三維實(shí)景模型在陡峻地區(qū)輸變電工程水土保持設(shè)施驗(yàn)收中的應(yīng)用

楊建霞，張 勇，杜衛(wèi)國(guó)

(1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610000;2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，成都 610000; 3.四川歐潤(rùn)工程設(shè)計(jì)有限公司，成都 610000)

引 言

陡峻地區(qū)一般指海拔高程在3 500m以上，相對(duì)高差在500m以上，地貌特征表現(xiàn)為地形大起伏的區(qū)域，如橫斷山、祁連山、西秦嶺等，輸變電工程為實(shí)現(xiàn)高效輸電，塔位常選址于山脊，由于其海拔高、高差大、交通條件差[1-2]，水土保持驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)核查采用常規(guī)的實(shí)地量測(cè)法、樣方調(diào)查法[3]時(shí)均需到達(dá)塔位，面臨極大的困難，甚至危及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)人員的生命安全，造成高處墜落、摔傷等人身傷害。目前實(shí)際開展的水土保持驗(yàn)收工作中，普遍通過(guò)高分遙感影像技術(shù)[4]識(shí)別水土流失圖斑，找出疑似地表擾動(dòng)破壞后未達(dá)標(biāo)治理的斑塊，評(píng)價(jià)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持設(shè)施完成情況。但是，對(duì)于輸變電行業(yè)，由于單個(gè)塔位面積較小，遙感影像圖斑小，辨識(shí)度不高，疊加可能存在遙感影像時(shí)相不佳，解譯判別存在人為定性不精準(zhǔn)、圖斑邊界模糊、圖斑與原地表存在異物同譜等問(wèn)題[5]，工程現(xiàn)場(chǎng)的水土流失真實(shí)情況難以在遙感影像中被精確反映和解譯，技術(shù)人員對(duì)其水土保持設(shè)施的評(píng)價(jià)多以遙感影像、施工圖紙、施工期影像資料、監(jiān)理記錄等為參考，不夠直觀，其評(píng)價(jià)結(jié)果存在偏差較大。

近年來(lái)，隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)得到了大量應(yīng)用，基于小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，實(shí)現(xiàn)正上方和平面四方多角度對(duì)物體進(jìn)行低空測(cè)量，幾乎不存在死角，可獲取高精度影像，便于建立三維實(shí)景模型，實(shí)現(xiàn)高效率數(shù)字化成果轉(zhuǎn)化，該項(xiàng)技術(shù)已在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和治理、橋梁監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。本文將結(jié)合陡峻地區(qū)輸變電工程特點(diǎn)，將三維實(shí)景模型應(yīng)用于塔位的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、水土保持設(shè)施的量化評(píng)價(jià)，對(duì)其首次工程嘗試過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，希望在輸變電行業(yè)水土保持驗(yàn)收工作中引入一種新的輔助手段。

1 塔位水土保持設(shè)施的影像獲取

塔位水土保持設(shè)施調(diào)查的主要目的是獲取完整、詳實(shí)的塔位基面水土保持設(shè)施信息，主要包括工程措施、植物措施的數(shù)量和質(zhì)量，對(duì)無(wú)人機(jī)攝影有準(zhǔn)確性和精細(xì)度的雙重要求，在此基礎(chǔ)上，才能通過(guò)建模軟件建立既準(zhǔn)確又精細(xì)的三維實(shí)景模型。

1.1 影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求

準(zhǔn)確性是指模型中各圖元的平面坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)來(lái)源為航拍影像空中三角測(cè)量基礎(chǔ)上平差求解的結(jié)果，主要受航拍影像質(zhì)量控制，包括航線彎曲度、相片重疊率、旋轉(zhuǎn)角等影響要素。為控制三維實(shí)景模型偏差，一般采取航線彎曲度小于3%，航向重疊率控制在60%～65%之間，旁向重疊率控制在15%～35%之間，并控制相片旋轉(zhuǎn)角小于6%。

此外，航拍鏡頭光學(xué)畸變、外方位元素幾何畸變、地形起伏導(dǎo)致影像點(diǎn)發(fā)生位移均會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)影像畸變，進(jìn)而降低影像質(zhì)量，影響模型準(zhǔn)確性。由于陡峻地區(qū)塔位多位于陡坡地帶，高低腿布置，基面存在高差，地形起伏是導(dǎo)致影像畸變的主要原因，工程實(shí)際操作中可通過(guò)降低無(wú)人機(jī)航高進(jìn)行消除。

1.2 影像數(shù)據(jù)精細(xì)度的要求

塔位工程措施中的擋墻、護(hù)坡、截排水溝工程幾何結(jié)構(gòu)面往往為厘米級(jí)，需要量化得出工程措施的立體尺寸就要求航拍照片的分辨率、三維實(shí)景模型的精細(xì)度足夠高。影響精細(xì)度的主要因素有地面分辨率與影像畸變：

1.2.1 地面分辨率

小型無(wú)人機(jī)搭載的數(shù)碼相機(jī)分辨率的大小用像元來(lái)表示，地面分辨率是指能分辨地面物體的最小單位大小，能分辨地物越小，分辨率越高。在已確定無(wú)人機(jī)相機(jī)參數(shù)的條件下，分辨率與飛行高度呈反比，飛行高度越高，能分辨地面物體的最小單位越大，則分辨率越低[3]。地面分辨率與飛行高度關(guān)系式如下：

式中：

H——攝影高度，m

f——鏡頭焦距，mm

GSD——地面分辨率，m

Pixel size——像元，mm

1.2.2 影像畸變

陡峻地區(qū)塔位一般坡度較大，影像畸變程度受傾斜攝影角度影響較大，攝影角度選擇不合理，將導(dǎo)致生成三維實(shí)景模型時(shí)影像發(fā)生扭曲拉伸、嚴(yán)重失真[4]。

考慮到工程措施中擋墻、護(hù)坡、截排水溝結(jié)構(gòu)面為厘米級(jí)，要獲取足夠的分辨率，飛行高度(鏡頭距塔位距離)必須盡量低，拍攝角度盡量與坡形保持一致，保持相近等高線區(qū)域平行拍攝，使影像呈現(xiàn)的地面高差與飛機(jī)航高的高差保持相對(duì)均衡。

實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)電壓等級(jí)和周邊地形條件需要，塔身高度的跨度范圍比較大，特別是500千伏以上的特高壓塔，塔身高度常在50m以上，采取無(wú)人機(jī)低空飛行效率低，且飛行安全隱患大。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，推薦采用整個(gè)線路工程塔位預(yù)設(shè)航線按一定比例尺(常用1∶500)采集影像，如采用旋翼無(wú)人機(jī)大疆精靈4pro(相機(jī)像元尺寸為3.2μm)時(shí)，在飛行高度150m處可實(shí)現(xiàn)地面分辨率為5cm，基本能滿足塔位基面地物判斷精度要求，再對(duì)擋墻、護(hù)坡和截排水溝采用手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)抵近飛行，多角度采集高精度影像的方式，可實(shí)現(xiàn)擋墻、護(hù)坡和截排水溝等構(gòu)筑物厘米級(jí)別的分辨率。

1.3 影像數(shù)據(jù)建模軟件

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，能夠遠(yuǎn)距離獲得陡峻地區(qū)塔位基面、地物、水土保持設(shè)施的點(diǎn)坐標(biāo)和高程信息，在此基礎(chǔ)上，利用專業(yè)軟件可建立精細(xì)化三維實(shí)景模型，如Context Capture Master、大疆智圖、M3D等進(jìn)行自動(dòng)建模，大疆、WayPoint Master等軟件進(jìn)行環(huán)繞仿地、電力航線內(nèi)業(yè)處理，可以有效提高數(shù)據(jù)處理的精度和效率。

2 建立三維實(shí)景模型塔位

塔位基面信息獲取困難是傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)陡峻山區(qū)塔位水土保持效果可信度差的最主要原因。基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影建立三維實(shí)景模型可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，步驟如下：

2.1 獲取塔基擾動(dòng)范圍

施工期，可通過(guò)三維實(shí)景模型真實(shí)再現(xiàn)塔基基面實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)拉近旋轉(zhuǎn)等方式全方位拍攝塔基基面擾動(dòng)范圍，在軟件中直接量取擾動(dòng)面幾何尺寸，為計(jì)算塔基施工擾動(dòng)面積等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 獲取塔基面擋墻、護(hù)坡、截排水溝等工程措施基本信息

在三維實(shí)景模型查看軟件中可直接測(cè)量獲取擋墻、護(hù)坡、截排水溝等構(gòu)筑物平面布置、豎向布置、坡度、走向、外觀完整度等基本信息。通過(guò)提取構(gòu)筑物起止點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)等特征點(diǎn)坐標(biāo)方式，獲取同一構(gòu)筑物不同位置坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算其幾何尺寸和方量。

2.3 獲取塔基面植樹種草等植物措施基本信息

在三維實(shí)景模型查看軟件中可直接測(cè)量獲取塔基面植被覆蓋范圍，包括該范圍內(nèi)植被類型、郁閉度、覆蓋度、坡度、坡長(zhǎng)等基本信息。通過(guò)提取塔基基面地表信息，獲取植物措施狀況，為土壤流失測(cè)算參數(shù)取值提供依據(jù)，進(jìn)而計(jì)算其水土流失量。

2.4 確定塔位基面水土流失防治效果

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50434-2018)的相關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治效果由6大指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定，分別是：水土流失治理度、土壤流失控制比、渣土防護(hù)率、表土保護(hù)率、林草植被恢復(fù)率、林草覆蓋率，計(jì)算方法見表1。

表1 水土流失防治效果評(píng)價(jià)六大指標(biāo)Tab.1 Six indexes of soil erosion control effect evaluation

計(jì)算數(shù)據(jù)可通過(guò)在三維實(shí)景模型中進(jìn)行測(cè)量讀取獲得，或進(jìn)行參數(shù)取值后計(jì)算獲得，如土壤流失控制比的計(jì)算，需要獲取治理后每平方公里年平均土壤流失量與區(qū)域容許土壤流失量相除得出，結(jié)合工程實(shí)際情況：陡峻地區(qū)塔位常立于山脊，少量立于坡面的塔位考慮上坡側(cè)設(shè)置截排水溝，一般情況下塔基基面匯水面積較小，按土壤流失機(jī)理，劃分為地表翻擾型一般擾動(dòng)、上方無(wú)來(lái)水工程開挖面土壤流失、上方無(wú)來(lái)水工程堆積體土壤流失3類，根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤流失量測(cè)算導(dǎo)則》(SL773-2018)采用數(shù)字模型，利用三維實(shí)景模型中獲得的各流失單元坡長(zhǎng)、坡度、面積、植被郁閉度、覆蓋度等參數(shù)，即可計(jì)算出施工擾動(dòng)后的土壤侵蝕模數(shù)，從而得出土壤流失控制比的指標(biāo)。其余水土流失治理度、渣土防護(hù)率、表土保護(hù)率、林草植被

圖1 線路鐵塔立于河谷陡峭崖壁Fig.1 Tower stands on the steep cliff of the river valley

3.2 建立三維實(shí)景模型

由于山體高大、邊坡高陡，無(wú)現(xiàn)有道路，局部區(qū)域還存在臨空崖壁向外凸起，水土保持現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員抵達(dá)塔位進(jìn)行調(diào)查和測(cè)量、獲取塔基基面基本信息的難度極大、安全風(fēng)險(xiǎn)極高；且陡峻山區(qū)面積大、塔基數(shù)量多，單點(diǎn)式測(cè)量效率極低，極端情況恢復(fù)率、林草覆蓋率等5個(gè)指標(biāo)均可以參照計(jì)算得出。以西南紫色土區(qū)建設(shè)類項(xiàng)目一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)值，計(jì)算結(jié)果達(dá)到或超過(guò)目標(biāo)值，即為達(dá)標(biāo)。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程背景

布拖500kV一二回送出線路位于四川省涼山州布拖縣，屬于西南土石山區(qū)典型的高山峽谷區(qū)域，地形陡峻，高差大，多屬于無(wú)人區(qū)，交通條件極差，施工時(shí)大量依靠臨時(shí)索道進(jìn)行運(yùn)輸，施工結(jié)束后索道作為臨時(shí)設(shè)施拆除，施工場(chǎng)地進(jìn)行跡地恢復(fù)，對(duì)外交通的斷絕使塔位成為無(wú)路可及、與外界隔絕的所在，給工程水土保持驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，工程區(qū)地形地貌如圖1、圖2所示。

圖2 線路鐵塔立于山脊之巔Fig.2 Tower stands on the top of the ridge

一天僅能完成1基。采用搭載五鏡頭的旋翼無(wú)人機(jī)，按1∶500地形圖規(guī)劃航線仿地飛行，并使用帶RTK的大疆精靈4pro抵近塔位拍攝多角度影像，將獲取的航拍照片導(dǎo)入軟件建立三維實(shí)景模型如圖3，圖4所示。

圖3 三維實(shí)景模型(陡峻地形塔位)Fig.3 Three dimensional real model (tower location in steep terrain)

圖4 三維實(shí)景模型細(xì)節(jié)(下坡側(cè)擋墻、塔腿下部溜渣情況)Fig.4 Details of 3D real model (downhill side retaining wall and slag sliding under tower leg)

3.3 通過(guò)模型獲取塔位基本數(shù)據(jù)

通過(guò)三維實(shí)景模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，識(shí)別出塔位工程措施、植物措施以及存在的水土流失問(wèn)題，并通過(guò)三維實(shí)景模型獲取基本參數(shù)，擋墻護(hù)坡等工程措施可以通過(guò)模型讀取長(zhǎng)寬高等幾何尺寸，植物措施可通過(guò)模型讀取面積，裸露區(qū)域可在模型上勾畫邊界得出流失面積，從而計(jì)算各項(xiàng)措施工程量以及土壤流失量。通過(guò)與施工日志和監(jiān)理日志進(jìn)行比對(duì)，擋墻護(hù)坡的澆筑方量、幾何尺寸基本吻合，通過(guò)模型讀取計(jì)算的數(shù)據(jù)合理可靠，準(zhǔn)確性較高。典型塔位水土保持措施工程量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

3.4 判斷塔位水土流失防治達(dá)標(biāo)狀況

根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50434-2018)的相關(guān)規(guī)定，將獲取數(shù)據(jù)代入6大指標(biāo)水土流失治理度、土壤流失控制比、渣土防護(hù)率、表土保護(hù)率、林草植被恢復(fù)率、林草覆蓋率對(duì)應(yīng)公式計(jì)算達(dá)標(biāo)值，水土流失治理度≥97%、土壤流失控制比≥0.85、渣土防護(hù)率≥92%、表土保護(hù)率≥92%、林草植被恢復(fù)率≥97%、林草覆蓋率≥23%，從而判定為達(dá)標(biāo)。

4 結(jié) 論

三維實(shí)景模型在輸變電工程水土保持驗(yàn)收工作中實(shí)現(xiàn)了直觀高效的應(yīng)用，能較好地支撐水土保持驗(yàn)收技術(shù)工作。

4.1 三維實(shí)景模型的應(yīng)用具有較強(qiáng)的便捷性

由于陡峻山區(qū)地形復(fù)雜、陡峭，傳統(tǒng)調(diào)查測(cè)量方法效率低、危險(xiǎn)大，部分無(wú)法到達(dá)的塔位難以獲得基面信息，而利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影并建立三維實(shí)體模型，能高效、快捷的完成現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收調(diào)查工作。

4.2 三維實(shí)景模型的應(yīng)用具有可靠性

通過(guò)無(wú)人機(jī)和模型的應(yīng)用，能采集準(zhǔn)確而精細(xì)的影像數(shù)據(jù)，獲取準(zhǔn)確的塔位指標(biāo)，通過(guò)工程施工、監(jiān)理數(shù)據(jù)比對(duì)，利用模型生成的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反應(yīng)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程量，數(shù)據(jù)可靠。

4.3 三維實(shí)景模型的應(yīng)用前景具有拓展性

三維實(shí)景模型在輸變電工程水土保持驗(yàn)收工作中的應(yīng)用是一項(xiàng)先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)與水土保持工作相結(jié)合的工程實(shí)踐成果，是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查新穎可靠的輔助手段。

隨著測(cè)繪技術(shù)的更新升級(jí)，三維實(shí)景模型的建模軟件一直在更新，后續(xù)建模效率、精度等都將進(jìn)一步提升，在后續(xù)工程應(yīng)用中能處理更為復(fù)雜的環(huán)境要素，應(yīng)用場(chǎng)景將得到更大的拓展延伸，有望應(yīng)用于水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。