輸電線路周邊火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用

范桂有 ，陳驍航 ，陳閩江 ，李熙，翁孫賢，高海英，劉新，宋盼盼

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350003；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司，福建 福州 350013；3.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；4.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084）

0 引言

福建省位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，森林覆蓋率高。福建電網(wǎng)所屬架空輸電線路不可避免的穿越高山地帶和茂密林區(qū)，在全球變暖、天氣干燥等自然因素和人們開(kāi)山燒荒、祭祀等人為因素的綜合影響下，山火引起的輸電線路跳閘停電事故發(fā)生率越來(lái)越高，而且福建電力所屬超特高壓輸電線路很多為并排架設(shè)，一旦發(fā)生大面積火燒山將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行（林運(yùn)通等，2019）。因此，開(kāi)展運(yùn)行線路走廊環(huán)境的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)，提高輸電線路管理能力是十分必要的。

氣象衛(wèi)星具備重訪周期短、波譜范圍廣、數(shù)據(jù)幅寬大、成本低效率高等優(yōu)勢(shì)，利用火點(diǎn)在不同波段表現(xiàn)出亮溫差異，實(shí)現(xiàn)山火實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為消防部門和電力部門提供及時(shí)可靠的火點(diǎn)分布信息（Zhang et al.,2012;王璐等，2007）。近年來(lái)，不斷有學(xué)者利用衛(wèi)星遙感技術(shù)與火點(diǎn)識(shí)別算法相結(jié)合的方法監(jiān)測(cè)山林火災(zāi)，并逐漸將該技術(shù)應(yīng)用到輸變電安全運(yùn)檢工作中，獲得了較為理想的成果（梁允等，2013；張校志，2017）。但面對(duì)多條線路，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)信息繁多，無(wú)法準(zhǔn)確判斷出哪些火點(diǎn)更具準(zhǔn)確性，哪些火點(diǎn)對(duì)輸變電線路危險(xiǎn)性更大。因此，本文使用新一代氣象衛(wèi)星Himawari-8中搭載的先進(jìn)的葵花（The Advanced Himawari Imager，AHI）成像儀結(jié)合自主構(gòu)建的火點(diǎn)影響線路GIS模型（Fire affected line model，F(xiàn)AL）來(lái)獲取輸變電線路周邊火點(diǎn)信息。

1 研究區(qū)與遙感數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

福建地處我國(guó)東南沿海，地形以山地地形為主，山地丘陵占總面積的80%，而森林覆蓋率達(dá)到了65.95%，林地植被在冬季出現(xiàn)干燥現(xiàn)象，極易發(fā)生森林火災(zāi)，且風(fēng)勢(shì)較大，容易助長(zhǎng)火勢(shì)蔓延，福建省輸變電線路因此遭到威脅。清明節(jié)、中元節(jié)以及冬季是火災(zāi)監(jiān)測(cè)的重要時(shí)間點(diǎn)，其他時(shí)間由于人為或自然引起的火災(zāi)也不容忽視。本文以福建省內(nèi)輸變電線路試驗(yàn)走廊5、試驗(yàn)走廊6及試驗(yàn)走廊12為研究對(duì)象，對(duì)線路走廊2 km范圍內(nèi)進(jìn)行火點(diǎn)監(jiān)測(cè)，輸電線路路徑走向如圖1所示。3條線路分別位于福建省寧德市和福州市，線路總長(zhǎng)約141.7 km，所處區(qū)域最高海拔可達(dá)到1194 m。

圖1 輸變電工程試驗(yàn)走廊5、6、12的路徑走向圖

1.2 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)介紹

Himawari-8衛(wèi)星所搭載的AHI成像儀共有16個(gè)工作通道，包括3個(gè)可見(jiàn)光（Visible,VIS）通道、3個(gè)近紅外（Near-infrared,NIR）通道和10個(gè)紅外（Infrared,IR）通道，可見(jiàn)光中紅波段空間分辨率為0.5 km，藍(lán)、綠波段和第4通道的近紅外波段為1 km，其他通道均為2 km，觀測(cè)范圍包括全盤、日本以及目標(biāo)區(qū)域，全盤范圍每隔10分鐘觀測(cè)一次，日本區(qū)域每隔2.5分鐘觀測(cè)一次，可為海洋環(huán)境、地表溫度、植被，大氣水汽、云厚度等多項(xiàng)研究領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，尤其是紅外波段中的熱紅外波段（中紅外和遠(yuǎn)紅外波段），可用于高溫火點(diǎn)和地表溫度的探測(cè)（陳潔等，2017；趙文化等，2019）。

表1 AHI成像儀火點(diǎn)識(shí)別波段參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2 輸電線路走廊火點(diǎn)識(shí)別原理與過(guò)程

2.1 火點(diǎn)識(shí)別原理

2.1.1 遙感火點(diǎn)識(shí)別原理

衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)火點(diǎn)的原理是基于維恩位移定律（李家國(guó)等，2010；曹景慶等，2019），即隨物體本身溫度的升高，其輻射強(qiáng)度的峰值就會(huì)向電磁波譜中的短波移動(dòng)，其表達(dá)式為：

式（1）中：λ max為輻射強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，單位為米（m）；A為常數(shù)，取值為2898 μm·K；T為熱力學(xué)溫度，單位為開(kāi)氏度（K）。如圖2所示，是黑體在不同溫度下的輻射波譜曲線，地表溫度一般約300 K，火點(diǎn)溫度一般約500～1000 K，由此可知地表輻射強(qiáng)度的峰值約在遠(yuǎn)紅外波段（9～12 μm），火點(diǎn)輻射強(qiáng)度的峰值約在中紅外波段（3～5 μm）。在衛(wèi)星影像中識(shí)別火點(diǎn)其實(shí)就是識(shí)別地表熱異常點(diǎn)，其區(qū)別于常溫地表的一個(gè)顯著特征是，熱異常點(diǎn)在中紅外波段的輻射能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫地表（彭文邦，2017）。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律可以知道，物體溫度升高一倍，其物體總輻射出射度將是原來(lái)的16倍（陳興峰等，2020；鄭偉等，2020）。

圖2 黑體在不同溫度下的輻射波譜曲線（據(jù)趙英時(shí)，2003）

式（2）中：M(T)為黑體表面發(fā)射的總能量，即總輻射出射度；σ為斯-玻常數(shù)，取值為5.6697 ×10-8[瓦/（平方米·開(kāi)氏度4），W·m-2·K-4]；T為發(fā)射體的熱力學(xué)溫度，單位為開(kāi)氏度（K）。正是由于山火燃燒釋放出大量熱能，使得衛(wèi)星影像中火點(diǎn)像元與背景像元在中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段輻射能量產(chǎn)生明顯差異（Kaufman et al.,1998）。

因此，衛(wèi)星遙感火點(diǎn)識(shí)別的兩個(gè)基本原則是：1）隨地表溫度的升高，輻射出射度增強(qiáng)；2）地表溫度不同，其輻射出射度峰值所對(duì)應(yīng)的波段不同。根據(jù)這種差異來(lái)識(shí)別衛(wèi)星影像中的火點(diǎn)。

Himawari-8/AHI傳感器16個(gè)工作通道可用于識(shí)別火點(diǎn)的通道為7通道（中紅外通道）和14通道（遠(yuǎn)紅外通道），中心波長(zhǎng)為3.9 μm和11.2 μm，空間分辨率均為2 km。本文利用7通道和14通道分析火點(diǎn)識(shí)別理論依據(jù)。

由于火點(diǎn)與其他背景地物之間的溫度和輻射強(qiáng)度存在巨大差異，且火點(diǎn)一般僅占混合像元部分區(qū)域，該區(qū)域稱為火點(diǎn)面積，其余區(qū)域則由其他地物組成稱為背景面積，因此火點(diǎn)與背景在混合像元中的輻射亮度可以利用線性組合的方式來(lái)表示（劉誠(chéng)等，2004；巴銳，2020）。

式（3）中：L itotal表示混合像元i通道的總輻射亮度值，單位為瓦/（平方米·球面度）（W/（m2·sr））；Li_f表示混合像元中火點(diǎn)輻射亮度，單位為瓦/（平方米·球面度）（W/（m2·sr））；Li_B表示混合像元中背景輻射亮度，單位為瓦/（平方米·球面度）（W/（m2·sr））；P表示混合像元中火點(diǎn)面積占像元總面積的比例。Planck輻射定律給出了輻射出射度，也就是輻射亮度與亮度溫度（T）、波長(zhǎng)（λ）之間的關(guān)系，其分布函數(shù)可表示為：

式（4）中：δ為第一輻射常數(shù)，c1=2πhc2，取值3.742 ×10-16（瓦·平方米，W·m2）；c2為第二輻射常數(shù)，，取值2.741× 1 0-2（瓦·開(kāi)氏度，W·K）。由此可得到包含火點(diǎn)的混合像元與背景像元之間的亮溫差，其表達(dá)式分別為：

式（5）中：ΔiT表示火點(diǎn)像元i通道火點(diǎn)亮度溫度與背景亮度溫度之差；Ti_f表示火點(diǎn)像元i通道總亮度溫度；Ti_B表示i通道背景亮度溫度，亮度溫度的單位為開(kāi)氏度（K）；iλ表示i通道的中心波長(zhǎng)，單位為um。

已知7通道（中紅外通道）和14通道（遠(yuǎn)紅外通道）中心波長(zhǎng)為3.9 μm和11.2 μm，空間分辨率均為2 km，假設(shè)實(shí)際火點(diǎn)溫度最大值為800 K，地表背景溫度300 K，火點(diǎn)所占像元面積比例從10%變化到100%，將各參數(shù)值代入式3、式4和式5，可得到3.9 μm和11.2 μm火點(diǎn)不同占比情況下火點(diǎn)亮溫、火點(diǎn)與背景亮溫差異的變化曲線（圖3）。隨著火點(diǎn)面積占比的增加，3.9 μm和11.2 μm所對(duì)應(yīng)的亮度溫度表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，3.9 μm隨火點(diǎn)占比增加亮溫增速逐漸緩慢，11.2 μm幾乎呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)火點(diǎn)占據(jù)整個(gè)像元時(shí)，3.9 μm和11.2 μm火點(diǎn)亮溫均達(dá)到實(shí)際火點(diǎn)溫度最大值。不同在于3.9 μm比11.2 μm反應(yīng)更加敏感，當(dāng)火點(diǎn)僅占混合像元1%時(shí)，3.9 μm亮溫從300 K上升到400 K，亮溫增加100 K，而11.2 μm亮溫從300 K上升到310 K，亮溫增加10 K；當(dāng)火點(diǎn)占混合像元10%時(shí)，3.9 μm亮溫上升到540 K，亮溫增加240 K，而11.2 μm亮溫上升到375 K，亮溫增加75 K，此時(shí)3.9 μm和11.2 μm亮溫差達(dá)到最大。由此可見(jiàn)，在衛(wèi)星影像空間分辨率相同的條件下，火點(diǎn)在中紅外通道和遠(yuǎn)紅外通道引起的亮溫增量存在明顯差異（Bessho et al.,2016；Giglio et al.,2016）。

圖3 熱紅外通道在火點(diǎn)不同占比下混合像元亮溫變化曲線

2.1.2 遙感火點(diǎn)識(shí)別算法

利用3.9 μm和11.2 μm對(duì)火點(diǎn)輻射的敏感特性，設(shè)置動(dòng)態(tài)亮溫閾值來(lái)識(shí)別火點(diǎn)，考慮到衛(wèi)星影像接收到的輻射信息可能包含云、水、煙霧以及太陽(yáng)耀斑，在實(shí)際火點(diǎn)識(shí)別中需要將這些非火點(diǎn)像元剔除，以避免火點(diǎn)信息誤判（賀寶華等，2011）。那么，在無(wú)云且無(wú)其他假火點(diǎn)存在的陸地像元亮溫滿足下述條件時(shí)，可初步判斷為熱異常點(diǎn)（陸佳政等，2015；阮羚等，2016）。

式中：T3.9表示像元在3.9 μm的亮溫值；Tδ_DAT和Tδ_NAT表示白天和夜晚的亮溫判別閾值，分別取值310K、305K；ΔT表示像元在3.9 μm和11.2 μm的亮溫差；Tδ_ΔT表示亮溫差判別閾值，取值10 K。

2.2 建立火點(diǎn)影響線路GIS模型

在獲取熱異常點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，需要判定火點(diǎn)與輸變電線路之間的空間位置關(guān)系，便于判斷輸變電線路周邊是否有威脅到電網(wǎng)正常運(yùn)行的火點(diǎn)。本文利用火點(diǎn)位置信息和輸變電線路位置信息建立火點(diǎn)影響線路GIS關(guān)系模型（Fire Point Affecting Line）。該模型首先根據(jù)火點(diǎn)的可信度來(lái)篩選火點(diǎn)，本文將可信度設(shè)定為 ≥4，即可信度小于4的火點(diǎn)將被剔除，同時(shí)同一點(diǎn)在一天之內(nèi)不斷監(jiān)測(cè)到存在火點(diǎn)，最終保留可信度最大時(shí)的火點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后判斷保留下來(lái)的火點(diǎn)是否在輸變電線路2 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)，如果火點(diǎn)在線路2 km以內(nèi)，再確定火點(diǎn)與線路之間的距離、與最近桿塔點(diǎn)之間的距離并輸出；模型引入天然防火隔離帶數(shù)據(jù)（河流、湖泊、水庫(kù)、山脊、山谷），判斷火點(diǎn)與線路之間是否存在天然防火隔離帶。最后，若存在天然防火隔離帶則輸出天然防火隔離帶的類型。本文利用重點(diǎn)區(qū)域的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）提取輸電線路走廊2 km范圍內(nèi)的山谷山脊線，利用衛(wèi)星光學(xué)真彩色影像提取重點(diǎn)區(qū)域的河流、湖泊和水庫(kù)。

2.3 火點(diǎn)識(shí)別過(guò)程

本文通過(guò)日本宇航局葵花監(jiān)測(cè)官方網(wǎng)站（JAXA Himawari Monitor P-Tree System）獲 取Himawari-8（下文稱“H8”）衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，基于Matlab編程軟件對(duì)該數(shù)據(jù)提取火點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)福建省3條輸變電工程試驗(yàn)走廊火點(diǎn)監(jiān)測(cè)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包含①影像數(shù)據(jù)預(yù)處理；②火點(diǎn)識(shí)別；③利用FAL模型篩選火點(diǎn)。具體輸電線路走廊火點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖見(jiàn)圖5。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

利用H8數(shù)據(jù)獲取2020年12月1日至2月28日重點(diǎn)縣區(qū)火點(diǎn)分布情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6（a）。根據(jù)下墊面信息對(duì)該結(jié)果進(jìn)一步分析，例如城區(qū)、水域、沙漠等認(rèn)為不會(huì)存在火點(diǎn)，算法根據(jù)火點(diǎn)位置所處的下墊面信息排除一些可疑的火點(diǎn)，用可信度來(lái)區(qū)分。監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)共監(jiān)測(cè)到108處火點(diǎn)，可信度等級(jí)最高達(dá)到6級(jí)。這些火點(diǎn)在地圖中可以看出是否在輸變電線路走廊內(nèi)，但大量的火點(diǎn)數(shù)據(jù)（H8數(shù)據(jù)每10分鐘更新一次）處理及火點(diǎn)提取工作量巨大，人工無(wú)法短時(shí)間內(nèi)篩選出較為可信的火點(diǎn)、也無(wú)法完成火點(diǎn)信息的及時(shí)公布和推送。因此，本文使用自主構(gòu)建的FAL模型來(lái)自動(dòng)篩選火點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定可信度和緩沖區(qū)閾值獲取到輸變電線路走廊2 km范圍內(nèi)可信度 ≥4 的火點(diǎn)分布情況，包括火點(diǎn)與線路和桿塔的相對(duì)位置及火點(diǎn)與線路之間的隔離帶種類，并根據(jù)H8數(shù)據(jù)獲得了火點(diǎn)預(yù)警時(shí)間、火點(diǎn)面積、火點(diǎn)強(qiáng)度、并對(duì)火點(diǎn)強(qiáng)度劃分等級(jí)。利用FAL模型得到輸電線路2 km范圍內(nèi)7處可疑火點(diǎn)的分布情況，如圖6（b）所示，根據(jù)火點(diǎn)與線路桿塔點(diǎn)的坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算二者之間距離，由此可知與線路距離＜500 m的火點(diǎn)共有4處，與線路距離＞500 m 且 ＜1 km火點(diǎn)有1處，與線路距離＞1 km 且 ＜2 km的火點(diǎn)有3處?；瘘c(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果及位置見(jiàn)表2和表3。

圖6 火點(diǎn)定位與篩選

根據(jù)福建省輸變電線路巡檢站調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2021年2月6日15時(shí)38分試驗(yàn)走廊6桿塔點(diǎn)#419與#420西北方向400 m處（27.011 N,119.239 E）有火燒山，火勢(shì)非常大，影響線路運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)人員已向省調(diào)申請(qǐng)將該線路降負(fù)荷并推出線路重合閘，相關(guān)人員組織滅火；21點(diǎn)24分火勢(shì)減小，對(duì)輸電線路正常運(yùn)行不構(gòu)成威脅。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)火點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤，追溯16時(shí)前后衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到該位置的火點(diǎn)可信度變化情況，如圖7所示，衛(wèi)星在15時(shí)40分監(jiān)測(cè)到該點(diǎn)存在火點(diǎn)，可信度為2，在15時(shí)50分監(jiān)測(cè)到該點(diǎn)仍然存在火點(diǎn)，可信度上升至5，16時(shí)整火點(diǎn)可信度仍為5，直到18時(shí)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)該火點(diǎn)消失。分析現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)時(shí)間和火勢(shì)發(fā)展的一般規(guī)律，可推測(cè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)巡檢具有時(shí)間一致性。由于H8衛(wèi)星影像的空間分辨率為2 km×2 km，其定位精度相對(duì)較弱，無(wú)法準(zhǔn)確定位火點(diǎn)的發(fā)生位置，但對(duì)于H8影像數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)火點(diǎn)位置與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)位置處于同一像素。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)火點(diǎn)位置與衛(wèi)星相差1.2 km，該差值在允許誤差范圍內(nèi)，故衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠在一定程度上為大范圍火點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供幫助。

4 結(jié)論

本文在Himawari-8氣象數(shù)據(jù)識(shí)別火點(diǎn)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主構(gòu)建的FAL火點(diǎn)影像線路GIS模型，對(duì)福建省寧德市輸變電線路途經(jīng)重點(diǎn)縣區(qū)進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下。

（1）利用衛(wèi)星影像紅外波段中紅外和遠(yuǎn)紅外對(duì)溫度的敏感差異以及亮溫動(dòng)態(tài)閾值法提取重點(diǎn)縣區(qū)108處火點(diǎn)，經(jīng)過(guò)FAL模型以可信度≥4和輸電線路2 km以內(nèi)為閾值條件獲得輸變電周邊火點(diǎn)7處，并得到火點(diǎn)的相關(guān)信息，包括火點(diǎn)強(qiáng)度、火點(diǎn)面積等；

（2）與現(xiàn)場(chǎng)線路巡檢相比較，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的輸變電周邊火點(diǎn)多數(shù)為虛假火點(diǎn)，少數(shù)為真實(shí)發(fā)生火災(zāi)，但不存在漏判情況；

（3）在火災(zāi)監(jiān)測(cè)的時(shí)間上，衛(wèi)星與現(xiàn)場(chǎng)巡檢發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)時(shí)間基本保持一致，跟蹤真實(shí)火勢(shì)發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)可信度呈正相關(guān)；

（4）由于Himawari-8 氣象數(shù)據(jù)空間分辨率較低，火點(diǎn)的空間位置無(wú)法準(zhǔn)確定位，需要與現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員監(jiān)測(cè)結(jié)果相結(jié)合，才能更好的為森林防火、輸變電線路安全運(yùn)行提供保障。

目前，氣象衛(wèi)星的時(shí)效性已經(jīng)可以滿足火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的需求，但是其空間分辨率有待提高，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中可以融合其他高空間分辨率氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行火點(diǎn)監(jiān)測(cè)，達(dá)到時(shí)間和空間精準(zhǔn)定位，為防災(zāi)減災(zāi)提供重要數(shù)據(jù)支撐。