本發明屬于火災監測預警，具體涉及一種基于多源影像數據的火情監測預警方法及系統。

背景技術：

1、隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，森林火災的頻率和規模逐年增加，嚴重威脅著電力系統的安全運行。輸電線路作為電力系統的關鍵組成部分，一旦受到火災影響，可能導致大面積停電，造成巨大的經濟損失和社會影響。因此，如何及時、準確地監測火情，評估火災對輸電線路的潛在威脅，并采取有效的預防措施，成為電力系統安全運行的重要課題。近年來，遙感技術的發展為火情監測提供了新的手段，通過衛星遙感、無人機航拍等技術，可以實現大范圍、高精度的火情監測。

2、現有的火情監測系統存在以下不足：首先，監測系統主要聚焦火情發生與蔓延，但缺乏對火場與輸電線路空間關系的深度解析，無法精確計算兩者最小垂直距離，導致威脅評估粗糙；其次，監測系統未綜合考慮火場對輸電線路的多維度威脅，且缺乏對歷史火災數據的深度挖掘，致損概率計算偏差較大；最后，監測系統未將負荷轉移成本與跳閘損失納入綜合分析，難以在保障電力系統安全的同時最小化經濟損失。

技術實現思路

1、為解決上述技術問題，本發明提供一種基于多源影像數據的火情監測預警方法及系統。

2、為實現以上目的，本發明采用如下技術方案：

3、第一方面，本發明提供一種基于多源影像數據的火情監測預警方法，包括如下步驟：

4、s1、通過遙感衛星監測火災異常，若檢測到潛在火情，則通過熱紅外波段分析火頭溫度梯度，并精確定位火點位置，通過電網gis系統獲取電網資產分布數據，結合火點位置信息，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，并驅動多個無人機分別前往火場和輸電走廊，通過無人機搭載的紅外熱像儀和激光雷達分別獲取火場中心點坐標與輸電線路的三維點云數據，計算火場與輸電線路之間的最小垂直距離；

6、s3、通過氣象衛星獲取大氣溫度、濕度垂直分布，并結合微波輻射計反演風速數據，通過雷達衛星和光學衛星分別獲取地形高程和植被類型，根據獲取的地形、植被和氣象數據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，并結合火場致損概率公式，計算火場對輸電線路造成的致損概率，同時，利用歷史火災數據對火場致損概率模型進行校準；

8、s5、通過計算負荷轉移成本與跳閘損失，結合致損概率綜合分析，動態觸發輸電線路負荷轉移操作。

9、優選的，所述驅動多個無人機分別前往火場和輸電走廊，通過無人機搭載的紅外熱像儀和激光雷達分別獲取火場中心點坐標與輸電線路的三維點云數據，包括：

10、無人機包括火點監測機和線路巡檢機；

11、火點監測機通過運維站與火場之間的直線航線抵達火場，隨后以火場中心為基準環繞飛行，記為初始路徑，通過其搭載的多光譜傳感器實時獲取煙霧的濃度、范圍和動態變化數據，結合協同策略對初始路徑進行二次優化；

12、線路巡檢機基于輸電走廊范圍設置起點、途經航點和目標終點沿預設航線飛行，同時啟用激光雷達對輸電走廊進行掃描，獲取輸電線路的三維點云數據；

13、火點監測機通過紅外熱像儀拍攝火場，獲取火場溫度分布熱成像圖像，并將熱成像圖像數據傳輸至數據采集與處理模塊，結合動態權重分配策略確定火場的中心點坐標；

14、線路巡檢機將激光雷達采集的三維點云數據及自身位置信息同步傳輸至數據采集與處理模塊，結合火場核心區域中心點坐標，計算火場與輸電線路的最小垂直距離。

15、優選的，所述通過其搭載的多光譜傳感器實時獲取煙霧的濃度、范圍和動態變化數據，結合協同策略對初始路徑進行二次優化，包括：

16、通過雙機動態互補式協同策略，將多個火點監測機兩兩一組分為若干組，每組包括主無人機和從無人機；

17、主無人機沿初始路徑執行火場核心區環繞飛行，初始路徑由第一半徑和第一高度定義，并基于此設定第二半徑和第二高度作為替補路徑，無人機沿外擴螺旋軌跡攀升至替補路徑，構建分層監測網絡；

18、多組火點監測機以圓周等間距排布，實現對火場的全方位、多層次監測；

19、當主無人機檢測到煙霧濃度升至干擾閾值時，自動向從無人機發送替補指令，同時主無人機沿煙霧擴散鋒面半徑擴展，執行逆時針繞飛，從無人機接收到替補指令后，通過改進型對數螺旋方程規劃俯沖軌跡，精準切入初始路徑，并始終保持在煙霧層上方飛行；

20、當主無人機繞開煙霧擴散鋒面返回初始路徑時，從無人機執行二次外擴機動返回替補路徑。

21、優選的，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據和風速數據，采用克里金插值法生成分別生成坡度圖和風速分布圖，并將坡度值和風速值劃分為多個類別，通過隨機森林回歸模型，結合歷史火災數據，為每個風速類別和坡度類別分別賦予風速修正因子值和坡度修正因子值；

23、通過林業部門的森林資源調查數據，獲取可燃物類型、堆積密度和堆積厚度，結合遙感數據獲取可燃物含水量，根據可燃物類型和實驗數據確定可燃物熱值，計算可燃物有效加熱系數；

24、可燃物有效加熱系數計算公式為：

25、∈＝ρb·q·(1-mc)；

26、式中，∈為可燃物有效加熱系數，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、通過可燃物燃燒實驗數據，獲取可燃物燃燒強度和點燃熱量，結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為燃燒強度，φw為風速修正因子，φs為坡度修正因子，h為可燃物堆積厚度，qig為點燃熱量。

31、優選的，所述結合火場致損概率公式，計算火場對輸電線路造成的致損概率，包括：

32、基于火點監測機拍攝的熱成像圖像，在布設檢測點并提取色度值，與火焰參考色度閾值匹配，標記火焰點，整合火焰點計算火焰區域面積，按時間序列記錄火場區域面積，構成火場面積集合；

33、根據火場擴大的物理特性，采用指數增長模型，結合火場面積集合，利用最小二乘法擬合模型參數，獲取火場面積函數；

34、基于火點監測機搭載的紅外傳感器確定火場輻射溫度，結合斯蒂芬-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，結合煙霧濃度的經驗公式計算煙霧導電度；

35、基于火場三維模型獲取氣溫，對坡度因子修正值、風速因子修正值、可燃物含水量和氣溫歸一化處理，通過加權相加算法獲取植被易燃指數；

36、通過輸電線路絕緣材料的實驗數據，獲取電氣強度、機械強度、耐熱性和耐老化性，歸一化處理后加權相加，計算絕緣類型系數；

37、通過火場致損概率公式計算致損概率；

38、其中，火場致損概率公式為：

39、p＝1/(1+e-βx)；

40、式中，線性組合項為：

41、

42、式中，p為致損概率，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為導線耐熱閾值，σ為煙霧導電度，f(t)為火場面積函數，c為植被易燃指數，k為絕緣類型系數，ω1、ω2和ω3為權重系數；

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，第三分量σ·f(t)/k記為煙霧效應；

44、獲取歷史火災案例與輸電線路故障記錄，采用隨機森林回歸模型擬合權重系數，對火場致損概率公式進行校準。

45、優選的，所述獲取歷史火災案例與輸電線路故障記錄，采用隨機森林回歸模型擬合權重系數，對火場致損概率公式進行校準，包括：

46、通過歷史火災案例與輸電線路故障記錄，提取火勢逼近速率、熱輻射效應及煙霧效應相關的火場參數，以及故障時間與故障類型，計算火勢逼近速率特征值、熱輻射效應特征值與煙霧效應特征值；

47、對上述特征值進行標準化處理，劃分為訓練集與測試集，利用訓練集數據擬合隨機森林回歸模型，確定火場參數與輸電線路故障間的非線性關系及交互效應；

48、通過隨機森林回歸模型計算火勢逼近速率、熱輻射效應和煙霧效應的重要性得分，將特征重要性得分歸一化為權重系數，并使用測試集數據評估模型的預測精度，根據驗證結果調整權重系數。

49、第二方面，本發明提出一種基于多源影像數據的火情監測預警系統，用于實施上述任一項所述的基于多源影像數據的火情監測預警方法，包括：

50、遙感監測與火情檢測模塊，所述遙感監測與火情檢測模塊用于通過遙感衛星實時監測火災異常，并利用熱紅外波段分析火頭溫度梯度，精確定位火點位置；

51、電網資產分析模塊，所述電網資產分析模塊用于通過電網gis系統獲取電網資產分布數據，并結合火點位置信息，篩選出可能受火災影響的輸電線路；

52、無人機飛行控制模塊，所述無人機飛行控制模塊用于驅動無人機前往火場和輸電走廊，并控制無人機的起飛、航線規劃和飛行姿態調整；

53、數據采集與處理模塊，所述數據采集與處理模塊用于通過紅外熱像儀采集熱成像圖像，鎖定火場核心區域的中心點坐標，通過激光雷達獲取三維點云數據，并計算火場與輸電線路的最小垂直距離；

54、火場環境與氣象三維建模模塊，所述火場環境與氣象三維建模模塊用于通過氣象衛星獲取大氣溫度、濕度垂直分布，并結合微波輻射計反演風速數據，通過雷達衛星和光學衛星獲取地形高程和植被類型，并生成火場三維模型；

55、火勢蔓延與致損概率評估模塊，所述火勢蔓延與致損概率評估模塊用于通過火勢蔓延方程計算火場蔓延速度，結合火場致損概率公式評估輸電線路受損概率，并利用歷史火災數據對模型進行校準；

56、負荷轉移決策與執行模塊，所述負荷轉移決策與執行模塊用于通過計算負荷轉移成本與跳閘損失，結合致損概率綜合分析，動態觸發輸電線路負荷轉移操作。

57、優選的，所述數據采集與處理模塊包括：

58、熱成像數據采集單元，所述熱成像數據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檢測點并提取色度值，將檢測點色度值與火焰參考色度閾值匹配，判斷、標記和整合所有火焰點，計算火焰區域面積，記錄不同熱成像圖像的火場區域面積，按時間先后排布構成火場面積集合g；

59、激光雷達數據采集單元，所述激光雷達數據采集單元通過激光雷達獲取輸電線路的三維點云數據，構建輸電線路的三維模型；

60、數據處理與分析單元，所述數據處理與分析單元用于對采集的熱成像圖像和三維點云數據進行處理，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、優選的，所述火勢蔓延與致損概率評估模塊包括：

62、火勢蔓延預測單元，所述火勢蔓延預測單元通過火勢蔓延方程，結合火場三維模型，分析火場的蔓延方向，并計算火場蔓延速度；

63、輸電線路致損概率評估單元，所述輸電線路致損概率評估單元用于結合火場蔓延預測結果和輸電線路的空間分布，利用火場致損概率公式，評估輸電線路在不同火勢場景下的受損概率。

64、優選的，所述負荷轉移決策與執行模塊包括：

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荷轉移的成本和跳閘可能帶來的損失；

66、動態決策觸發單元，所述動態決策觸發單元用于綜合成本、損失和概率分析結果，動態判斷是否需要觸發負荷轉移操作；

67、執行與控制單元，所述執行與控制單元用于根據決策結果，控制相關設備執行負荷轉移操作，并實時監控執行過程。

68、與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

69、1.本發明通過遙感衛星監測火情異常，結合熱紅外波段分析火頭溫度梯度，精確定位火點位置，利用電網gis系統獲取輸電線路分布數據，篩選潛在受影響的線路，通過紅外熱像儀獲取熱成像圖像，結合動態權重分配策略確定火場的中心點坐標，通過激光雷達對輸電走廊進行掃描，獲取輸電線路的三維點云數據，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、熱輻射效應及煙霧效應，構建全面的風險評估框架，三者作為核心參數，在保證模型精度的同時提高計算效率，避免因參數過多導致模型復雜度增加，通過歷史火災數據對致損概率模型進行校準，顯著提升計算的科學性與準確性。

71、3.本發明通過計算負荷轉移成本與跳閘損失，結合火場致損概率進行綜合分析，動態觸發輸電線路負荷轉移操作，確保在最優時間點實施預防措施，通過動態優化負荷轉移時機，在保障電力系統安全的同時，最大限度地降低經濟損失。