基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的電網(wǎng)建設(shè)全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究

賴余斌，袁太平，洪巧章，劉佳瑩

(1.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 引言

電網(wǎng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要命脈，在現(xiàn)代能源供應(yīng)體系中發(fā)揮著重要的樞紐作用。全面保障和提升電網(wǎng)工程建設(shè)安全質(zhì)量是管理工作的重中之重。保證電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到國(guó)家能源安全和國(guó)計(jì)民生。

《電力發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》中提出，在電網(wǎng)發(fā)展方面，到2020年，建設(shè)特高壓輸電和常規(guī)輸電技術(shù)的“西電東送”輸電通道，新增規(guī)模1.3億kW；全國(guó)新增500 kV及以上交流線路9.2萬(wàn)km，變電容量9.2億kVA。在電網(wǎng)快速建設(shè)的過(guò)程中，施工質(zhì)量面臨著諸多挑戰(zhàn)。

具體表現(xiàn)在：施工質(zhì)量不但影響電力建設(shè)的進(jìn)度，還涉及到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性；施工過(guò)程涉及多方協(xié)作，為施工質(zhì)量的保證帶來(lái)一定程度的困難；電網(wǎng)工程距離長(zhǎng)、跨越區(qū)域廣，沿途受到天氣、環(huán)境、地質(zhì)條件、人為等因素影響比較大，會(huì)產(chǎn)生種類繁多、復(fù)雜多變的問(wèn)題，若不能及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救，勢(shì)必出現(xiàn)負(fù)面的連鎖反應(yīng)。

而傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控受管理人員的經(jīng)驗(yàn)技能的影響，缺乏及時(shí)監(jiān)督的有效方法，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的不安全現(xiàn)象以及不確定因素難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和做出響應(yīng)，難以滿足現(xiàn)代施工現(xiàn)場(chǎng)管理的需要。所以急需創(chuàng)新技術(shù)方法，加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證工程建設(shè)安全質(zhì)量。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

本文研究利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)工程建設(shè)過(guò)程監(jiān)控，快速獲取工程建設(shè)區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像，通過(guò)人工智能的方法，對(duì)影像進(jìn)行判讀、解譯，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)工程建設(shè)監(jiān)控的大范圍、全覆蓋、全過(guò)程、可追溯。

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感技術(shù)是指通過(guò)衛(wèi)星傳感器，在不與研究對(duì)象直接接觸的情況下，獲取研究對(duì)象的特征信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行提取、加工、表達(dá)、應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀性、實(shí)時(shí)性、周期性等特點(diǎn)，是進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效技術(shù)手段。特別是高分辨率衛(wèi)星的快速發(fā)展，高分辨率遙感影像資源越來(lái)越豐富，使得在精細(xì)的空間尺度上進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為可能。

目前，國(guó)外高分辨率商業(yè)衛(wèi)星其空間分辨率已達(dá)到亞米級(jí)的水平，如 QuickBird、WorldView-2、GeoEye-1等。隨著近些年國(guó)產(chǎn)高分專項(xiàng)系列衛(wèi)星GF1-1、GF-2等的發(fā)射，國(guó)產(chǎn)遙感圖像獲取數(shù)量和質(zhì)量也在大幅提升，為從遙感影像快速、準(zhǔn)確獲取詳細(xì)的地面信息提供了基礎(chǔ)。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)

3.1 監(jiān)控內(nèi)容

電力工程建設(shè)中，保證施工安全質(zhì)量和工程進(jìn)度，需要對(duì)施工過(guò)程的每一個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，具體監(jiān)控內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

(1)總體施工狀況監(jiān)控。對(duì)施工范圍和時(shí)間進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控。

(2)通道或場(chǎng)地清理大范圍監(jiān)控。對(duì)植被清理、房屋拆遷的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

(3)大范圍地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流)監(jiān)控。

(4)大范圍環(huán)境影響及恢復(fù)監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)控施工棄土堆放以及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響和恢復(fù)情況。

(5)施工道路及運(yùn)維道路的方案合理性監(jiān)控。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

針對(duì)以上監(jiān)控內(nèi)容，本文研究利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。在研究過(guò)程中，遇到的技術(shù)難點(diǎn)和采用的解決方案有如下。

(1)構(gòu)建數(shù)據(jù)綜合分析和處理的數(shù)學(xué)模型。 研究電網(wǎng)建設(shè)每一項(xiàng)施工工藝的具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。分析來(lái)源于不同衛(wèi)星傳感器、不同施工階段、不同施工部位的影像數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源分別設(shè)計(jì)出精確的監(jiān)測(cè)方法和數(shù)學(xué)模型。

(2)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與展示。 建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，管理不同數(shù)據(jù)源的勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)+施工數(shù)據(jù)+多時(shí)相遙感影像。

(3)保證監(jiān)測(cè)精度及可靠性。 監(jiān)測(cè)精度受限于衛(wèi)星傳感器技術(shù)發(fā)展水平及特征量選取等因素。本文采用全色、多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像融合，提高等多種高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)融合，提高影像的空間分辨率和光譜特征。并嘗試多種特征的人工智能提取算法，提高特征量提取的準(zhǔn)確性和效率。

4 監(jiān)控技術(shù)流程

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控的技術(shù)流程如圖1所示。首先，連續(xù)獲取工程所在區(qū)域建設(shè)全過(guò)程的多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，即在不同時(shí)間獲取的同一地域的影像數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行預(yù)處理，再?gòu)亩鄷r(shí)相遙感影像中快速、準(zhǔn)確地提取相關(guān)目標(biāo)(塔位、房屋、植被、建筑物、道路、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)等)的地理空間信息。輸入勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙感影像變化人工智能檢測(cè)。通過(guò)分析并提取出變化信息，輸出變化結(jié)果。及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。

圖1 對(duì)多時(shí)相遙感影像變化檢測(cè)過(guò)程

4.1 影像預(yù)處理

過(guò)程包括影像配準(zhǔn)、影像融合、幾何校正、輻射校正、影像裁剪、鑲嵌等。影像預(yù)處理的目的是突出檢測(cè)對(duì)象，提高遙感影像的解譯能力，其處理的好壞直接影響到變化檢測(cè)的結(jié)果。其中，影像配準(zhǔn)、幾何校正、輻射校正是最重要的幾個(gè)過(guò)程。

影像配準(zhǔn)主要將不同時(shí)相的兩幅影像進(jìn)行匹配、疊加的過(guò)程。本文對(duì)電網(wǎng)建設(shè)全過(guò)程進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，所以首先需要對(duì)不同時(shí)間獲得的遙感影像進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的精度需要在1/4～1/2像素內(nèi)，以保證后續(xù)檢測(cè)精度。

幾何校正是對(duì)遙感圖像與地物目標(biāo)間發(fā)生的幾何畸變進(jìn)行校正。這種畸變是由于衛(wèi)星遙感成像過(guò)程中，飛行器的姿態(tài)、高度、速度以及地球曲率等因素導(dǎo)致的影像擠壓、扭曲、拉伸、偏移等。通常將不同時(shí)相的遙感影像相對(duì)同一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行糾正。

輻射校正是由于受到傳感器誤差和大氣因素的影響，造成地物的光譜反射到傳感器的輻射強(qiáng)度發(fā)生變化，因此要去除這種輻射畸變。通常，在變化檢測(cè)的過(guò)程中采用相對(duì)輻射校正來(lái)歸一化兩幅影像的輻射畸變。

4.2 變化檢測(cè)

利用獲取的多時(shí)相遙感圖像來(lái)確定和分析地表變化。首先需要進(jìn)行特征提取，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及電網(wǎng)建設(shè)動(dòng)監(jiān)控內(nèi)容，主要涉及到對(duì)4類特征進(jìn)行信息提取，即：光譜特征、幾何特征、空間關(guān)系特征、紋理特征[2]。

(1)光譜特征是遙感影像最基本且最直觀的特征，用來(lái)描述樣本對(duì)象的光譜信息，主要包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化水體指數(shù)(NDWI)等特征。對(duì)林木范圍的檢測(cè)主要用到光譜特征。

(2)幾何特征是光譜特征的衍生特征，用來(lái)表示樣本對(duì)象的形狀信息，主要包括長(zhǎng)寬比、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)、像素?cái)?shù)目等特征。對(duì)房屋信息的檢測(cè)主要用到幾何特征。

(3)空間關(guān)系特征是對(duì)多樣本對(duì)象間的空間配置關(guān)系進(jìn)行描述，描述的不僅僅是單一對(duì)象，主要包括緊致度、主方向等特征。

(4)紋理特征是對(duì)光譜重復(fù)模式的定量描述，往往可與顏色特征等相結(jié)合，用來(lái)描述樣本對(duì)象的光譜信息在空間分布上的規(guī)律，主要包括同質(zhì)性、對(duì)比度、相關(guān)性、相異性等特征。

在變化檢測(cè)處理過(guò)程中的核心是變化信息的提取，目前多常用自動(dòng)提取方法，對(duì)于重點(diǎn)目標(biāo)還可以采用人機(jī)交互的方法。

4.3 結(jié)果分析及輸出

利用勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，進(jìn)行變化檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)到的確定變化特征進(jìn)行直接分析，進(jìn)而確定目標(biāo)區(qū)域的變化類型，并用輸出圖表等方式來(lái)描述變化檢測(cè)結(jié)果。對(duì)變化檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，從而達(dá)到對(duì)電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控的目的。

5 監(jiān)控方法、方案

5.1 勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的獲取與分析處理

勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是電網(wǎng)工程建設(shè)的基礎(chǔ)和依據(jù)。本項(xiàng)目利用勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對(duì)遙感影像進(jìn)行電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程的變化分析。勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要包括：線路工程中線路路徑、桿塔位置、房屋分布圖及拆遷范圍、林木分布圖及砍伐清理范圍、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估數(shù)據(jù)、壓礦評(píng)估數(shù)據(jù)等，變電站工程中站址范圍及布置圖、原始地形圖及影像圖、邊坡設(shè)計(jì)圖等，以及相關(guān)的地質(zhì)、環(huán)保資料。已有的勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為電網(wǎng)建設(shè)監(jiān)控提供了許多先驗(yàn)信息，不但可以讓全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控更加目標(biāo)明確，還可以提高變化檢測(cè)的準(zhǔn)確性，減少虛警情況。

5.2 總體施工狀況和進(jìn)度監(jiān)控

主要對(duì)以及線路、變電站(換流站)施工范圍和時(shí)間進(jìn)度進(jìn)行總體監(jiān)控。以勘測(cè)設(shè)計(jì)的線路桿塔位置或者站址范圍線作為輔助數(shù)據(jù)，連續(xù)獲取電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中范圍內(nèi)的多期遙感影像數(shù)據(jù)，以全色和多光譜影像進(jìn)行融合，利用光譜分析等方法，選擇光譜、紋理、幾何等特征信息提取目標(biāo)， 并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行變化檢測(cè)，提取線路走廊(如圖2)或站址范圍內(nèi)地物目標(biāo)發(fā)生的變化，從而判斷施工范圍和進(jìn)度是否滿足要求。另外，可以利用多期數(shù)據(jù)生成連續(xù)變化動(dòng)態(tài)圖，更加直觀的展示建設(shè)過(guò)程的進(jìn)展情況。

圖2 電網(wǎng)建設(shè)施工狀況監(jiān)控

5.3 通道或場(chǎng)地清理大范圍質(zhì)量監(jiān)控

主要監(jiān)控通道或者站址范圍內(nèi)林木砍伐范圍、房屋拆遷范圍是否滿足要求。以勘測(cè)設(shè)計(jì)的輸電線路房屋分布圖、林木分布圖或者站址地形圖作為輔助數(shù)據(jù)。利用特征提取算法或者基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別，提取房屋與植被信息，與勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比，從而做出判斷。

通過(guò)多時(shí)相遙感影像變化監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)控大范圍通道或場(chǎng)地房屋拆遷、植被清理的進(jìn)展情況。與勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)疊加，可以有效的判斷房屋拆遷以及林木砍伐范圍是否滿足設(shè)計(jì)要求，以及是否存在新增房屋(圖3)。

圖3 兩期遙感數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)疊加對(duì)比

5.4 大范圍地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控

主要監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害(泥石流、滑坡)、以及各種自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)建設(shè)安全質(zhì)量的影響。以勘測(cè)設(shè)計(jì)的地質(zhì)資料及地災(zāi)評(píng)估數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，用于提取地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等環(huán)境信息。利用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，采用立體像對(duì)技術(shù)及光譜分析等關(guān)鍵技術(shù)，提取地形地貌、地表覆被、地質(zhì)條件、水文條件等作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子，通過(guò)對(duì)這些因子的連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行解譯和空間定位，從而實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)控和預(yù)警。

按照一定時(shí)間間隔獲取衛(wèi)星影像立體像對(duì)，利用立體像對(duì)匹配技術(shù)，提取監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)。利用GIS空間分析技術(shù)生成坡度、坡向、斜坡形態(tài)等因子，滑坡(泥石流)空間發(fā)育與高程、坡度、坡向、斜坡形態(tài)等因子之間具有顯著關(guān)系，根據(jù)斜坡在其斷面和平面上的形態(tài)，滑坡主要發(fā)生于高程為100～300m、坡度為20°～30°、斜坡形態(tài)為外向凸形坡之中。

結(jié)合勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)區(qū)域滑坡(泥石流)空間概率、時(shí)間概率和滑坡強(qiáng)度。建立區(qū)域滑坡(泥石流)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)[3](見(jiàn)圖4)。

圖4 滑坡強(qiáng)度分級(jí)(a)及危險(xiǎn)性區(qū)劃(b)

5.5 大范圍環(huán)境影響監(jiān)控

主要監(jiān)控施工棄土堆放、垃圾堆放，以及對(duì)環(huán)境的影響和恢復(fù)情況。連續(xù)獲取電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中范圍內(nèi)的多期遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)多期數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)的變化檢測(cè)，提取通道或場(chǎng)地100m范圍內(nèi)地物目標(biāo)發(fā)生的變化(圖5)，篩選結(jié)果，從而判斷施工棄土的堆放、垃圾堆放是否符合要求[4]。

圖5 棄土堆放(垃圾堆放)監(jiān)控

在環(huán)境影響及恢復(fù)方面，衛(wèi)星遙感技術(shù)在土地利用分類及植被指數(shù)等方面的成功運(yùn)用為電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程環(huán)境影響及恢復(fù)效果的監(jiān)測(cè)提供了一條實(shí)時(shí)、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的途徑。

植被覆蓋度是指植被在單位面積內(nèi)植被的垂直投影面積所占百分比，是植物群落覆蓋地表狀況的一個(gè)綜合量化指標(biāo)，是描述植被群落及生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要的指標(biāo)，同時(shí)也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子。提取遙感多光譜影像的光譜特性，選擇歸一化植被指數(shù)(NDVI)等典型指數(shù)提取研究區(qū)植被覆蓋信息[5]。該監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算和等級(jí)劃分，計(jì)算出每幅影像中各植被覆蓋度等級(jí)占總面積的百分比。利用多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)建設(shè)范圍的生態(tài)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)(圖6)。

圖6 環(huán)境影響及恢復(fù)監(jiān)控

5.6 施工道路及運(yùn)維道路的方案合理性監(jiān)控

主要對(duì)施工道路及運(yùn)維道路的方案進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)施工工作量進(jìn)行復(fù)核、評(píng)估。連續(xù)獲取電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中范圍內(nèi)的多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行連續(xù)的變化檢測(cè)(圖7)，從而監(jiān)控道路施工方案是否合理。對(duì)施工后的道路目標(biāo)進(jìn)行特征提取[6](圖8)，利用道路矢量核算施工工作量。

圖7 電網(wǎng)工程建設(shè)區(qū)域道路施工方案

6 結(jié)語(yǔ)

本文探討了科學(xué)的監(jiān)控模式，以達(dá)到對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控的目的。利用衛(wèi)星遙感影像有效的進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控并且準(zhǔn)確地展示變化，為掌握電網(wǎng)建設(shè)全過(guò)程中施工總體情況、房屋拆遷、植被采伐、棄土堆放、環(huán)境影響等一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的轉(zhuǎn)變情況提供了十分有價(jià)值的依據(jù)，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供預(yù)警的依據(jù)。對(duì)于規(guī)范電網(wǎng)工程建設(shè)各方主體及有關(guān)機(jī)構(gòu)行為，保證工程的最終建設(shè)質(zhì)量、確保電網(wǎng)安全，保護(hù)環(huán)境，充分發(fā)揮電網(wǎng)工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有積極意義。

圖8 電網(wǎng)工程建設(shè)區(qū)域施工道路提取