近年来, 我国华北、西南区域森林火灾频发, 危及人民群众人身与财产安全, 同时我国电网地理分布广阔、大量电力线路位处山区, 易受山火灾害的威胁^{[1, 2]}。为加强山火防范, 国家应急管理部、北京市及国家电网公司均围绕森林火灾防范曾召开有关会议, 山火防范是社会各界共同面对的重大任务。电力系统的稳定运行是国民经济良好发展的必要保障, 森林火灾严重威胁电力设备安全运行, 目前电网森林火灾防控形势严峻, 输电线路是电力网络的主干, 在输电线路附近监测山火的形成与发展, 从而实现山火早发现、早预警、早处置, 对电网的整体安全具有重大意义。目前已有多种山火监测方式得以应用, 但考虑多维度融合监测技术的相关研究较少, 单一监测手段难以取得良好效果, 本文对输电线路空天地多维山火监测技术开展研究, 为电网防山火工作提供指导。

1.   空天地多维度山火监测整体思路

山火监测须考虑不同场景下的针对性监测方式。从时间角度考虑, 火情发展可主要分为事中、事后2个阶段, 目前国内外已有包括基于卫星遥感、激光雷达、红外探测等技术的山火监测方式^[3-5], 对于不同的火情发展阶段, 须选用适当的监测手段。事中阶段是山火发展过程中比较复杂的阶段, 须综合应用卫星遥感技术与三光集成技术进行火情事中监测; 无人机技术则适用于山火发生后联动其他监测手段进行现场自主勘查。

2.   基于多源卫星的火点监测算法

卫星联动是重要得山火监测手段, 单一种类卫星由于自身空间分辨率、过境时间等参数限值很难起到良好的监测效果, 常见监测卫星主要参数如表 1所示。

表  1  常见监测卫星主要参数

卫星类型	卫星型号	空间分辨率/m	过境时间
极轨卫星	NOAA-20	1000	13:45和1:45
	Terra	1000	10:45和22:45
	NPP	375	10:45和22:45
	Sentinel-2	30	周期10天
	landsat8	30	周期16天
静止卫星	葵花8号	2000	全天
	风云4号	1000	全天
	高分4号	400	山火高发期调用

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为解决目前遥感火点监测中由于数据的单一性导致火点信息在空间上或时间上存在局限性的问题, 利用多源卫星数据在时间上和空间上的最优化布局集成监测火点。经研究, 首先利用Himawari-8/AHI数据和FY-4数据在时间序列上进行实时监测。再利用EOS/MODIS数据、NPP/VIIRS、NOAA/AVHRR数据和FY-3/VIRR数据时间上进行插入分析。此方法在不但火点监测的最高时间分辨率达到了10 min, 并且最高空间分辨率也得到提高。同时加入中高分辨率卫星数据(GF-4、Landsat8、Sentinel-2), 监测精度较高, 而火点虚检率较低, 最小识别火灾面积为20 m×20 m左右。MODIS、NPP-VIIRS和NOAA-VIIRS火点识别精度能够满足实际火点监测需求。与此同时, 结合下垫面信息提取结果能够有效去除工业热源对火点监测的影响。结合多源卫星和下垫面提取信息能够实现火点近实时、全天时全面监测, 有效降低火灾对电网的安全稳定运行带来的影响。以北京地区为示例研究区域, 基于多源卫星的山火检测基本流程如图 1所示。

图  1  山火检测基本流程

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3.   基于三光集成的火点监测技术

通过可见光、红外双波段光源的火点监测技术研究, 结合计算机视觉技术、图像增强技术、红外热成像技术和视频结构化等方可实现24 h、各类天气环境下预警范围内的火点与烟尘实时监测。三光摄像头应用模式如图 2所示。

图  2  三光摄像头应用模式

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昼夜连续工作的三光集成型精确山火定位监测仪的硬件包括可见光、红外和激光探测模块、卫星导航接收机模块、360°自动巡航云台、烟雾探测器模块、光照度传感模块、边缘计算处理器模块、无线通信组网模块、太阳能发电及电源管理模块等。该设备以边缘计算处理器为核心, 可见光、红外线和激光探测模块作为主要的火点发现和测距设备, 所有探测数据和控制模式由边缘计算处理器完成; 卫星导航接收机模块既提供山火定位监测仪的经纬度坐标, 又为多个山火定位监测仪联动多站定位时提供准确的时间同步信息; 360°自动巡航云台作为可见光、红外线和激光探测模块的转动结构, 实现大范围、大视场不间断探测; 烟雾探测器模块实现周边烟雾浓度实时探测; 光照度传感模块实现所处环境的光照度探测, 传感结果输入边缘计算处理器, 作为昼夜工作模式转换的依据; 无线通信组网模块为数据回传和无线组网提供链路支持; 太阳能发电及电源管理模块为监测仪提供电源。

图  3  三光集成山火监测设备结构组成

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烟雾检测算法是三光集成设备内置的重要智能图像算法。算法采用基于视频序列的深度学习烟雾检测算法, 分析判断场景中是否有烟雾, 提供报警信息, 从而起到防止森林火灾发生的目的, 为用户在真正的使用中提供辅助决策。深度学习烟雾检测算法处理流程主要包含以下步骤: 输入原始的图像数据至目标检测模块, 产生烟雾检测链表; 对多帧结果进行统计及过滤; 输出烟雾报警信号, 包括报警标志位和烟雾位置, 同时与烟雾探测传感器进行数据比对; 比对中发现烟雾探测传感器有浓度上升趋势时, 输出有效的烟雾报警结果, 若无上升趋势, 回到最初步骤。设备与算法不断双向优化, 是保持三光集成山火监测技术实际应用效果的关键。

4.   无人机火情勘查技术

无人机可搭载搭载倾斜摄影设备、热成像设备和激光雷达设备等对输电线路走廊进行数据采集, 将所获得的数据进行加工处理, 可形成高精度三维数字模型。分析无人机采集的数据可对输电设备环境变化情况进行判别和提前预警。典型无人机红外监测模式下发现的火点如图 4所示。

图  4  无人机红外监测模式下发现火点

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无人机火情勘查技术试验利用巡护飞机进行林火的探测, 相较于地面的巡视观察, 从上向下俯视观察的优点有: 飞机巡护视野宽、机动性更强、不受地形限制, 可以快速实现火场周围及火势发展的全面观察。

试验验证是校核无人机勘查能力的主要手段。设计无人机火情勘察技术试验方案如下。试验设备及物品主要包括无人机系统、云台相机、视频结构化设备、可燃物、灭火设备等。根据载重、飞行高度、续航里程、巡航速度、抗风能力等指标选取多套无人机系统; 云台相机应选取支持光学、数码双变焦防抖动相机, 保证图片采集质量; 智能起落站应选防锈、防尘、防水、防渗箱体, 可完成无人机电池充电、无人机收纳; 视频结构化设备为通过边缘计算方法于无人机挂载的图像设备, 基于ARM架构的嵌入式终端, 可以结合可见光、热成像监测设备直接升级使用; 同时需要干、湿两种可燃物与灭火设备。

试验主要如下进行。

结合大容量输电线路试验室以及火灾试验场相关设备, 通过模拟山火、烟尘, 多次试飞无人机监测火焰、烟尘, 校验检测的可靠性、及时性。

检测不同传输距离(每隔0.5 km为一个测试点)图像传输、山火数据传输、无人机与传输终端之间通讯状况是否正常。同时关注无人机是否会受到电网周围电磁场影响, 分析总结在电网周围飞行的安全距离。

无人机自动巡航巡检, 主要测试无人机定位准确度、GPS信号强弱、线路规划功能以及多台无人机协同检测。

运用远程控制搭载灭火设备的无人机测试灭火效果。

5.   多维度融合山火监测工作模式

建立高效山火监测模式须综合应用多维度监测技术, 形成融合监测工作模式。卫星遥感技术主要优势在于监测空间范围广, 但限于卫星过境时间, 监测时间延迟较高; 三光集成技术主要优势在于可持续对目标区域进行精细化监测, 但限于设备安装位置, 一般仅能监测输电通道附近的火情。无人机具备高机动性, 通过其他监测手段发现火情后, 可根据实际情况安排无人机进行现场勘查与处置。多维度融合监测工作模式主要为: 多源卫星发挥空间维度优势、三光集成设备发挥时间维度优势, 二者互为补充实现常态化多区域山火监测, 根据山火实际情况, 无人机深入现场开展勘查与处置, 无人机采集的数据为上述常态化多区域山火监测的进一步优化提供支持。多维度融合山火监测工作模式如图 5所示。

图  5  多维度融合山火监测工作模式

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6.   结束语

有效进行山火监测对保障工业设备良好运行和保护人民群众生命安全具有重大意义, 目前山火监测一定程度上存在工作量大、效率较低等问题, 须根据实际场景妥善联动多种监测手段方可起到较好的效果。本文考虑山火事中与事后发展阶段, 从空天地三个监测维度对基于卫星遥感的山火监测技术、无人机勘查技术进行研究、基于三光集成的火点监测技术, 并对多维度融合监测工作模式作出阐述, 为电网防灾减灾工作提供指导。