余爾汶

(國網(wǎng)福建電力檢修公司，福州 350013)

福建地區(qū)地處我國東南沿海，群山環(huán)繞，以山地丘陵地形為主，共計約有林地9.7萬km2，森林覆蓋率為65.95%(位居全國最高)。福建電網(wǎng)輸電線路大部分穿越全省各市縣遠郊林區(qū)地帶，對處在這些地區(qū)的輸電線路運行維護難度大，防山火工作尤為困難。

近幾年，頻發(fā)的森林山火已嚴重威脅福建電網(wǎng)輸電線路安全穩(wěn)定運行[1]。據(jù)統(tǒng)計, 2013年以來，在福建電網(wǎng)輸電線走廊內(nèi)，共計監(jiān)控到影響線路安全運行的森林火災(zāi)495起，因山火導(dǎo)致輸電線路停運共計261條次，其中連接浙閩特高壓交流線路也曾停運3 次[2]。由于山火的高溫引起的線路絕緣間隙損壞和合閘過程操作過電壓引發(fā)的間隙擊穿問題,往往需要較長的時間才能恢復(fù)線路的運行。2017年福建電網(wǎng)多次發(fā)生過因火燒山造成特高壓線路跳閘,山火熄滅后線路才恢復(fù)運行,對全省仍至華東區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重影響山火一但發(fā)生,其發(fā)展速度可能很快,短短幾十分鐘就可能擴散到輸電線路周邊,而造成輸電線路跳閘通常只需要幾分鐘。及時發(fā)現(xiàn)與處置初發(fā)山火對電網(wǎng)山火防治極其重要。文獻[3]提出了基于FY-3/VIRR 或NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)的衛(wèi)星監(jiān)測方法。文獻[4]提出一種遙感探火的三通道合成法判識火點，采用彩色合成、圖像增強等圖像處理技術(shù)對MODIS 的3個通道數(shù)據(jù)進行合成，使用目視法判識火情。文獻[5]提出了適用于環(huán)境衛(wèi)星火點監(jiān)測的定量反演算法。文獻[6]雖提出利用雷達、傳感器等遙感技術(shù)監(jiān)測輸電線路山火的方式。然而，前述電網(wǎng)山火火點的監(jiān)測方法，要么精度低、要么分辨率低、要么建設(shè)成本高、要么存在盲區(qū)等方面的問題。

本文從電網(wǎng)山火監(jiān)測需要大范圍、高精度、高頻度、高效性、通用性等要求出發(fā)，結(jié)合環(huán)境背景信息和運行經(jīng)驗，提出一種基于領(lǐng)域環(huán)境的火點綜合辨識方法,通過像元周邊指標的標準差、平均值和地表覆蓋信息等綜合閾值判識，可有效提高小面積的火點的判識精度，通過多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)的融合提高了火點識別的時間分辨率。

對于電網(wǎng)山火火點的監(jiān)測,需要實時跟蹤分析火點與輸電設(shè)備的距離,并及時通知輸電線路運行維護人員。本文采用的方法是將火點的經(jīng)緯度、面積信息與電網(wǎng)地理信息地圖疊加，通過火點動態(tài)跟蹤,預(yù)測火情影響范圍,并在GIS地圖上搜索其覆蓋的輸電設(shè)備,計算效率高。本文方法可為電網(wǎng)輸電線路衛(wèi)星監(jiān)測火點預(yù)警計算提供指導(dǎo)。

1 山火監(jiān)測基本原理

1.1 監(jiān)測原理

斯特藩—玻爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann law)表明黑體的輻射度與溫度的四次方成正比，輻射度對溫度的變化非常敏感[7]?？筛鶕?jù)這一特征，衛(wèi)星監(jiān)測地表輻射度進行高溫?zé)嵩吹呐凶R。

J=εσT4

(1)

σ=5.67×10-8 W·m-2·K-4

式中J——黑體輻射度；ε——輻射系數(shù)，對于絕對黑體，ε=1；σ——斯特藩—玻爾茲曼常數(shù)；T——絕對溫度。

1.2 通道亮溫值計算

根據(jù)普朗克黑體輻射定律[8]，常溫?zé)狳c輻射波長與中紅外通道波段接近，而高溫?zé)嵩摧椛洳ㄩL與遠紅外通道波段接近，利用這個特點，可以進行高溫?zé)嵩创峙?；而中紅外、遠紅外通道輻射增長率差異較大，利用這種差異，可以進行地面火點細判。

由普朗克黑體輻射公式

(2)

可得通道p亮溫值Tp

(3)

2 鄰域環(huán)境相關(guān)熱點監(jiān)測算法

2.1 傳統(tǒng)火災(zāi)檢測算法及問題

傳統(tǒng)火災(zāi)檢測算法，其核心是利用3.7u通道對熱源的敏感性(這個敏感性是相對于其它通道而言，例如11u通道對熱源反映不敏感)。當3.7u通道的絕對值大于某一閾值時，即認為發(fā)生了火災(zāi)。當然，對于捕捉大火是沒有問題的，但是，對于以下幾種情況就會碰到困難：

(1)火點比較小。小的火點溫度相對較低，很容易被忽略。

(2)火點上面有薄云、煙、霧或比較濃厚的氣溶膠覆蓋。在這些情況下，雖然火點信息還會被衛(wèi)星捕捉到，但火點絕對溫度比較低，很容易被傳統(tǒng)算法忽略。

(3)大片的地面高溫度。地面的裸土在夏季被太陽照射后，溫度也非常高，經(jīng)常被傳統(tǒng)算法判斷成為火點。

影響傳統(tǒng)算法對火災(zāi)檢測能力的因素歸結(jié)起來有幾個大的方面：

(1)季節(jié)變化因素：季節(jié)變化導(dǎo)致的地面溫度變化，使3.7u通道的溫度值隨季節(jié)差異很大。

(2)天際變化因素：一天內(nèi)的地面溫度變化，使3.7u通道的溫度值發(fā)生天際變化。

(3)云和氣溶膠因素：云和氣溶膠，導(dǎo)致地面溫度傳遞到衛(wèi)星時，受到阻擋和掩蓋，影響對地面溫度的觀測。

(4)日光反射因素：白天時，在云的邊緣，由于反射太陽光，也會導(dǎo)致3.7u通道的溫度值非常高。

2.2 鄰域環(huán)境相關(guān)熱點探測算法

2.2.1鄰域環(huán)境相關(guān)熱點探測算法要點

鄰域環(huán)境相關(guān)熱點探測算法是針對傳統(tǒng)算法的不足而設(shè)計的，其技術(shù)要點如下。

(1)主要考慮被計算像元與其周邊像元的關(guān)系。這些關(guān)系包括：3.7u通道的標準差；3.7u通道的平均值；3.7u通道與11u通道的差值的標準差；3.7u通道與11u通道的差值的平均值。

(2)保留傳統(tǒng)算法的優(yōu)點：溫度閾值依然是新算法的一個要素。

(3)使用土地利用和土地覆蓋文件：把城市、裸土等導(dǎo)致誤判的因素剔除。

“鄰域”是指被判識像元的周圍，比如以被判識像元為中心3×3的區(qū)域。“鄰域環(huán)境”，是指標準差、平均值和地表覆蓋信息等。

2.2.2鄰域環(huán)境相關(guān)熱點探測算法步驟

2.2.2.1通道選擇

火災(zāi)監(jiān)測算法從多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)抽取關(guān)鍵的探測通道，這些適用于火災(zāi)監(jiān)測的通道包括：

關(guān)鍵遙感通道：3.7 μm紅外通道(簡稱3通道)11 μm紅外通道(簡稱4通道)0.8 μm可見光通道(白天，簡稱2通道)；

輔助遙感通道：12 μm紅外通道(簡稱5通道)0.6 μm可見光通道(白天，簡稱1通道)。

另外，還需要使用輔助數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)包括：

植被覆蓋和植被利用數(shù)據(jù)：用于屏蔽水體、裸土、城市等。

行政區(qū)域邊界線：用于確認熱點所在的行政區(qū)域。

2.2.2.2探測潛在火災(zāi)(熱點)

初步篩選可能是火災(zāi)(熱點)的那些像元。通過一系列的判別條件，排除那些明顯不是火災(zāi)(熱點)的像元，而通過判別的像元，則進入下一個判識流程。

(1)潛在熱點的判別條件

T3>311K

(4)

T3-T4>9K

(5)

式中T3——3通道的亮度溫度，以K為單位，T4——4通道的亮度溫度，以K為單位。

(注：對判別條件的基本要求：閾值要低到所有的可能是熱點的像元都被選??；閾值要高到排除大多數(shù)不是熱點的像元。)

主要掩模包含：云——用1、2和5通道確定；沙漠——在一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中提供；水體——在一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中提供，也可以用低的NDVI(植被覆蓋指數(shù))值確定。

(2)排除一些特別像元的判別條件

因為3通道覆蓋了電磁波譜的太陽和熱紅外區(qū)間，所以排除3通道的一些特別像元是非常重要的，這些像元是：輻射率達到飽和或因為高反照而變得比高溫高出太多(如亮土壤、云、太陽耀斑等)。

排除這些像元的辦法是使用2通道的反照率，滿足下面條件的潛在熱點不是火，將被排除：

ρ2≥20%

(6)

式中ρ2——2通道的反照率，以百分比表示，范圍為0～100%。

(注：當使用了掩模后，此判別條件依然可以排除一些虛假潛在熱點，如亮稀土平原或在河上的太陽耀斑。)

2.2.2.3確認火災(zāi)

針對上一步選出的潛在熱點，明確它們是不是火。對于每個潛在熱點，判斷的方式是研究潛在熱點和它的相鄰像元的關(guān)系。事實上，如果大多數(shù)相鄰像元與潛在熱點有足夠大的差異，這個潛在熱點就被認為是火。

(1)潛在熱點的相鄰像元的信息提取。以潛在熱點為中心，自動計算一個可變大小的背景窗口(從3×3到15×15個像元)的統(tǒng)計信息，當滿足下面條件時停止：最少25%的臨近像元可被認為是熱點背景；最少有3個像元適于計算。

當計算條件不滿足時，潛在熱點被排除，該像元被標示成不是火。

如果通過了這些條件，則計算：

T3b：熱點背景的T3平均值；

σT3b：熱點背景的T3標準偏差；

T34b：熱點背景的T3-T4平均值；

σT34b：熱點背景的T3-T4標準偏差。

其中標準偏差的計算公式：

對統(tǒng)計計算的像元的要求：不是潛在熱點，而是與之相關(guān)的正常熱點背景。如果可能，應(yīng)該排除水體和云參與統(tǒng)計，它們會引起統(tǒng)計結(jié)果偏差，導(dǎo)致錯誤結(jié)論。

例如：一個熱土像元，周圍被水包圍，被選為潛在熱點。這種情況下，它將背景確認為熱點，因為水體在的3通道低值將減小潛在熱點背景的平均值。另一種情況是被其它熱點包圍著的一個小熱點，將被排除，因為其它熱點錯誤地提高了背景的平均值。

(2)與鄰域環(huán)境相關(guān)的熱點判別條件。如果滿足下面條件，潛在熱點就被判定為熱點：

T3PF-(T3b+2σT3b)>3K

(7)

T34PF>T34b+2σT34b

(8)

式中T3b——熱點背景的T3平均值；σT3b——熱點背景的T3標準偏差；T34b——熱點背景的T3-T4平均值；σT34b——熱點背景的T3-T4標準偏差；T3PF——潛在熱點的溫度；T34PF——潛在熱點的T3-T4平均值。

(3)與其他衛(wèi)星觀測背景的熱點判別條件。使用相同(或相近)時間的靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢測熱點。使用FY-2C、MTSAT、GOES等衛(wèi)星的觀測值作為背景，靜止氣象衛(wèi)星IR通道的溫度為Tg4，NIR通道的溫度為Tg3，在前面各測試中被判定的熱點，經(jīng)過下面判斷才最后確定為熱點：

T3-Tg3>5K

(9)

(T3-T4)-(Tg3-Tg4)

(10)

式中T3——3通道的亮度溫度；T4——4通道的亮度溫度；Tg3——靜止衛(wèi)星3通道的亮度溫度；Tg4——靜止衛(wèi)星4通道的亮度溫度。

3 監(jiān)測預(yù)警算法

3.1 多元衛(wèi)星聯(lián)合觀測算法

極軌衛(wèi)星分辨率高，軌道設(shè)計可以很好地提高在軌道密集時間的火災(zāi)探測能力，但也降低了軌道稀疏時間的探測能力。靜止衛(wèi)星紅外通道分辨率5公里，只能用于識別大型火災(zāi)。正常情況下，每小時提供一次觀測，加密觀測，提供每半小時一次的觀測。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的融合與匹配問題包括：衛(wèi)星時間匹配問題、空間分辨率問題、通道定標問題。

精心設(shè)計的鄰域環(huán)境相關(guān)熱點探測算法，降低了不同衛(wèi)星的通道和儀器特征對火災(zāi)探測的影響，從算法角度使不同衛(wèi)星的通道和儀器得到的探測結(jié)果更加一致，事實上做到了不同衛(wèi)星的通道和儀器的數(shù)據(jù)融合。

本文采用等經(jīng)緯度投影。因為在這些投影中，等經(jīng)緯度投影最適合科學(xué)計算，也能很好的和福建電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)融合。

通常的火災(zāi)監(jiān)測算法，都是針對具體某個衛(wèi)星或某個傳感器而言的。如果想統(tǒng)一使用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，必須進行相對定標：多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)需要定標到一個相對的標準之上。對于本文來說，Aqua衛(wèi)星Modis傳感器數(shù)據(jù)，由于其動態(tài)范圍大，成像質(zhì)量高，被選為相對定標的定標參考。

3.2 線路山火故障預(yù)警算法

根據(jù)運行經(jīng)驗，發(fā)生山火輸電線路的故障概率受很多因素影響。相關(guān)機理研究也表明高壓絕緣破壞放電符合概率性規(guī)律，因此本文采用概率性指標來預(yù)警山火條件下的線路故障。

3.2.1樸素貝葉斯算法原理

根據(jù)貝葉斯定理，可以得到樸素貝葉斯這個分類方法。一個樸素貝葉斯分類器假設(shè)一個分類的特性與該分類的其他特性不相關(guān)。

樸素貝葉斯模型易于建造，且對于大型數(shù)據(jù)集非常有用。雖然簡單，但是樸素貝葉斯的表現(xiàn)卻超越了非常復(fù)雜的分類方法。

3.2.2線路山火故障概率學(xué)習(xí)算法

本文選取學(xué)習(xí)樣本為：福建歷史山火衛(wèi)星監(jiān)測和線路山火人工預(yù)警紀錄。根據(jù)運行經(jīng)驗和分類特性不相關(guān)的假設(shè)選取分類特征如下：一是火險等級；二是火點與線路的最近距離；三是線路架設(shè)高度；四是投影風(fēng)力；五是線路運行狀態(tài)；六是火災(zāi)面積。

數(shù)據(jù)預(yù)處理過程：火險等級從福建電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)當中的火險等級中抽取，綜合歷史火情和當前溫度濕度累計未降雨天數(shù)等因素。

火點與線路的最近距離，將監(jiān)測到的火點映射到電網(wǎng)GIS圖形上，通過GIS上的快速圖形搜索算法搜索到火點到周邊線路的最短距離。

線路的架設(shè)高度，以線路的電壓等級為基礎(chǔ)，按照設(shè)計標準自動生成，對于早期線路或特殊情況的線路進行人工修正，更新到GIS上，并歸并到最臨近的低一檔設(shè)計標高。

投影風(fēng)力，通過GIS圖形搜索，求取風(fēng)力在火點和最臨近線路方向上的投影。

線路運行狀態(tài)，根據(jù)線路一次、二次設(shè)備的實際運行檢修情況，對線路的運行狀態(tài)評估好、中、差三檔。

根據(jù)火點監(jiān)測的象元數(shù)測算火災(zāi)面積。算法流程如下：

(1)根據(jù)根據(jù)歷史火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警情況和線路跳閘情況生成訓(xùn)練樣本集合(每次山火監(jiān)測預(yù)警搜索最近的線路和發(fā)生跳閘的線路作為訓(xùn)練樣本)。

(2)統(tǒng)計得到在各樣本下各個特征屬性發(fā)生跳閘的條件概率估計值。

(3)對每一個類別計算P(X|Yk)P(Yk)。

(4)按照各個特征屬性是條件獨立的，根據(jù)貝葉斯定理推導(dǎo)如下：

(5)根據(jù)訓(xùn)練后得到的概率分布驗證新監(jiān)測到的山火和線路預(yù)警。

(6)根據(jù)實際發(fā)生的線路故障持續(xù)學(xué)習(xí)和更新概率分布估計。

4 福建電網(wǎng)山火監(jiān)測實例

2018年1月19日，福建監(jiān)測到三處火情，其中寧德一處火情對電網(wǎng)威脅較大，出現(xiàn)對線路的預(yù)警?；鹎榛厩闆r如下：

12時30分前，本文的衛(wèi)星火點監(jiān)測方法未監(jiān)測到福建有異常高溫。

13時30分，本文的衛(wèi)星火點監(jiān)測方法監(jiān)測到福建有三處異常高溫。具體位置情況如表1。

從衛(wèi)星圖片(見圖1)，依據(jù)本文提出的方法監(jiān)測到4處火點，監(jiān)測到的火點位置如表1所示。

表1

表中邵武市和壽寧縣的火點位置離福建電網(wǎng)主網(wǎng)線路位置較遠未引發(fā)線路故障預(yù)警。

寧德市火點距離福建和華東特高壓聯(lián)絡(luò)線都榕Ⅰ/Ⅱ路較近，根據(jù)本文預(yù)警算法，測算的故障概率達到0.345，超過預(yù)警閾值0.1，觸發(fā)線路山火故障預(yù)警。

1 000 kV都榕Ⅰ/Ⅱ路線路周邊現(xiàn)場實地勘查情況為：14:27，距離1 000 kV都榕Ⅰ線480號桿塔(與都榕Ⅱ線471號桿塔并排架設(shè))左側(cè)300 m處有火燒山?，F(xiàn)場火勢大、煙大，風(fēng)向背離線路，植被為蘆葦、灌木、松樹?，F(xiàn)場已經(jīng)有人組織滅火。未影響線路運行。18:46，1 000 kV都榕Ⅰ線480號桿塔(與都榕Ⅱ線471號桿塔并排架設(shè))附近山火全部熄滅。

圖1 火災(zāi)衛(wèi)星圖

5 結(jié)語

(1)通過本方法在福建電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，驗證了本方法可以發(fā)現(xiàn)受一定背景干擾的火點監(jiān)測，能有效提高火災(zāi)監(jiān)測的準確性。

(2)通過本方法在福建電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，驗證了本方法可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)面積較小的火點，能有效提高火災(zāi)監(jiān)測的精確度。

(3)本文的方法應(yīng)用到福建電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對火情的全天候監(jiān)測預(yù)警，驗證了本方法在提高電網(wǎng)山火時間分辨率和線路山火故障預(yù)警效果。

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