宋緒國 項榮華 李海濤 鮑利佳

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施工期環(huán)境監(jiān)控是環(huán)境管理的重要內(nèi)容也是重要手段，其組織機構(gòu)、內(nèi)容、技術(shù)方法等仍在不斷探索和完善之中。根據(jù)相關(guān)法規(guī)和技術(shù)規(guī)范，以及大型建設(shè)項目環(huán)境影響報告書和水土保持方案及其批復(fù)的要求，在施工期應(yīng)由專業(yè)人員針對工程產(chǎn)生的生態(tài)破壞和恢復(fù)、水土流失、噪聲、污水和揚塵、廢氣及凈化設(shè)施等，監(jiān)控其影響的形式、數(shù)量和發(fā)展過程，減緩和監(jiān)控其產(chǎn)生的環(huán)境不良影響，為業(yè)主和環(huán)境管理部門采取環(huán)水保( 環(huán)境保護與水土保持的合稱) 措施提供科學(xué)依據(jù)。

電站施工期環(huán)境監(jiān)控的工作量非常大，外業(yè)調(diào)查點多線長，內(nèi)業(yè)資料整理龐雜。利用無人機技術(shù)輔助勘察和定量測量，可以提高工作效率，為更好地保護環(huán)境打下堅實基礎(chǔ)。今以浙江某在建電站為例，研究無人機在施工期環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用。

1 無人機助力環(huán)境監(jiān)控的技術(shù)優(yōu)勢

將小微型無人機應(yīng)用于遙感監(jiān)控，在設(shè)備和外業(yè)操作方面的優(yōu)勢為:(1)運輸、使用方便，飛行和維護等各項成本低廉;(2)針對監(jiān)測區(qū)域的定位選擇性強;(3)能很好地適應(yīng)地形、云層等條件;(4)機動靈活，可采集高崖、陡坡處的數(shù)據(jù);(5)工作速度快、效率高，獲取信息及時。

在內(nèi)業(yè)產(chǎn)品方面其優(yōu)勢為:(1)空中宏觀大尺度的視角保障了整體的勘察效果;(2)影像直觀性強，分辨率高;(3)資料時效性強;(4)數(shù)碼照片經(jīng)軟件處理成為相關(guān)的測繪成果，包括數(shù)字化三維地形模型( DTM)、高程模型(DEM)、正射影像(DOM)、1:500～1:10 000比例尺線劃圖(DLG) 等，結(jié)合后期軟件可直接導(dǎo)出CAD等各種格式的矢量文件，便于進一步規(guī)劃設(shè)計。

2 電站環(huán)境監(jiān)控

電站工程環(huán)境監(jiān)控的對象包括全線域的日常工作和重點區(qū)域的技術(shù)監(jiān)督管理。在無人機輔助下，可以彌補監(jiān)控人員難以面面俱到的不足，更全面地了解工程的環(huán)境影響。

電站工程環(huán)境監(jiān)控的對象的監(jiān)測周期根據(jù)施工階段(比如土石方工程施)、天氣(雨季、風(fēng)季)、環(huán)保重點檢查期等條件設(shè)計相應(yīng)的頻次。

3 全線域無人機環(huán)境監(jiān)控技術(shù)方案

3.1 無人機監(jiān)測方案和參數(shù)

擬采用多旋翼無人航攝平臺搭載傾斜航攝數(shù)碼相機對測區(qū)進行多航次、全方位的傾斜航空攝影。同時采用CORS環(huán)境下的實時GPS RTK作業(yè)方式進行外業(yè)像片控制測量，利用像片控制測量成果對原始影像進行空中三角測量后得到影像的外方位元素，即攝影時刻影像的空間位置坐標和姿態(tài)參數(shù)。利用Map Matrix制圖軟件平臺生成立體模型后，進行地形特征要素的采集，將采集的特征點、線、面要素通過構(gòu)TIN形成三角網(wǎng)，柵格化后得到數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)成果。通過DEM成果對原始影像進行數(shù)字微分糾正，然后進行糾正影像的勻光、鑲嵌、裁切和修飾后即可得到測區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)字正射影像圖（DOM）成果。

利用全自動三維建模軟件Smart3D對空三加密后的影像數(shù)據(jù)進行實景三維場景的制作，作為三維可視化數(shù)字成果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過不同時期實景三維模型間的空間對比分析，經(jīng)過一定的篩選規(guī)則，自動提取出地形發(fā)生較大變化的區(qū)域，結(jié)合影像紋理特征輔助人工判別后可以得到對涉及環(huán)保的地物的變化監(jiān)測的定性定量結(jié)果。即通過對不同時期三維場景的空間對比分析，標識出測區(qū)范圍內(nèi)以異常變化的各個點位。

3.2 環(huán)境監(jiān)控成果和分析

全線普查數(shù)字化影像資料經(jīng)后期處理生成正射影像圖成果，可將現(xiàn)場調(diào)查工作轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)圖像識別，既減少了大量外業(yè)工作，提高了工作效率，又可借助高清影像，提高工作質(zhì)量。在高清矢量化全圖中，可將工程重點區(qū)域、環(huán)境敏感區(qū)、問題區(qū)域等標注，以便關(guān)注。必要時還可選出局部路段的數(shù)碼照片，進一步處理生成數(shù)字化三維地形模型，結(jié)合地面人工復(fù)核，進一步評估環(huán)境影響和環(huán)保措施效果。

圖1 料場出水口沉淀池和排水溝

4 重點區(qū)域無人機環(huán)境監(jiān)控技術(shù)方案

4.1 重點區(qū)域監(jiān)控方案與參數(shù)

環(huán)境監(jiān)控的重點區(qū)域包括環(huán)境敏感區(qū)和橋隧等大型主體工程建設(shè)區(qū)，以及大型臨時工程建設(shè)區(qū)等。其重點內(nèi)容包括: 工程占地面積; 場區(qū)對周邊的直接影響區(qū)面積; 表土堆存和有效保護情況; 堆料場體積及防護情況; 進場道路的防護情況; 場區(qū)周邊截流、順接自然水系的排水系統(tǒng)完整性，注意不能直排入江; 污水處理、泥漿池的位置和排水去向，注意不能直排入江河(溪流) ; 截排水溝、沉淀池等集雨( 洪) 設(shè)施的位置和排水去向; 局部生態(tài)恢復(fù)情況等。無人機能輔助建立較為準確的三維數(shù)字化模型，將所有面積、體積的測量定量化。在此基礎(chǔ)上，可建立GIS數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)監(jiān)控做到“全部過程監(jiān)控、圖像視頻直觀、分期數(shù)據(jù)對比”。

在正射影像圖中測量了全部施工場地和周邊匯水區(qū)的面積，周邊匯水區(qū)約260hm2，場區(qū)內(nèi)部匯水面積為7hm2。制梁場工地外圍上邊坡設(shè)置了截水溝，周邊和下邊坡設(shè)置了排水溝，總體而言排水系統(tǒng)較為完善，已將場區(qū)與周邊徑流環(huán)境隔離。在工地內(nèi)部，除少部分覆蓋的工棚和堆料場外，最大面積為裸露的土地，車輛機械活動使其壓實度較高。工地的植物截留、填洼與蒸發(fā)暫留幾乎可以忽略，因而對降雨的滯時和截留量十分有限，很快會形成地表徑流，從減少水土流失和洪水危害的角度，需要妥善設(shè)計臨時排水工程。在圖中判別工地內(nèi)部的排水系統(tǒng)，如儲料場局部出水口設(shè)置了系列沉淀池，減少了泥漿的環(huán)境污染，并通過排水溝引流到工地場界外。然而，沉淀池和排水溝容積和斷面規(guī)格偏小，末端未順接到自然水系(見圖1)。2018年9月下旬某日降雨量在100mm以上，形成雨洪，產(chǎn)生了一定的水土流失危害。對此，通過無人機輔助環(huán)境監(jiān)控建立了地形模型后，識別了匯水來源和下游徑流去向，為完善排水設(shè)施提供了設(shè)計依據(jù)，相關(guān)測量精度可達10cm級別。

無人機攝影測量生成的是分辨率為10cm的正射全景圖，可辨別施工場地的細節(jié)，檢查環(huán)保措施的落實情況和效果，發(fā)現(xiàn)潛在問題。制梁場工程區(qū)直接影響面積應(yīng)控制在工程區(qū)周邊10m以內(nèi)，而在實際圖中發(fā)現(xiàn)環(huán)境影響區(qū)域遠大于此。經(jīng)測量，制梁場工程區(qū)面積為7.5hm2，周邊影響區(qū)達11hm2。對此，監(jiān)控工程師提出了嚴格控制施工界限的要求。制梁場原址為農(nóng)田和林草地，需要堆存保護表土，而在圖中未見該要求得到落實。此外，在圖中還判別施工人員宿舍區(qū)設(shè)置了簡易生活污水處理沉淀池(化糞池) ，以沉淀固體物質(zhì)，而缺乏針對污水中 COD、BOD 的污染處理工藝。

在建立重點區(qū)域周邊環(huán)境三維數(shù)字模型、語義定義、矢量化標識的基礎(chǔ)上，使用GIS平臺軟件對整個環(huán)境中的關(guān)鍵對象進行平面面積、表面積、土石方量及周邊匯水面積測量，與以往長期積累的健康安全標準值比對，發(fā)出預(yù)警，進而向建設(shè)單位提出具有針對性、科學(xué)性、準確性的專業(yè)建議。

重點區(qū)域的常態(tài)化技術(shù)監(jiān)督管理周期：在日常駐地監(jiān)控工作的基礎(chǔ)上，無人機輔助工作的重點包括定期巡查和重點時段的針對性調(diào)查，特別是在容易造成水土流失的雨季。

4.2 實時監(jiān)控識別與分析

無人機搭載智能識別系統(tǒng)，在全線域成果離線化的基礎(chǔ)上，實時讀取采集的數(shù)碼照片，進行環(huán)保區(qū)域重點設(shè)施以及周邊環(huán)境在分類上的識別、空間關(guān)系上的計算，和環(huán)境管理要求紅線進行對比分析，通過環(huán)境監(jiān)控平臺實時表達或是通過接口實時推送至相關(guān)平臺。

5 結(jié)語

將無人機系統(tǒng)應(yīng)用于項目施工期環(huán)境監(jiān)控，提高了環(huán)境監(jiān)控工作的質(zhì)量和效率。今后，還可以在以下幾個方面進一步開展研究:(1)完善無人機的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和功能，如研發(fā)適應(yīng)高海拔惡劣氣候的機型，圖視頻實時監(jiān)控、異地超視距圖視頻傳送的軟硬件等;(2)協(xié)調(diào)無人機的使用空域，解決“黑飛”監(jiān)控與技術(shù)應(yīng)用之間的矛盾;(3)在無人機的“人機地載鏈”系統(tǒng)中，各使用單位應(yīng)重視飛手培訓(xùn)，提高安全性和專業(yè)性;(4)對大量的工程環(huán)水保數(shù)據(jù)進一步分析、歸類和使用，可先針對單個工程進而提煉普遍性規(guī)律，開發(fā)環(huán)境監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;(5)關(guān)注測量和工程資料的保密工作。