无人机低空遥感技术在输变电工程水土保持监测中的应用

程 曦，翟晓萌，仓 敏，李小朴，聂 峰

(1.国网江苏省电力有限公司 经济技术研究院，江苏 南京 210008；2.中国电力工程顾问集团 华东电力设计院有限公司，上海 200001)

无人机低空遥感技术是以无人机为空中平台，通过搭载传感器获取影像，再通过计算机进行处理，结合特定需求提取信息并制作相关图件[1]。近年来，无人机低空遥感技术在水土保持监测领域的应用逐渐增多，对于及时、客观、全面掌握生产建设项目过程中的水土保持信息，推进监测工作向数据定量化、成果精细化和信息化发展发挥了重要的技术引领作用[2-3]。相比传统的地面观测、现场调查、资料收集等方法，采用无人机低空遥感技术可以轻松获取在建项目特定时段和特定空间分辨率的影像资料，为监测工作提供客观的多时相基础数据[4-5]。然而，如何将这项技术应用到输变电工程水土保持监测工作中并满足监测规程标准要求，目前尚未形成一套成熟的技术方案。因此，本研究以江苏南通某500 kV输变电工程为例，结合《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018)(以下简称《监测与评价标准》)要求，以经济、实用及高效为出发点和考量，提出基于无人机低空遥感技术的输变电工程水土保持监测方法，以提高输变电工程水土保持监测工作效率、成果精度和信息化水平，为水土流失监测与防治提供可靠的技术支撑。

1 技术路线

在输变电工程建设过程中，应用无人机低空遥感技术可以获取项目区一定重叠度的全覆盖正射相片，在内业通过Pix4D软件生成项目区域全覆盖数字正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM)等，基于这些数据提取项目实际扰动土地面积、取土(石、料)/弃土(石、渣)量、水土流失状况、水土保持措施、水土流失防治效果及水土流失危害等监测信息，建立项目建设全过程水土保持监测数据库，从而综合评价项目施工过程中的水土保持工作开展情况，为编写水土保持监测季报、年报及竣工阶段监测总结报告提供监测数据和影像支撑[6-7]。技术路线见图1。

图1 无人机低空遥感技术路线

2 应用实例

以江苏南通某500 kV输变电工程水土流失监测过程中无人机低空遥感技术的应用作为典型案例，分析上述技术路线的实施效果。该项目建设内容是将原220 kV变电站升压扩建为500 kV，同时新建500 kV输电线路2.4 km，于2018年7月开工建设，2019年8月竣工。由于项目建设特点为点、线型结合，变电站占地面积大，线路塔基分散，传统的人工现场监测不仅耗时耗力、经济效益差，而且很难做到对项目进行全覆盖与精准监测，无法直观、准确地展示不同施工阶段的水土流失防治效果，因此根据项目特点结合无人机高分辨率、全覆盖及时效性强的优势，通过实施不同施工阶段无人机低空遥感监测获取水土保持监测数据，结合监测与评价标准，实现项目全过程的水土保持动态监测与防治效果评价。

该项目监测无人机采用大疆精灵4 RTK，地面站控制软件采用大疆DJI GS PRO2.0，航测软件采用Pix4D 4.0，图像处理硬件采用移动图像工作站戴尔Precision 7550，数据分析采用ArcGIS软件。根据施工进度和监测需要，应用无人机低空遥感技术分别于2018年7月、2018年12月、2019年5月、2019年11月进行数据采集，获取了4期遥感数据，用于扰动土地面积、土石方、水土保持措施、防治效果监测等。

2.1 扰动土地面积监测

根据4期DOM数据，利用ArcGIS提取各防治分区的扰动土地面积及其变化情况，见表1和图2。2018年7月，首次无人机监测发现工程未启用方案设置在站外西北侧的临时堆土场，同时新增了站外电缆施工区。2019年5月，项目扰动土地面积达到最大值6.23 hm2，与方案批复的防治责任范围叠加后发现，项目实际扰动土地面积小于方案批复的防治责任范围(6.32 hm2)。根据监测结果与建设单位沟通，新增站外电缆施工区土地属于该项目施工前场地迁改工程，且建设单位已办理施工占地赔偿手续，现有监测影像已将新增防治责任范围纳入监测范围，故工程实际未发生重大变更，无违规建设行为。无人机全过程监测数据对于防止项目因扰动范围增大而产生水土保持方案重大变更发挥了重要作用。

表1 无人机提取项目不同建设时期的扰动土地面积 hm2

图2 项目建设全过程4期DOM数据

2.2 土石方监测

受场地限制，项目实际施工过程中对站区开挖的土石方进行了外运处置，未在站区设置临时堆土场，所以仅考虑对线路工程基础开挖的土石方进行数据采集。根据线路土石方DSM数据，在Pix4D中创建表土剥离量和临时堆土量(Volume)，计算线路土石方量。表土堆土场见图3，临时堆土场见图4，土石方监测结果见表2。与收集的线路土建工程量资料进行对比，无人机提取的土石方结果精度均在90%以上，满足监测与评价标准要求。

图3 线路表土堆土场DSM数据

图4 线路临时堆土场DSM数据

表2 无人机提取项目土石方信息及与施工土石方量对比

2.3 水土保持措施监测

根据项目4期DOM数据，利用ArcGIS提取并统计各分区不同施工阶段落实的水土保持措施，监测结果显示：站区，植物措施铺植草皮2.64 hm2，密目网苫盖3 438 m2，临时排水沟180 m，泥浆沉淀池1座；进站道路区，撒播草籽0.01 hm2，密目网苫盖1 500 m2；施工生产生活区，耕地恢复0.55 hm2；站外电缆施工区，撒播草籽0.82 hm2；塔基及塔基施工区，表土剥离33.68 m3，撒播草籽0.64 hm2，密目网苫盖276.36 m2，临时排水沟137 m，泥浆沉淀池1座。

2.4 防治效果监测

根据项目竣工后的DOM数据(2019年11月)，利用ArcGIS提取并统计各分区最大扰动土地面积及水土流失治理面积，计算该工程的水土流失防治指标值。因该项目站区未设置临时堆土场，故仅对水土流失治理度、土壤流失控制比、林草植被恢复率及林草覆盖率进行计算，见表3。无人机监测获得的各分区扰动土地面积、水土流失治理面积及建构筑物硬化面积等分别为：站区，扰动土地面积3.56 hm2，植物措施治理面积2.64 hm2，建构筑物及硬化场地面积0.92 hm2；进站道路区，扰动土地面积0.17 hm2，硬化面积0.17 hm2；施工生产生活区，扰动土地面积0.96 hm2，耕地恢复治理面积0.55 hm2，临建硬化面积0.40 hm2，未治理面积0.01 hm2；站外电缆施工区，扰动土地面积0.89 hm2，撒播草籽治理面积0.82 hm2，电缆沟道硬化面积0.06 hm2，未治理面积0.01 hm2；塔基及塔基施工区，扰动土地面积0.65 hm2，撒播草籽治理面积0.64 hm2，未治理面积0.01 hm2。治理后项目区侵蚀模数为300 t/(km2·a)。

表3 水土保持指标计算结果

3 应用分析

传统的输变电工程水土保持监测常采用查阅施工图纸、现场量测等方法，不仅耗时耗力，而且精度一般。采用无人机低空遥感技术可以快速获取项目任意施工阶段的全覆盖高清数据信息，并且监测精度满足要求。结合上述案例，在项目扰动土地面积监测方面，无人机低空遥感技术借助ArcGIS软件中的空间分析计算功能，能够快速、精准地提取各分区施工扰动空间分布情况，并基于多期监测成果实现项目施工过程中扰动面积的动态监测，为建设单位有效应对“天地一体化”扰动合规性核查提供技术支持；在水土保持措施监测方面，可快速获取实际落实的措施位置及数量，能够实现水土保持措施数据与影像联动效果；在土石方监测方面，改变了单纯依靠外业实测土石方工作量大、耗时长的现状；在水土流失防治效果监测方面，可实现防治目标的动态监测，具有直观、准确的优势，有助于及时发现工程现场水土流失防治问题，提高了验收阶段核查的工作效率。特别是无人机低空遥感监测不受时间限制，实现了项目建设全过程的定量动态监测，并且能够对监测信息进行存储和管理，符合《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号)中提出的水土保持监测要充分应用无人机遥感，运用互联网+、大数据等高新信息技术手段，不断提高监测质量和水平，实现对生产建设项目水土流失的定量监测和过程控制的要求。

随着国家“放管服”改革的推进，水利部加强了对生产建设项目水土保持事中事后监管，通过搭建“天地一体化”监管平台系统实现了对在建项目事中事后水保监督核查，其中项目扰动合规性是水保监督核查的一项重要内容[8-10]。由于高分卫星遥感影像的空间分辨率通常为1.0～2.0 m，对于扰动面积较小的在建项目，扰动面积及水土保持措施在卫星影像中所占像元数量较少，提取的数据误差较大，因此无法做到准确识别。而无人机低空遥感技术获取的项目全覆盖正射影像，其影像空间分辨率为厘米级别，是遥感卫星影像的100倍以上，在及时、准确发现扰动违规问题方面更具优势。此外，无人机低空遥感技术高清还原了在建项目的施工进度、施工质量及现场安全防护措施落实等细节信息，为建设单位把控项目进度、质量及安全等提供了有效的技术支持。