基于衛星遙感技術的電網建設全過程動態監控技術研究

賴余斌，袁太平，洪巧章，劉佳瑩

(1.南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663；2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 引言

電網是國民經濟的重要命脈，在現代能源供應體系中發揮著重要的樞紐作用。全面保障和提升電網工程建設安全質量是管理工作的重中之重。保證電網安全、可靠、穩定運行，關系到國家能源安全和國計民生。

《電力發展“十三五” 規劃》中提出，在電網發展方面，到2020年，建設特高壓輸電和常規輸電技術的“西電東送”輸電通道，新增規模1.3億kW；全國新增500 kV及以上交流線路9.2萬km，變電容量9.2億kVA。在電網快速建設的過程中，施工質量面臨著諸多挑戰。

具體表現在：施工質量不但影響電力建設的進度，還涉及到整個電力系統的安全性、可靠性；施工過程涉及多方協作，為施工質量的保證帶來一定程度的困難；電網工程距離長、跨越區域廣，沿途受到天氣、環境、地質條件、人為等因素影響比較大，會產生種類繁多、復雜多變的問題，若不能及時進行補救，勢必出現負面的連鎖反應。

而傳統的施工現場監控受管理人員的經驗技能的影響，缺乏及時監督的有效方法，對施工現場的不安全現象以及不確定因素難以及時發現和做出響應，難以滿足現代施工現場管理的需要。所以急需創新技術方法，加強電網建設全過程的動態監控，保證工程建設安全質量。衛星遙感技術的發展為這一目標的實現提供了可能。

本文研究利用衛星遙感技術進行電網工程建設過程監控，快速獲取工程建設區域的衛星遙感影像，通過人工智能的方法，對影像進行判讀、解譯，實現電網工程建設監控的大范圍、全覆蓋、全過程、可追溯。

2 衛星遙感技術

衛星遙感技術是指通過衛星傳感器，在不與研究對象直接接觸的情況下，獲取研究對象的特征信息，并對這些信息進行提取、加工、表達、應用的一門科學技術。衛星遙感技術具有宏觀性、實時性、周期性等特點，是進行動態監測的有效技術手段。特別是高分辨率衛星的快速發展，高分辨率遙感影像資源越來越豐富，使得在精細的空間尺度上進行監測成為可能。

目前，國外高分辨率商業衛星其空間分辨率已達到亞米級的水平，如 QuickBird、WorldView-2、GeoEye-1等。隨著近些年國產高分專項系列衛星GF1-1、GF-2等的發射，國產遙感圖像獲取數量和質量也在大幅提升，為從遙感影像快速、準確獲取詳細的地面信息提供了基礎。

3 動態監控技術

3.1 監控內容

電力工程建設中，保證施工安全質量和工程進度，需要對施工過程的每一個重要環節進行嚴格的動態監控，具體監控內容包括以下幾個方面。

(1)總體施工狀況監控。對施工范圍和時間進度進行監控。

(2)通道或場地清理大范圍監控。對植被清理、房屋拆遷的動態監控。

(3)大范圍地質災害(滑坡、泥石流)監控。

(4)大范圍環境影響及恢復監測。主要監控施工棄土堆放以及對環境產生的影響和恢復情況。

(5)施工道路及運維道路的方案合理性監控。

3.2 技術難點

針對以上監控內容，本文研究利用衛星遙感技術對電網工程建設全過程進行動態監控。在研究過程中，遇到的技術難點和采用的解決方案有如下。

(1)構建數據綜合分析和處理的數學模型。 研究電網建設每一項施工工藝的具體標準規范。分析來源于不同衛星傳感器、不同施工階段、不同施工部位的影像數據，針對不同的數據源分別設計出精確的監測方法和數學模型。

(2)海量數據存儲、處理與展示。 建立地理信息系統數據庫，管理不同數據源的勘測設計數據+施工數據+多時相遙感影像。

(3)保證監測精度及可靠性。 監測精度受限于衛星傳感器技術發展水平及特征量選取等因素。本文采用全色、多光譜影像數據進行影像融合，提高等多種高分辨率衛星影像數據融合，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確性和效率。

4 監控技術流程

利用衛星遙感技術對電網工程建設全過程進行動態監控的技術流程如圖1所示。首先，連續獲取工程所在區域建設全過程的多時相遙感影像數據，即在不同時間獲取的同一地域的影像數據。然后進行預處理，再從多時相遙感影像中快速、準確地提取相關目標(塔位、房屋、植被、建筑物、道路、地質災害點等)的地理空間信息。輸入勘測設計數據，進行遙感影像變化人工智能檢測。通過分析并提取出變化信息，輸出變化結果。及時發現潛在的問題進行預警。

圖1 對多時相遙感影像變化檢測過程

4.1 影像預處理

過程包括影像配準、影像融合、幾何校正、輻射校正、影像裁剪、鑲嵌等。影像預處理的目的是突出檢測對象，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的結果。其中，影像配準、幾何校正、輻射校正是最重要的幾個過程。

影像配準主要將不同時相的兩幅影像進行匹配、疊加的過程。本文對電網建設全過程進行連續觀測，所以首先需要對不同時間獲得的遙感影像進行高精度配準，配準的精度需要在1/4～1/2像素內，以保證后續檢測精度。

幾何校正是對遙感圖像與地物目標間發生的幾何畸變進行校正。這種畸變是由于衛星遙感成像過程中，飛行器的姿態、高度、速度以及地球曲率等因素導致的影像擠壓、扭曲、拉伸、偏移等。通常將不同時相的遙感影像相對同一個參考坐標系統進行糾正。

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度發生變化，因此要去除這種輻射畸變。通常，在變化檢測的過程中采用相對輻射校正來歸一化兩幅影像的輻射畸變。

4.2 變化檢測

利用獲取的多時相遙感圖像來確定和分析地表變化。首先需要進行特征提取，結合遙感影像數據特點以及電網建設動監控內容，主要涉及到對4類特征進行信息提取，即：光譜特征、幾何特征、空間關系特征、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，用來描述樣本對象的光譜信息，主要包括均值、標準差、歸一化植被指數(NDVI)、歸一化水體指數(NDWI)等特征。對林木范圍的檢測主要用到光譜特征。

(2)幾何特征是光譜特征的衍生特征，用來表示樣本對象的形狀信息，主要包括長寬比、周長、形狀指數、像素數目等特征。對房屋信息的檢測主要用到幾何特征。

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

(4)紋理特征是對光譜重復模式的定量描述，往往可與顏色特征等相結合，用來描述樣本對象的光譜信息在空間分布上的規律，主要包括同質性、對比度、相關性、相異性等特征。

在變化檢測處理過程中的核心是變化信息的提取，目前多常用自動提取方法，對于重點目標還可以采用人機交互的方法。

4.3 結果分析及輸出

利用勘測設計數據作為輔助數據，進行變化檢測，對檢測到的確定變化特征進行直接分析，進而確定目標區域的變化類型，并用輸出圖表等方式來描述變化檢測結果。對變化檢測結果進行分析，從而達到對電網建設過程進行監控的目的。

5 監控方法、方案

5.1 勘測設計數據的獲取與分析處理

勘測設計數據是電網工程建設的基礎和依據。本項目利用勘測設計數據作為基準數據，對遙感影像進行電網建設過程的變化分析。勘測設計數據主要包括：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、地質災害評估數據、壓礦評估數據等，變電站工程中站址范圍及布置圖、原始地形圖及影像圖、邊坡設計圖等，以及相關的地質、環保資料。已有的勘測設計數據為電網建設監控提供了許多先驗信息，不但可以讓全過程的動態監控更加目標明確，還可以提高變化檢測的準確性，減少虛警情況。

5.2 總體施工狀況和進度監控

主要對以及線路、變電站(換流站)施工范圍和時間進度進行總體監控。以勘測設計的線路桿塔位置或者站址范圍線作為輔助數據，連續獲取電網建設過程中范圍內的多期遙感影像數據，以全色和多光譜影像進行融合，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， 并對目標進行變化檢測，提取線路走廊(如圖2)或站址范圍內地物目標發生的變化，從而判斷施工范圍和進度是否滿足要求。另外，可以利用多期數據生成連續變化動態圖，更加直觀的展示建設過程的進展情況。

圖2 電網建設施工狀況監控

5.3 通道或場地清理大范圍質量監控

主要監控通道或者站址范圍內林木砍伐范圍、房屋拆遷范圍是否滿足要求。以勘測設計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據。利用特征提取算法或者基于深度學習的目標識別，提取房屋與植被信息，與勘測設計數據進行疊加對比，從而做出判斷。

通過多時相遙感影像變化監測，可以監控大范圍通道或場地房屋拆遷、植被清理的進展情況。與勘測設計數據疊加，可以有效的判斷房屋拆遷以及林木砍伐范圍是否滿足設計要求，以及是否存在新增房屋(圖3)。

圖3 兩期遙感數據與輔助數據疊加對比

5.4 大范圍地質災害監控

主要監控地質災害(泥石流、滑坡)、以及各種自然災害對電網建設安全質量的影響。以勘測設計的地質資料及地災評估數據作為輔助數據，用于提取地層巖性、地質構造等環境信息。利用高分辨率遙感影像數據，采用立體像對技術及光譜分析等關鍵技術，提取地形地貌、地表覆被、地質條件、水文條件等作為地質災害易發性評價因子，通過對這些因子的連續監測，進行解譯和空間定位，從而實現災害監控和預警。

按照一定時間間隔獲取衛星影像立體像對，利用立體像對匹配技術，提取監控區域內的數字高程模型(DEM)。利用GIS空間分析技術生成坡度、坡向、斜坡形態等因子，滑坡(泥石流)空間發育與高程、坡度、坡向、斜坡形態等因子之間具有顯著關系，根據斜坡在其斷面和平面上的形態，滑坡主要發生于高程為100～300m、坡度為20°～30°、斜坡形態為外向凸形坡之中。

結合勘測設計數據，預測區域滑坡(泥石流)空間概率、時間概率和滑坡強度。建立區域滑坡(泥石流)危險性評價指標[3](見圖4)。

圖4 滑坡強度分級(a)及危險性區劃(b)

5.5 大范圍環境影響監控

主要監控施工棄土堆放、垃圾堆放，以及對環境的影響和恢復情況。連續獲取電網建設過程中范圍內的多期遙感影像數據，對多期數據進行連續的變化檢測，提取通道或場地100m范圍內地物目標發生的變化(圖5)，篩選結果，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)監控

在環境影響及恢復方面，衛星遙感技術在土地利用分類及植被指數等方面的成功運用為電網建設過程環境影響及恢復效果的監測提供了一條實時、經濟、準確的途徑。

植被覆蓋度是指植被在單位面積內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綜合量化指標，是描述植被群落及生態系統的重要參數，是衡量地表植被狀況的一個重要的指標，同時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(NDVI)等典型指數提取研究區植被覆蓋信息[5]。該監測范圍進行植被覆蓋度計算和等級劃分，計算出每幅影像中各植被覆蓋度等級占總面積的百分比。利用多時相的遙感數據對植被覆蓋度進行跟蹤評價，及時有效地監測建設范圍的生態環境變化動態(圖6)。

圖6 環境影響及恢復監控

5.6 施工道路及運維道路的方案合理性監控

主要對施工道路及運維道路的方案進行監控，對施工工作量進行復核、評估。連續獲取電網建設過程中范圍內的多時相遙感影像數據，進行連續的變化檢測(圖7)，從而監控道路施工方案是否合理。對施工后的道路目標進行特征提取[6](圖8)，利用道路矢量核算施工工作量。

圖7 電網工程建設區域道路施工方案

6 結語

本文探討了科學的監控模式，以達到對電網工程建設過程動態監控的目的。利用衛星遙感影像有效的進行動態監控并且準確地展示變化，為掌握電網建設全過程中施工總體情況、房屋拆遷、植被采伐、棄土堆放、環境影響等一段時間內發生的轉變情況提供了十分有價值的依據，并對地質災害的發生提供預警的依據。對于規范電網工程建設各方主體及有關機構行為，保證工程的最終建設質量、確保電網安全，保護環境，充分發揮電網工程的經濟效益和社會效益具有積極意義。

圖8 電網工程建設區域施工道路提取