三维实景模型在陡峻地区输变电工程水土保持设施验收中的应用

杨建霞，张 勇，杜卫国

(1.四川电力设计咨询有限责任公司，成都 610000;2.国网四川省电力公司成都供电公司，成都 610000; 3.四川欧润工程设计有限公司，成都 610000)

引 言

陡峻地区一般指海拔高程在3 500m以上，相对高差在500m以上，地貌特征表现为地形大起伏的区域，如横断山、祁连山、西秦岭等，输变电工程为实现高效输电，塔位常选址于山脊，由于其海拔高、高差大、交通条件差[1-2]，水土保持验收现场核查采用常规的实地量测法、样方调查法[3]时均需到达塔位，面临极大的困难，甚至危及现场调查技术人员的生命安全，造成高处坠落、摔伤等人身伤害。目前实际开展的水土保持验收工作中，普遍通过高分遥感影像技术[4]识别水土流失图斑，找出疑似地表扰动破坏后未达标治理的斑块，评价生产建设项目的水土保持设施完成情况。但是，对于输变电行业，由于单个塔位面积较小，遥感影像图斑小，辨识度不高，叠加可能存在遥感影像时相不佳，解译判别存在人为定性不精准、图斑边界模糊、图斑与原地表存在异物同谱等问题[5]，工程现场的水土流失真实情况难以在遥感影像中被精确反映和解译，技术人员对其水土保持设施的评价多以遥感影像、施工图纸、施工期影像资料、监理记录等为参考，不够直观，其评价结果存在偏差较大。

近年来，随着测量技术的发展，无人机航拍技术得到了大量应用，基于小型无人机进行倾斜摄影，实现正上方和平面四方多角度对物体进行低空测量，几乎不存在死角，可获取高精度影像，便于建立三维实景模型，实现高效率数字化成果转化，该项技术已在地质灾害监测和治理、桥梁监测等多个领域实现应用。本文将结合陡峻地区输变电工程特点，将三维实景模型应用于塔位的现场调查、水土保持设施的量化评价，对其首次工程尝试过程进行说明，希望在输变电行业水土保持验收工作中引入一种新的辅助手段。

1 塔位水土保持设施的影像获取

塔位水土保持设施调查的主要目的是获取完整、详实的塔位基面水土保持设施信息，主要包括工程措施、植物措施的数量和质量，对无人机摄影有准确性和精细度的双重要求，在此基础上，才能通过建模软件建立既准确又精细的三维实景模型。

1.1 影像数据准确性要求

准确性是指模型中各图元的平面坐标与高程数据准确，数据来源为航拍影像空中三角测量基础上平差求解的结果，主要受航拍影像质量控制，包括航线弯曲度、相片重叠率、旋转角等影响要素。为控制三维实景模型偏差，一般采取航线弯曲度小于3%，航向重叠率控制在60%～65%之间，旁向重叠率控制在15%～35%之间，并控制相片旋转角小于6%。

此外，航拍镜头光学畸变、外方位元素几何畸变、地形起伏导致影像点发生位移均会导致无人机影像畸变，进而降低影像质量，影响模型准确性。由于陡峻地区塔位多位于陡坡地带，高低腿布置，基面存在高差，地形起伏是导致影像畸变的主要原因，工程实际操作中可通过降低无人机航高进行消除。

1.2 影像数据精细度的要求

塔位工程措施中的挡墙、护坡、截排水沟工程几何结构面往往为厘米级，需要量化得出工程措施的立体尺寸就要求航拍照片的分辨率、三维实景模型的精细度足够高。影响精细度的主要因素有地面分辨率与影像畸变：

1.2.1 地面分辨率

小型无人机搭载的数码相机分辨率的大小用像元来表示，地面分辨率是指能分辨地面物体的最小单位大小，能分辨地物越小，分辨率越高。在已确定无人机相机参数的条件下，分辨率与飞行高度呈反比，飞行高度越高，能分辨地面物体的最小单位越大，则分辨率越低[3]。地面分辨率与飞行高度关系式如下：

式中：

H——摄影高度，m

f——镜头焦距，mm

GSD——地面分辨率，m

Pixel size——像元，mm

1.2.2 影像畸变

陡峻地区塔位一般坡度较大，影像畸变程度受倾斜摄影角度影响较大，摄影角度选择不合理，将导致生成三维实景模型时影像发生扭曲拉伸、严重失真[4]。

考虑到工程措施中挡墙、护坡、截排水沟结构面为厘米级，要获取足够的分辨率，飞行高度(镜头距塔位距离)必须尽量低，拍摄角度尽量与坡形保持一致，保持相近等高线区域平行拍摄，使影像呈现的地面高差与飞机航高的高差保持相对均衡。

实际工程应用中，根据电压等级和周边地形条件需要，塔身高度的跨度范围比较大，特别是500千伏以上的特高压塔，塔身高度常在50m以上，采取无人机低空飞行效率低，且飞行安全隐患大。因此，根据工程经验，推荐采用整个线路工程塔位预设航线按一定比例尺(常用1∶500)采集影像，如采用旋翼无人机大疆精灵4pro(相机像元尺寸为3.2μm)时，在飞行高度150m处可实现地面分辨率为5cm，基本能满足塔位基面地物判断精度要求，再对挡墙、护坡和截排水沟采用手动控制无人机抵近飞行，多角度采集高精度影像的方式，可实现挡墙、护坡和截排水沟等构筑物厘米级别的分辨率。

1.3 影像数据建模软件

通过无人机倾斜摄影测量技术，能够远距离获得陡峻地区塔位基面、地物、水土保持设施的点坐标和高程信息，在此基础上，利用专业软件可建立精细化三维实景模型，如Context Capture Master、大疆智图、M3D等进行自动建模，大疆、WayPoint Master等软件进行环绕仿地、电力航线内业处理，可以有效提高数据处理的精度和效率。

2 建立三维实景模型塔位

塔位基面信息获取困难是传统方法评价陡峻山区塔位水土保持效果可信度差的最主要原因。基于无人机倾斜摄影建立三维实景模型可以很好的解决这个问题，步骤如下：

2.1 获取塔基扰动范围

施工期，可通过三维实景模型真实再现塔基基面实际状态，通过拉近旋转等方式全方位拍摄塔基基面扰动范围，在软件中直接量取扰动面几何尺寸，为计算塔基施工扰动面积等提供基础数据。

2.2 获取塔基面挡墙、护坡、截排水沟等工程措施基本信息

在三维实景模型查看软件中可直接测量获取挡墙、护坡、截排水沟等构筑物平面布置、竖向布置、坡度、走向、外观完整度等基本信息。通过提取构筑物起止点、转折点等特征点坐标方式，获取同一构筑物不同位置坐标，进而计算其几何尺寸和方量。

2.3 获取塔基面植树种草等植物措施基本信息

在三维实景模型查看软件中可直接测量获取塔基面植被覆盖范围，包括该范围内植被类型、郁闭度、覆盖度、坡度、坡长等基本信息。通过提取塔基基面地表信息，获取植物措施状况，为土壤流失测算参数取值提供依据，进而计算其水土流失量。

2.4 确定塔位基面水土流失防治效果

根据《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T50434-2018)的相关规定，生产建设项目水土流失防治效果由6大指标进行综合评定，分别是：水土流失治理度、土壤流失控制比、渣土防护率、表土保护率、林草植被恢复率、林草覆盖率，计算方法见表1。

表1 水土流失防治效果评价六大指标Tab.1 Six indexes of soil erosion control effect evaluation

计算数据可通过在三维实景模型中进行测量读取获得，或进行参数取值后计算获得，如土壤流失控制比的计算，需要获取治理后每平方公里年平均土壤流失量与区域容许土壤流失量相除得出，结合工程实际情况：陡峻地区塔位常立于山脊，少量立于坡面的塔位考虑上坡侧设置截排水沟，一般情况下塔基基面汇水面积较小，按土壤流失机理，划分为地表翻扰型一般扰动、上方无来水工程开挖面土壤流失、上方无来水工程堆积体土壤流失3类，根据《生产建设项目土壤流失量测算导则》(SL773-2018)采用数字模型，利用三维实景模型中获得的各流失单元坡长、坡度、面积、植被郁闭度、覆盖度等参数，即可计算出施工扰动后的土壤侵蚀模数，从而得出土壤流失控制比的指标。其余水土流失治理度、渣土防护率、表土保护率、林草植被

图1 线路铁塔立于河谷陡峭崖壁Fig.1 Tower stands on the steep cliff of the river valley

3.2 建立三维实景模型

由于山体高大、边坡高陡，无现有道路，局部区域还存在临空崖壁向外凸起，水土保持现场调查人员抵达塔位进行调查和测量、获取塔基基面基本信息的难度极大、安全风险极高；且陡峻山区面积大、塔基数量多，单点式测量效率极低，极端情况恢复率、林草覆盖率等5个指标均可以参照计算得出。以西南紫色土区建设类项目一级标准为目标值，计算结果达到或超过目标值，即为达标。

3 工程实例应用

3.1 工程背景

布拖500kV一二回送出线路位于四川省凉山州布拖县，属于西南土石山区典型的高山峡谷区域，地形陡峻，高差大，多属于无人区，交通条件极差，施工时大量依靠临时索道进行运输，施工结束后索道作为临时设施拆除，施工场地进行迹地恢复，对外交通的断绝使塔位成为无路可及、与外界隔绝的所在，给工程水土保持验收现场调查工作带来了极大挑战，工程区地形地貌如图1、图2所示。

图2 线路铁塔立于山脊之巅Fig.2 Tower stands on the top of the ridge

一天仅能完成1基。采用搭载五镜头的旋翼无人机，按1∶500地形图规划航线仿地飞行，并使用带RTK的大疆精灵4pro抵近塔位拍摄多角度影像，将获取的航拍照片导入软件建立三维实景模型如图3，图4所示。

图3 三维实景模型(陡峻地形塔位)Fig.3 Three dimensional real model (tower location in steep terrain)

图4 三维实景模型细节(下坡侧挡墙、塔腿下部溜渣情况)Fig.4 Details of 3D real model (downhill side retaining wall and slag sliding under tower leg)

3.3 通过模型获取塔位基本数据

通过三维实景模型，结合现场勘查，识别出塔位工程措施、植物措施以及存在的水土流失问题，并通过三维实景模型获取基本参数，挡墙护坡等工程措施可以通过模型读取长宽高等几何尺寸，植物措施可通过模型读取面积，裸露区域可在模型上勾画边界得出流失面积，从而计算各项措施工程量以及土壤流失量。通过与施工日志和监理日志进行比对，挡墙护坡的浇筑方量、几何尺寸基本吻合，通过模型读取计算的数据合理可靠，准确性较高。典型塔位水土保持措施工程量统计如表2所示。

3.4 判断塔位水土流失防治达标状况

根据《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T50434-2018)的相关规定，将获取数据代入6大指标水土流失治理度、土壤流失控制比、渣土防护率、表土保护率、林草植被恢复率、林草覆盖率对应公式计算达标值，水土流失治理度≥97%、土壤流失控制比≥0.85、渣土防护率≥92%、表土保护率≥92%、林草植被恢复率≥97%、林草覆盖率≥23%，从而判定为达标。

4 结 论

三维实景模型在输变电工程水土保持验收工作中实现了直观高效的应用，能较好地支撑水土保持验收技术工作。

4.1 三维实景模型的应用具有较强的便捷性

由于陡峻山区地形复杂、陡峭，传统调查测量方法效率低、危险大，部分无法到达的塔位难以获得基面信息，而利用无人机倾斜摄影并建立三维实体模型，能高效、快捷的完成现场验收调查工作。

4.2 三维实景模型的应用具有可靠性

通过无人机和模型的应用，能采集准确而精细的影像数据，获取准确的塔位指标，通过工程施工、监理数据比对，利用模型生成的数据能准确反应工程现场实际工程量，数据可靠。

4.3 三维实景模型的应用前景具有拓展性

三维实景模型在输变电工程水土保持验收工作中的应用是一项先进测绘技术与水土保持工作相结合的工程实践成果，是现场调查新颖可靠的辅助手段。

随着测绘技术的更新升级，三维实景模型的建模软件一直在更新，后续建模效率、精度等都将进一步提升，在后续工程应用中能处理更为复杂的环境要素，应用场景将得到更大的拓展延伸，有望应用于水土保持动态监测、环境动态监测等领域。