特高壓工程土地?cái)_動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120)

0 引言

特高壓直流輸電工程規(guī)模大，所處自然環(huán)境復(fù)雜，可能跨越農(nóng)村、城市、生態(tài)保護(hù)區(qū)等不同地區(qū)及平原、山地、荒漠、林地等多種地貌。工程建設(shè)過(guò)程中，基坑的開(kāi)挖、棄土棄渣的堆放等會(huì)對(duì)原始地貌造成不同程度的擾動(dòng)，特別是山地丘陵地區(qū)，棄土堆放處理不當(dāng)會(huì)發(fā)生溜坡，引起更大范圍的擾動(dòng)。隨著國(guó)家對(duì)水土保持工作的日益重視，電網(wǎng)工程建設(shè)對(duì)水土保持的影響成為考核建設(shè)項(xiàng)目的一項(xiàng)重要指標(biāo)。尤其是超高壓、特高壓輸變電工程項(xiàng)目，作為國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，社會(huì)影響大、工程建設(shè)目標(biāo)高，水土保持的要求也更加嚴(yán)格，也決定其水土保持工作將比其他工程建設(shè)更加復(fù)雜。

當(dāng)前特高壓工程水土保持監(jiān)測(cè)多以人工檢查為主，工作繁重、耗時(shí)耗力。遙感技術(shù)以其靈活性、實(shí)時(shí)性、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[1-4]介紹了在氣象監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、測(cè)量、海事、農(nóng)業(yè)、電力、災(zāi)害應(yīng)急等方面的應(yīng)用，文獻(xiàn)[5-7]介紹了在電力工程中的應(yīng)用，這給特高壓工程水土保持監(jiān)測(cè)工作提供了新思路。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)在遙感影像目標(biāo)識(shí)別、地物分類等方面的研究已成為熱點(diǎn)，提高了遙感影像分類的精度[8-13]。本文基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以特高壓直流工程建設(shè)過(guò)程中的無(wú)人機(jī)影像為數(shù)據(jù)源，建立特高壓工程施工現(xiàn)場(chǎng)土地?cái)_動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)影像信息提取，獲取特高壓工程通道內(nèi)土地?cái)_動(dòng)信息，判斷工程施工土地?cái)_動(dòng)范圍是否合理，以達(dá)到施工過(guò)程水土保持快速監(jiān)測(cè)目的。

1 需求分析

特高壓工程施工現(xiàn)場(chǎng)土地?cái)_動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是通過(guò)引用深度學(xué)習(xí)在影像解譯中的優(yōu)勢(shì)，提高影像解譯效率，以全部或部分替代工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和人工目視解譯。因此，平臺(tái)建設(shè)時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)：

1)可兼容常見(jiàn)數(shù)據(jù)。能夠適用當(dāng)前主流遙感影像，可以兼容國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及常見(jiàn)無(wú)人機(jī)影像，同時(shí)能夠處理從0.1 m～10 m空間分辨率的影像，對(duì)于分辨率較低的影像，應(yīng)能夠識(shí)別較大目標(biāo)地物，能夠適用當(dāng)前主流矢量數(shù)據(jù)。

2)提取結(jié)果準(zhǔn)確性高。施工現(xiàn)場(chǎng)土地?cái)_動(dòng)提取正確率應(yīng)優(yōu)于90%，漏檢率和錯(cuò)檢率低于10%；識(shí)別位置精度，一般應(yīng)在2個(gè)像素內(nèi)，即優(yōu)于2倍空間分辨率。

3)提取速度較快。平臺(tái)針對(duì)每基桿塔周邊一定范圍進(jìn)行信息提取，因工程桿塔數(shù)量多，監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)效性要求高，因此對(duì)平臺(tái)提取速度要求較高。

4)可以自動(dòng)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)提取結(jié)果。平臺(tái)在提取完成后，可統(tǒng)計(jì)出每基桿塔土地?cái)_動(dòng)面積，并統(tǒng)計(jì)出有多少基桿塔超過(guò)合理范圍并進(jìn)行標(biāo)注。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)工具

平臺(tái)設(shè)計(jì)為單機(jī)版，基于ArcGIS Engine和MATLAB進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)使用MatConvNet框架，確保具有較好的兼容性和前瞻性，方便后期維護(hù)升級(jí)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C#。

2.2 功能設(shè)計(jì)

1)數(shù)據(jù)的組織與管理功能設(shè)計(jì)

地理空間數(shù)據(jù)可以以文件形式存儲(chǔ)，也可以存儲(chǔ)在地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。矢量數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)時(shí)，本平臺(tái)以通用的shape file格式存儲(chǔ)。影像文件以文件形式存儲(chǔ)時(shí)，本平臺(tái)以主流的img、tif、jpg、ascii grid等格式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，本平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)FGDB。選用FGDB而不是個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)mdb或企業(yè)級(jí)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，原因是mdb容量太小，僅能容納2 GB，而FGBD可以擴(kuò)展至1 TB，企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)容量大，但部署極其復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，而FGDB的容量完全可以滿足要求且部署簡(jiǎn)單，單機(jī)即可，成本低。

2)數(shù)據(jù)加載、顯示與圖層控制功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)是一個(gè)可視化平臺(tái)，借助ArcGIS Engine提供的MapControl控件與TocControl控件，基于.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以開(kāi)發(fā)具有可視化窗體界面的應(yīng)用程序。在該應(yīng)用程序中，MapControl主要用于數(shù)據(jù)的可視化，TocControl主要用于圖層的控制。除此之外，ArcGIS Engine還提供了空間數(shù)據(jù)的加載接口，借助于這些接口，平臺(tái)可以快速、安全地將這些數(shù)據(jù)加載至顯示模塊，并將其與圖層控制模塊聯(lián)動(dòng)。

3)信息提取功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)基于深度學(xué)習(xí)進(jìn)行遙感影像土地?cái)_動(dòng)信息提取。為提高效率，僅針對(duì)桿塔周邊一定范圍的影像進(jìn)行提取，以減少計(jì)算量，提高速度。同時(shí)考慮CPU計(jì)算和CPU+GPU計(jì)算雙模式，CPU計(jì)算每基桿塔提取時(shí)間約為5 s，CPU+GPU計(jì)算每基桿塔提取時(shí)間約為0.4 s。信息提取結(jié)果為shape file格式的矢量數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)編輯功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)自動(dòng)提取的結(jié)果難免有錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)編輯功能能夠?qū)μ崛〗Y(jié)果進(jìn)行編輯。編輯功能主要分為三部分，分別是開(kāi)始編輯、停止編輯和保存。開(kāi)始編輯使數(shù)據(jù)進(jìn)入編輯狀態(tài)，只有進(jìn)入編輯狀態(tài)后用戶才可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯；停止編輯結(jié)束編輯狀態(tài)，并提示用戶是否保存編輯成果；保存不結(jié)束編輯狀態(tài)，它只保存用戶的編輯結(jié)果。

5)統(tǒng)計(jì)分析功能設(shè)計(jì)

基于深度學(xué)習(xí)提取地物信息后，還需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)每基桿塔實(shí)際施工中的擾動(dòng)面積與合理擾動(dòng)面積進(jìn)行比較，從而得出是否超量的結(jié)論，并以可視化的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示，方便建設(shè)管理單位和水保監(jiān)測(cè)單位進(jìn)行查閱。

6)信息導(dǎo)出功能設(shè)計(jì)

提取出的土地?cái)_動(dòng)信息，可以Excel形式導(dǎo)出。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

ArcGIS Engine主要用于平臺(tái)界面和統(tǒng)計(jì)分析功能的開(kāi)發(fā)，MATLAB用于開(kāi)發(fā)深度學(xué)習(xí)信息提取功能。

平臺(tái)的主要功能包括數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、信息提取、信息統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)編輯、視圖控制和系統(tǒng)設(shè)置等。

部分界面如1所示：

圖1 平臺(tái)界面

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

特高壓工程水土保持監(jiān)測(cè)需要在施工期及試運(yùn)行期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工期主要監(jiān)測(cè)施工區(qū)土地?cái)_動(dòng)面積是否超過(guò)合理擾動(dòng)范圍，試運(yùn)行期主要監(jiān)測(cè)施工結(jié)束后的擾動(dòng)土地整治率。以扎魯特—青州±800 kV特高壓直流輸電工程為例進(jìn)行平臺(tái)應(yīng)用實(shí)踐。

1)施工期應(yīng)用實(shí)踐

施工期施工區(qū)土地?cái)_動(dòng)面積利用施工期無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行土地?cái)_動(dòng)信息提取。通過(guò)對(duì)施工期無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行預(yù)處理，利用平臺(tái)進(jìn)行信息提取，得到施工區(qū)面積，土地?cái)_動(dòng)面積=施工區(qū)面積－塔基面積。將土地?cái)_動(dòng)面積跟臨時(shí)占地合理面積進(jìn)行對(duì)比得出土地?cái)_動(dòng)面積是否超標(biāo)。

如圖2所示是某基桿塔施工前后的影像，桿塔為山丘區(qū)直線塔，合理占地面積推薦值為800 m2，提取出土地?cái)_動(dòng)面積為1 647.8-351.6=1 296.2 m2，已超過(guò)推薦值。

圖2 施工期土地?cái)_動(dòng)監(jiān)測(cè)

2)試運(yùn)行期應(yīng)用實(shí)踐

試運(yùn)行期擾動(dòng)土地整治率利用施工期及試運(yùn)行期無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行土地?cái)_動(dòng)信息及土地整治信息的提取。通過(guò)對(duì)兩期無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行預(yù)處理，利用平臺(tái)進(jìn)行信息提取，得到施工區(qū)土地?cái)_動(dòng)面積和土地整治面積，計(jì)算得出土地?cái)_動(dòng)整治率。

如圖3所示是某基桿塔施工前、施工中和試運(yùn)行期的影像，土地?cái)_動(dòng)面積為5 244.2-702.6=4 541.6 m2，已超過(guò)推薦值(平原區(qū)直線塔臨時(shí)占地推薦面積為1 900 m2)，試運(yùn)行期間，土地已完全整理，整治率為100%。

圖3 某基塔施工影像

4 結(jié)語(yǔ)

特高壓工程施工現(xiàn)場(chǎng)土地?cái)_動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，整合高分辨率遙感影像、工程基礎(chǔ)信息等，可及時(shí)獲取特高壓工程建設(shè)過(guò)程中土地?cái)_動(dòng)情況及試運(yùn)行期的擾動(dòng)土地整治率，提高其可視化、精準(zhǔn)化管理水平，減少野外工作量，提升工作效率，為工程建設(shè)管理人員加強(qiáng)水土保持過(guò)程統(tǒng)籌管理提供技術(shù)手段。