本發(fā)明屬于火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警，具體涉及一種基于多源影像數(shù)據(jù)的火情監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，森林火災(zāi)的頻率和規(guī)模逐年增加，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。輸電線路作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，一旦受到火災(zāi)影響，可能導(dǎo)致大面積停電，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。因此，如何及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測火情，評估火災(zāi)對輸電線路的潛在威脅，并采取有效的預(yù)防措施，成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要課題。近年來，遙感技術(shù)的發(fā)展為火情監(jiān)測提供了新的手段，通過衛(wèi)星遙感、無人機(jī)航拍等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的火情監(jiān)測。
2、現(xiàn)有的火情監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足：首先，監(jiān)測系統(tǒng)主要聚焦火情發(fā)生與蔓延，但缺乏對火場與輸電線路空間關(guān)系的深度解析，無法精確計算兩者最小垂直距離，導(dǎo)致威脅評估粗糙；其次，監(jiān)測系統(tǒng)未綜合考慮火場對輸電線路的多維度威脅，且缺乏對歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)的深度挖掘，致?lián)p概率計算偏差較大；最后，監(jiān)測系統(tǒng)未將負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本與跳閘損失納入綜合分析，難以在保障電力系統(tǒng)安全的同時最小化經(jīng)濟(jì)損失。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于多源影像數(shù)據(jù)的火情監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于多源影像數(shù)據(jù)的火情監(jiān)測預(yù)警方法，包括如下步驟：
4、s1、通過遙感衛(wèi)星監(jiān)測火災(zāi)異常，若檢測到潛在火情，則通過熱紅外波段分析火頭溫度梯度，并精確定位火點(diǎn)位置，通過電網(wǎng)gis系統(tǒng)獲取電網(wǎng)資產(chǎn)分布數(shù)據(jù)，結(jié)合火點(diǎn)位置信息，篩選出可能受影響的輸電線路；
5、s2、基于可能受影響的輸電線路，確定其輸電走廊范圍，并驅(qū)動多個無人機(jī)分別前往火場和輸電走廊，通過無人機(jī)搭載的紅外熱像儀和激光雷達(dá)分別獲取火場中心點(diǎn)坐標(biāo)與輸電線路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計算火場與輸電線路之間的最小垂直距離；
6、s3、通過氣象衛(wèi)星獲取大氣溫度、濕度垂直分布，并結(jié)合微波輻射計反演風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)衛(wèi)星和光學(xué)衛(wèi)星分別獲取地形高程和植被類型，根據(jù)獲取的地形、植被和氣象數(shù)據(jù)疊加生成火場三維模型；
7、s4、通過火勢蔓延方程計算火場蔓延速度，并結(jié)合火場致?lián)p概率公式，計算火場對輸電線路造成的致?lián)p概率，同時，利用歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)對火場致?lián)p概率模型進(jìn)行校準(zhǔn)；
8、s5、通過計算負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本與跳閘損失，結(jié)合致?lián)p概率綜合分析，動態(tài)觸發(fā)輸電線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作。
9、優(yōu)選的，所述驅(qū)動多個無人機(jī)分別前往火場和輸電走廊，通過無人機(jī)搭載的紅外熱像儀和激光雷達(dá)分別獲取火場中心點(diǎn)坐標(biāo)與輸電線路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括：
10、無人機(jī)包括火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)和線路巡檢機(jī)；
11、火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)通過運(yùn)維站與火場之間的直線航線抵達(dá)火場，隨后以火場中心為基準(zhǔn)環(huán)繞飛行，記為初始路徑，通過其搭載的多光譜傳感器實(shí)時獲取煙霧的濃度、范圍和動態(tài)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合協(xié)同策略對初始路徑進(jìn)行二次優(yōu)化；
12、線路巡檢機(jī)基于輸電走廊范圍設(shè)置起點(diǎn)、途經(jīng)航點(diǎn)和目標(biāo)終點(diǎn)沿預(yù)設(shè)航線飛行，同時啟用激光雷達(dá)對輸電走廊進(jìn)行掃描，獲取輸電線路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
13、火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)通過紅外熱像儀拍攝火場，獲取火場溫度分布熱成像圖像，并將熱成像圖像數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理模塊，結(jié)合動態(tài)權(quán)重分配策略確定火場的中心點(diǎn)坐標(biāo)；
14、線路巡檢機(jī)將激光雷達(dá)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及自身位置信息同步傳輸至數(shù)據(jù)采集與處理模塊，結(jié)合火場核心區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)，計算火場與輸電線路的最小垂直距離。
15、優(yōu)選的，所述通過其搭載的多光譜傳感器實(shí)時獲取煙霧的濃度、范圍和動態(tài)變化數(shù)據(jù)，結(jié)合協(xié)同策略對初始路徑進(jìn)行二次優(yōu)化，包括：
16、通過雙機(jī)動態(tài)互補(bǔ)式協(xié)同策略，將多個火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)兩兩一組分為若干組，每組包括主無人機(jī)和從無人機(jī)；
17、主無人機(jī)沿初始路徑執(zhí)行火場核心區(qū)環(huán)繞飛行，初始路徑由第一半徑和第一高度定義，并基于此設(shè)定第二半徑和第二高度作為替補(bǔ)路徑，無人機(jī)沿外擴(kuò)螺旋軌跡攀升至替補(bǔ)路徑，構(gòu)建分層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；
18、多組火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)以圓周等間距排布，實(shí)現(xiàn)對火場的全方位、多層次監(jiān)測；
19、當(dāng)主無人機(jī)檢測到煙霧濃度升至干擾閾值時，自動向從無人機(jī)發(fā)送替補(bǔ)指令，同時主無人機(jī)沿?zé)熿F擴(kuò)散鋒面半徑擴(kuò)展，執(zhí)行逆時針繞飛，從無人機(jī)接收到替補(bǔ)指令后，通過改進(jìn)型對數(shù)螺旋方程規(guī)劃俯沖軌跡，精準(zhǔn)切入初始路徑，并始終保持在煙霧層上方飛行；
20、當(dāng)主無人機(jī)繞開煙霧擴(kuò)散鋒面返回初始路徑時，從無人機(jī)執(zhí)行二次外擴(kuò)機(jī)動返回替補(bǔ)路徑。
21、優(yōu)選的，所述通過火勢蔓延方程計算火場蔓延速度，包括：
22、通過火場三維模型提取地形高程數(shù)據(jù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)，采用克里金插值法生成分別生成坡度圖和風(fēng)速分布圖，并將坡度值和風(fēng)速值劃分為多個類別，通過隨機(jī)森林回歸模型，結(jié)合歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)，為每個風(fēng)速類別和坡度類別分別賦予風(fēng)速修正因子值和坡度修正因子值；
23、通過林業(yè)部門的森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，獲取可燃物類型、堆積密度和堆積厚度，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)獲取可燃物含水量，根據(jù)可燃物類型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定可燃物熱值，計算可燃物有效加熱系數(shù)；
24、可燃物有效加熱系數(shù)計算公式為：
25、∈＝ρb·q·(1-mc)；
26、式中，∈為可燃物有效加熱系數(shù)，ρb為可燃物堆積密度，mc為可燃物含水量，q為可燃物熱值；
27、通過可燃物燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取可燃物燃燒強(qiáng)度和點(diǎn)燃熱量，結(jié)合火場蔓延速度公式計算火場蔓延速度；
28、其中，火場蔓延速度公式為：
29、s＝ir·φw·φs·(h·∈·qig)；
30、式中，s為火場蔓延速度，ir為燃燒強(qiáng)度，φw為風(fēng)速修正因子，φs為坡度修正因子，h為可燃物堆積厚度，qig為點(diǎn)燃熱量。
31、優(yōu)選的，所述結(jié)合火場致?lián)p概率公式，計算火場對輸電線路造成的致?lián)p概率，包括：
32、基于火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)拍攝的熱成像圖像，在布設(shè)檢測點(diǎn)并提取色度值，與火焰參考色度閾值匹配，標(biāo)記火焰點(diǎn)，整合火焰點(diǎn)計算火焰區(qū)域面積，按時間序列記錄火場區(qū)域面積，構(gòu)成火場面積集合；
33、根據(jù)火場擴(kuò)大的物理特性，采用指數(shù)增長模型，結(jié)合火場面積集合，利用最小二乘法擬合模型參數(shù)，獲取火場面積函數(shù)；
34、基于火點(diǎn)監(jiān)測機(jī)搭載的紅外傳感器確定火場輻射溫度，結(jié)合斯蒂芬-玻爾茲曼定律計算火場熱輻射通量，基于多光譜傳感器獲取煙霧的濃度，結(jié)合煙霧濃度的經(jīng)驗(yàn)公式計算煙霧導(dǎo)電度；
35、基于火場三維模型獲取氣溫，對坡度因子修正值、風(fēng)速因子修正值、可燃物含水量和氣溫歸一化處理，通過加權(quán)相加算法獲取植被易燃指數(shù)；
36、通過輸電線路絕緣材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取電氣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性和耐老化性，歸一化處理后加權(quán)相加，計算絕緣類型系數(shù)；
37、通過火場致?lián)p概率公式計算致?lián)p概率；
38、其中，火場致?lián)p概率公式為：
39、p＝1/(1+e-βx)；
40、式中，線性組合項(xiàng)為：
41、
42、式中，p為致?lián)p概率，d為火場與輸電線路之間的最小垂直距離，φ為熱輻射通量，tmax為導(dǎo)線耐熱閾值，σ為煙霧導(dǎo)電度，f(t)為火場面積函數(shù)，c為植被易燃指數(shù)，k為絕緣類型系數(shù)，ω1、ω2和ω3為權(quán)重系數(shù)；
43、線性組合中第一分量s/d記為火勢逼近速率，第二分量c·φ/tmax記為熱輻射效應(yīng)，第三分量σ·f(t)/k記為煙霧效應(yīng)；
44、獲取歷史火災(zāi)案例與輸電線路故障記錄，采用隨機(jī)森林回歸模型擬合權(quán)重系數(shù)，對火場致?lián)p概率公式進(jìn)行校準(zhǔn)。
45、優(yōu)選的，所述獲取歷史火災(zāi)案例與輸電線路故障記錄，采用隨機(jī)森林回歸模型擬合權(quán)重系數(shù)，對火場致?lián)p概率公式進(jìn)行校準(zhǔn)，包括：
46、通過歷史火災(zāi)案例與輸電線路故障記錄，提取火勢逼近速率、熱輻射效應(yīng)及煙霧效應(yīng)相關(guān)的火場參數(shù)，以及故障時間與故障類型，計算火勢逼近速率特征值、熱輻射效應(yīng)特征值與煙霧效應(yīng)特征值；
47、對上述特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，劃分為訓(xùn)練集與測試集，利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)擬合隨機(jī)森林回歸模型，確定火場參數(shù)與輸電線路故障間的非線性關(guān)系及交互效應(yīng)；
48、通過隨機(jī)森林回歸模型計算火勢逼近速率、熱輻射效應(yīng)和煙霧效應(yīng)的重要性得分，將特征重要性得分歸一化為權(quán)重系數(shù)，并使用測試集數(shù)據(jù)評估模型的預(yù)測精度，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整權(quán)重系數(shù)。
49、第二方面，本發(fā)明提出一種基于多源影像數(shù)據(jù)的火情監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，用于實(shí)施上述任一項(xiàng)所述的基于多源影像數(shù)據(jù)的火情監(jiān)測預(yù)警方法，包括：
50、遙感監(jiān)測與火情檢測模塊，所述遙感監(jiān)測與火情檢測模塊用于通過遙感衛(wèi)星實(shí)時監(jiān)測火災(zāi)異常，并利用熱紅外波段分析火頭溫度梯度，精確定位火點(diǎn)位置；
51、電網(wǎng)資產(chǎn)分析模塊，所述電網(wǎng)資產(chǎn)分析模塊用于通過電網(wǎng)gis系統(tǒng)獲取電網(wǎng)資產(chǎn)分布數(shù)據(jù)，并結(jié)合火點(diǎn)位置信息，篩選出可能受火災(zāi)影響的輸電線路；
52、無人機(jī)飛行控制模塊，所述無人機(jī)飛行控制模塊用于驅(qū)動無人機(jī)前往火場和輸電走廊，并控制無人機(jī)的起飛、航線規(guī)劃和飛行姿態(tài)調(diào)整；
53、數(shù)據(jù)采集與處理模塊，所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊用于通過紅外熱像儀采集熱成像圖像，鎖定火場核心區(qū)域的中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過激光雷達(dá)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并計算火場與輸電線路的最小垂直距離；
54、火場環(huán)境與氣象三維建模模塊，所述火場環(huán)境與氣象三維建模模塊用于通過氣象衛(wèi)星獲取大氣溫度、濕度垂直分布，并結(jié)合微波輻射計反演風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)衛(wèi)星和光學(xué)衛(wèi)星獲取地形高程和植被類型，并生成火場三維模型；
55、火勢蔓延與致?lián)p概率評估模塊，所述火勢蔓延與致?lián)p概率評估模塊用于通過火勢蔓延方程計算火場蔓延速度，結(jié)合火場致?lián)p概率公式評估輸電線路受損概率，并利用歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)；
56、負(fù)荷轉(zhuǎn)移決策與執(zhí)行模塊，所述負(fù)荷轉(zhuǎn)移決策與執(zhí)行模塊用于通過計算負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本與跳閘損失，結(jié)合致?lián)p概率綜合分析，動態(tài)觸發(fā)輸電線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作。
57、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括：
58、熱成像數(shù)據(jù)采集單元，所述熱成像數(shù)據(jù)采集單元用于通過紅外熱像儀采集火場的熱成像圖像，在熱成像圖像中布設(shè)檢測點(diǎn)并提取色度值，將檢測點(diǎn)色度值與火焰參考色度閾值匹配，判斷、標(biāo)記和整合所有火焰點(diǎn)，計算火焰區(qū)域面積，記錄不同熱成像圖像的火場區(qū)域面積，按時間先后排布構(gòu)成火場面積集合g；
59、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元通過激光雷達(dá)獲取輸電線路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建輸電線路的三維模型；
60、數(shù)據(jù)處理與分析單元，所述數(shù)據(jù)處理與分析單元用于對采集的熱成像圖像和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用空間分析算法計算火場與輸電線路之間的最小垂直距離。
61、優(yōu)選的，所述火勢蔓延與致?lián)p概率評估模塊包括：
62、火勢蔓延預(yù)測單元，所述火勢蔓延預(yù)測單元通過火勢蔓延方程，結(jié)合火場三維模型，分析火場的蔓延方向，并計算火場蔓延速度；
63、輸電線路致?lián)p概率評估單元，所述輸電線路致?lián)p概率評估單元用于結(jié)合火場蔓延預(yù)測結(jié)果和輸電線路的空間分布，利用火場致?lián)p概率公式，評估輸電線路在不同火勢場景下的受損概率。
64、優(yōu)選的，所述負(fù)荷轉(zhuǎn)移決策與執(zhí)行模塊包括：
65、成本與損失計算單元，所述成本與損失計算單元用于計算負(fù)荷轉(zhuǎn)移的成本和跳閘可能帶來的損失；
66、動態(tài)決策觸發(fā)單元，所述動態(tài)決策觸發(fā)單元用于綜合成本、損失和概率分析結(jié)果，動態(tài)判斷是否需要觸發(fā)負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作；
67、執(zhí)行與控制單元，所述執(zhí)行與控制單元用于根據(jù)決策結(jié)果，控制相關(guān)設(shè)備執(zhí)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作，并實(shí)時監(jiān)控執(zhí)行過程。
68、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
69、1.本發(fā)明通過遙感衛(wèi)星監(jiān)測火情異常，結(jié)合熱紅外波段分析火頭溫度梯度，精確定位火點(diǎn)位置，利用電網(wǎng)gis系統(tǒng)獲取輸電線路分布數(shù)據(jù)，篩選潛在受影響的線路，通過紅外熱像儀獲取熱成像圖像，結(jié)合動態(tài)權(quán)重分配策略確定火場的中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過激光雷達(dá)對輸電走廊進(jìn)行掃描，獲取輸電線路的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確計算火場和輸電線路的最小垂直距離，提升威脅評估精度。
70、2.本發(fā)明綜合考慮了火場對輸電線路的多維度威脅，包括火勢逼近速率、熱輻射效應(yīng)及煙霧效應(yīng)，構(gòu)建全面的風(fēng)險評估框架，三者作為核心參數(shù)，在保證模型精度的同時提高計算效率，避免因參數(shù)過多導(dǎo)致模型復(fù)雜度增加，通過歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)對致?lián)p概率模型進(jìn)行校準(zhǔn)，顯著提升計算的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。
71、3.本發(fā)明通過計算負(fù)荷轉(zhuǎn)移成本與跳閘損失，結(jié)合火場致?lián)p概率進(jìn)行綜合分析，動態(tài)觸發(fā)輸電線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作，確保在最優(yōu)時間點(diǎn)實(shí)施預(yù)防措施，通過動態(tài)優(yōu)化負(fù)荷轉(zhuǎn)移時機(jī)，在保障電力系統(tǒng)安全的同時，最大限度地降低經(jīng)濟(jì)損失。