卫星遥感与无人机遥感技术精准观测地面扰动和水土保持措施;韩东等[4]利用无人机监测平台,结合机器学习算法,在浑善达克沙地榆树疏林草原地区实现植被类型的自动划分和不同类型植被覆盖度快速获取;戴洪宝等[5]利用无人机搭载的数码相机获取矿区序列倾斜影像,通过特征提取、空三测量、多视影像密集匹配等,重建露天矿山三维模型进而绘图，并运用方格网法计算土石方量,有效提高工作效率和工程精度;潘邦龙等[6]紧密围绕无人机多角度倾斜摄影实景三维模型,采用B/S和Cesium框架,研究三维不动产重建Web服务系统,展现了无人机倾斜摄影三维智慧化服务能力,为管理部门提供了有力的技术支撑;吴凯等[7]在锡林郭勒盟～胜利1 000 kV特高压交流输变电工程中,利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)理论,基于高分二号卫星数据提取扰动区域,精度达到65.2%[8]。

综上,移动互联网等新技术已应用于工程建设施工过程,但在电网工程项目的环水保监管领域应用较少。因此,本研究提出综合利用“移动互联网+机器学习+无人机倾斜摄影”技术创新工程环水保监管模式,研究环水保事中事后监管应用方案,并进行了工程应用,提高了环水保工作的监管效率。

1 环水保监管重点梳理

依据建设项目环水保监督管理办法、验收管理办法[9]、水土流失防治标准[10]等国家标准,结合环水保要求,获取项目开工前、施工阶段和竣工验收阶段的环水保工作重点,如表1所示。

表1 环水保监管重点

2 空天一体化监管关键技术

2.1 机器学习土地扰动范围提取

研究利用高分辨率光学遥感影像,基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)及其衍生网络,通过使用有限样本开展典型土地类型分类提取。

2.2 倾斜影像获取及实景三维模型重建

山区因传统无人机航飞航线的旁向覆盖范围少,航飞高度过高时,生成地物的三维模型视觉效果差,无法达到监测的要求。因此,本研究利用倾斜摄影数据进行三维模型重建,并设计高效的航飞方案及影像处理方案。

2.3 环保水保监管信息知识库建立

建立基于国产高分卫星影像、倾斜摄影数据的环保水保信息解译标志,借助影像光谱信息及纹理特征,提取特高压工程环保水保落实情况的信息,形成信息解译数据库。

3 空天一体化监管应用

3.1 高清国产卫星影像在环水保大范围监测中的应用

3.1.1卫星影像采集及处理

本研究采集了基础施工向组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段的全线亚米级高清卫星影像,如表2所示。数据主要是国内高分卫星,影像宽度为3～5 km,监测塔基、施工道路、敏感点等环水保重点监测区域。卫星影像处理的主要技术流程为正射纠正、配准、融合、镶嵌,总体技术流程如图1所示。

图1 卫星影像处理流程图

表2 研究采集影像数据

3.1.2 基于机器学习的塔基区土地扰动范围提取

开展基于机器学习的遥感影像塔基区土地扰动范围提取,主要包括土地扰动样本制作、扰动区域检测模型训练、扰动区域数据精度分析。首先,制作符合训练要求的样本;对于不同的遥感影像数据来源,进行监测模型的重复训练,得到针对不同数据来源的监测模型;最后,基于训练精度、识别精度2个方面评价检测模型的精度与适用性,满足土地扰动区域数据自动提取精度的要求。

3.1.3土地扰动、环水保措施解译

根据环水保监管重点项目,结合本项目环水保设计内容,高分卫星的解译范围包括塔基范围、施工道路范围、房屋拆迁及迹地恢复、敏感点新增情况、杆塔坐标偏移情况。每项解译范围如表3所示。

表3 工程环水保解译内容

解译知识库的建立,旨在降低影像判读的不确定性,形成统一的解译标准,更高效、准确地进行解译工作,辅助环水保验收。通过环水保资料收集和整理,结合环水保措施、遥感影像特点和解译要求,本文的解译知识库分为土地扰动、工程措施、临时措施和房屋拆迁与迹地恢复4大类,如表4～7所示。

表4 土地扰动解译知识库

表5 工程措施解译知识库

表6 临时措施解译知识库

表7 房屋拆迁与迹地恢复解译知识库

3.1.4工程监测应用

利用遥感核查技术形成某特高压工程基础施工向组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段2期环水保落实情况核查报告,具体核查结果如下。

(1)塔基扰动情况

监测指标包括:设计塔基数量、扰动塔基数量、实测扰动面积、平均扰动面积。其中,平均扰动面积=实测扰动面积/扰动塔基数量,核查情况如表8所示。

表8 塔基扰动情况解译

(2)施工道路扰动情况

监测指标包括:塔基数量、新增总长度、新增总面积、平均宽度。其中塔基数量为存在新增临时道路的塔基个数;平均宽度=新增总面积/新增总长度;新增总长度、新增总面积均来源于航片影像,影像范围外的新增道路未计入,核查情况如表9所示。

表9 施工道路扰动情况解译

(3)水土保持措施落实情况

对基础施工向组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段的1 072基杆塔进行水保措施落实情况解译,未按要求布设措施或措施不到位情况如表10所示。

表10 水土保持措施落实情况解译

(4)房屋拆迁及迹地恢复情况

通过基础施工向组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段核查房屋拆迁及迹地恢复情况,如表11所示。

表11 房屋拆迁及迹地恢复情况解译

(5)敏感点新增情况

通过核查,基础施工向组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段敏感点新增5处。

3.2 无人机倾斜摄影在重点区域环水保详查中的应用

3.2.1数据采集及处理

兼顾平地、丘陵和山地等不同地形条件,对环水保措施(设施)较多、无人机传统核查后典型环水保问题较多区域,兼顾多个施工标段的原则,分别选取山区约165 km,平原区约20 km作为典型区域,利用选取纯电动垂直起降固定翼无人机为载荷平台,搭载倾斜摄影相机进行航拍。经过外业数据预处理,进行空三测量计算生成稀疏点云模型,进一步构建三维TIN格网，创建白体模型、映射纹理，从而生成区域的三维实景模型,技术路线如图2所示。

图2 倾斜摄影数据处理技术路线

3.2.2 土地扰动、水保措施工量及环水保问题解译

根据环水保监管重点项目,结合本项目环水保设计内容,在无人机解译内容的基础上,新增制定了倾斜摄影的解译内容如表12所示。

表12 倾斜摄影新增解译内容

倾斜摄影的解译知识库涵盖无人机解译知识库的全部内容,增加了植草袋、植被恢复的判别标志,且可利用专业软件对挡土墙、余土、溜坡溜渣等进行体积和面积测量。倾斜摄影措施及问题解译内容如表13～14所示。

表13 措施解译知识库

3.2.3工程详查应用

在项目竣工验收阶段,选择185 km重点区域,共341基塔进行详查,详查内容包括:水土保持措施工量情况、植被恢复情况、环水保问题情况、塔基扰动情况。具体详查结果如表15所示。

表14 问题特征解译知识库

表15 竣工阶段重点区域详查结果

通过应用表明,本文成果适用于特高压线路工程组塔施工转序阶段、架线即将完成阶段和竣工验收阶段环水保监管工作。其中,高清国产卫星影像适用于快速大范围监测土地扰动面积;在重点区域,针对实景三维模型可立体量测特点,无人机倾斜摄影可对挡土墙、排水沟等设施和余土体积进行详查,辅助开展特高压线路工程环水保大范围监测,提升工作效率。

4 结束语

本文梳理了国产高清卫星影像数据获取、影像处理、卫星影像解译知识库建立及环水保普查的整体流程,形成国产高清卫星影像辅助环水保大范围监测技术方案;基于多源多尺度国产卫星影像,完成了基于机器学习的土地扰动范围提取方法研究;完成了从三维建模数据处理、解译知识库建立到倾斜摄影辅助详查的全流程研究和实验,并对三维建模处理流程进行方案优化研究,形成了基于倾斜摄影的环水保详查技术方案。

本文结合工程实际情况,基于遥感、互联网、智能识别等技术从“空天一体化”监管模式入手,进行生产建设项目环水保管理探索,研究结果可改善传统工程项目环水保监测效率低、实时性不足等问题,为项目管理部门提供了一种环水保监管的新模式,提升了监管效能。最后,本文仅研究了专项设计部分典型措施的解译知识库,后续需要进一步梳理和拓展历史工程设计、施工和竣工各阶段环水保典型措施、典型问题等经验库,不断积累环水保工程实践经验,为后续工程专项设计提供参考。