楊佳睿，吳建寧，嚴(yán)南征，汪希增，楊知，趙斌濱

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100085)

關(guān)鍵字： 高分影像；高原；輸電通道；面向?qū)ο?/p>

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電力能源的持續(xù)供給是經(jīng)濟(jì)健康、快速發(fā)展的重要前提，輸電通道的安全是電力持續(xù)供給的重要保障[1-2]；然而，隨著國(guó)家西電東輸工程的持續(xù)推進(jìn)，國(guó)家西部高原輸電線路規(guī)模不斷攀升，傳統(tǒng)輸電通道巡視模式已無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的需求。作為一類高新技術(shù)，衛(wèi)星遙感技術(shù)擁有大尺度、同步、精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的快速發(fā)展為高原輸電通道提供了新的解決途徑。

輸電線網(wǎng)具有跨距大、覆蓋廣、地形地貌復(fù)雜等特點(diǎn)，該特點(diǎn)無(wú)疑加大了輸電通道的安全巡視難度，尤其是近年來(lái)隨著輸電線網(wǎng)規(guī)模的迅猛增加。傳統(tǒng)實(shí)地野外核查模式已無(wú)法滿足輸電通道的巡視工作，亟需新的巡視模式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電力能源安全輸送問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，并取得一定研究成果[3-6]。研究表明，直升機(jī)在對(duì)特高壓輸電線路安全巡視工作中擁有檢查精細(xì)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，能滿足高壓線路的安全檢查，可替代部分人工檢查工作[7]；基于“差分GPS定位+無(wú)人機(jī)自主駕駛技術(shù)”擁有定位精度高、機(jī)動(dòng)靈活且能克服地形限制，能承擔(dān)小區(qū)域輸電通道的巡視[8]；但無(wú)人機(jī)、直升機(jī)在巡視時(shí)間、區(qū)域尺度存在不足[9-10]，且其對(duì)氣象條件要求較高，無(wú)法滿足大尺度輸電通道的巡視工作。近年來(lái)，隨著高分遙感技術(shù)及相應(yīng)分類算法—面向?qū)ο蠓诸愃惴ǖ难该桶l(fā)展，為輸電通道的巡視工作提供了新的解決方案。

盡管針對(duì)輸電線網(wǎng)安全問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作，但研究多偏向于平原地區(qū)或小區(qū)域，而針對(duì)高原輸電線網(wǎng)安全的研究相對(duì)較少。高原區(qū)域的輸電線路的規(guī)模逐步攀升，由于高原氣候條件惡劣，適用于平原小尺度的輸電線網(wǎng)安全的巡視模式已無(wú)法滿足高原區(qū)域的需求，為更好保障高原輸電線網(wǎng)的安全，本文以World View-3高分影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄑ芯糠治龈叻钟跋駭?shù)據(jù)在輸電通道巡視的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)與數(shù)據(jù)處理

高原氣候條件相對(duì)惡劣，這加大了高原輸電通道巡視，為探索新的輸電通道巡視技術(shù)，本文以寧夏750 kV賀蘭山-沙湖(以下簡(jiǎn)稱賀湖線)、靈州-銀川東(以下簡(jiǎn)稱州川線)線路區(qū)段輸電線路為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該段線路全長(zhǎng)183 km，海拔約為1.1～1.2 km；該區(qū)段位于寧夏北部，是黃土高原向內(nèi)蒙古高原過(guò)渡的區(qū)域，域內(nèi)風(fēng)力相對(duì)較強(qiáng)致使地表漂浮物及其他地物對(duì)輸電線路安全造成較大威脅，因此選用大棚、道路信息提取作為研究目標(biāo)，開(kāi)展技術(shù)可行性的研究。

1.2 高分影像數(shù)據(jù)與處理

為提升輸電通道巡視準(zhǔn)確度，研究WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，該影像拍攝于2019年6月至8月，影像為多光譜影像數(shù)據(jù)擁有藍(lán)、綠、紅、近紅四波段，其空間分辨率為0.5 m。受大氣水汽、懸浮顆粒等成分的影響，地表有效反射輻射能在“地表—傳感器”的傳輸過(guò)程中不可避免地受到大氣的衰減作用，因此，傳感器拍攝的遙感影像數(shù)據(jù)的光譜信息未能精準(zhǔn)表達(dá)地表地物的光譜特征。為削弱大氣衰減作用對(duì)衛(wèi)星影像的影響，同時(shí)糾正由地形起伏導(dǎo)致的地物空間位置偏移，提升地物光譜信息與幾何空間位置的準(zhǔn)確度，本研究對(duì)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射糾正、幾何糾正、拼接、裁剪等處理。經(jīng)處理后，影像數(shù)據(jù)清晰度高、色彩均一，該衛(wèi)星與輸電線路的空間關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，衛(wèi)星影像已全覆蓋輸電線路左右各2 km的空間范圍，故該衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)能滿足輸電通道的巡視工作。

圖1 WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與輸電線段空間位置

1.3 面向?qū)ο蠓诸愃惴?/h3>

遙感影像數(shù)據(jù)的空間分辨率越高，其對(duì)地物信息表達(dá)越精細(xì)，地物個(gè)體特征差異越凸顯，進(jìn)而更有利于地物分類精度的提升。與傳統(tǒng)基于像元的分類算法相比，面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄓ梢幌盗邢噜徬裨獦?gòu)成的對(duì)象為基本單元，從地物群體(宏觀)的光譜特征、紋理特征、幾何特征等信息分析，結(jié)合分類算法實(shí)現(xiàn)地物分類；因此，面向?qū)ο蠓诸愃惴◤娜后w(宏觀)的視角出發(fā)，能有效削弱地物個(gè)體(局部)特征差異造成的負(fù)面影響，提升地物分類精度。由于WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5 m，為高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，因此本研究采用面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄩ_(kāi)展寧夏賀湖、州川線區(qū)段輸電通道內(nèi)的地物信息提取。

1.4 多尺度分割技術(shù)

影像分割是面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄖ械年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，是將離散像元合并為多個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象均由多個(gè)空間相鄰的像元構(gòu)成，且同一對(duì)象內(nèi)的像元異質(zhì)性最低，即同一對(duì)象內(nèi)的物質(zhì)均一。圖像分割有利于從群體(宏觀)角度分析地物的共有特征識(shí)別，從而減少同類個(gè)體(局部)差異造成的干擾。多尺度分割技術(shù)是影像分割算法中的一種，該算法依據(jù)已定規(guī)則將影像從像元層逐級(jí)向上合并，并形成不同尺度大小的對(duì)象，因此多尺度分割算法有利于從不同尺度分析地物特征，且適用于對(duì)空間尺度相差較大的地物進(jìn)行統(tǒng)一分類。

圖2 多尺度分割的對(duì)象體系

2 結(jié)果與分析

2.1 影像數(shù)據(jù)分割

影像分割質(zhì)量的高低對(duì)面向?qū)ο蠓诸惥染哂兄匾绊?，而影響影像分割質(zhì)量的因素主要是多尺度分割參數(shù)的設(shè)置，即尺度、形狀指數(shù)、緊致度的確定。圖3為在形狀指數(shù)與緊致度不變的條件下，不同尺度分割結(jié)果。由圖3可知，分割尺度越大，單個(gè)對(duì)象擁有的像元數(shù)量越大；從各分割尺度內(nèi)各對(duì)象邊界對(duì)比分析可知，大尺度內(nèi)的對(duì)象是由小尺度內(nèi)的對(duì)象合并而成，共有邊界并未發(fā)生明顯變化，這表明尺度大小僅影響分割對(duì)象的大小，但對(duì)分割邊界幾乎無(wú)影響。

圖3 125-2000尺度影像分割結(jié)果

圖4為500尺度下，不同形狀指數(shù)與緊致度對(duì)影像分割結(jié)果。由圖4可知，在緊致度不變的條件下，影像分割對(duì)象隨形狀指數(shù)的增加而逐步向矩形方向演變；在形狀指數(shù)不變的條件下，影像分割對(duì)象隨緊致度的增加而逐步向地物光譜一致方向演變。在調(diào)整影像分割形狀指數(shù)和緊致度參數(shù)時(shí)，二者設(shè)置的順序也會(huì)對(duì)影像分割產(chǎn)生重要影響，當(dāng)在形狀指數(shù)、緊致度相同的條件下，影像分割對(duì)象的形狀、大小也會(huì)隨二者的變化而發(fā)生改變。綜上表明，形狀指數(shù)、緊致度對(duì)影像分割對(duì)象的邊界具有重要影響。由于對(duì)象分割質(zhì)量對(duì)面向?qū)ο蠓诸愃惴ǖ姆诸惥染哂休^大影響，為提升地物分類精度，本文通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：大棚最佳分割尺度為1 200，形狀指數(shù)為0.5，緊致度為0.9，道路最佳分割尺度為1 000，形狀指數(shù)為0.4，緊致度為0.9。

圖4 形狀指數(shù)與緊致度對(duì)影像分割

2.2 分類結(jié)果分析

在大棚信息提取中，本文采用面向?qū)ο蠓诸愃惴ǎ脤?duì)象的光譜特征值、方差、均值作為大棚信息提取的參考指標(biāo)。圖5(a)為大棚空間分布信息結(jié)果，其中紅色為大棚，綠色為農(nóng)田，粉紅色為建筑，藍(lán)色為坑塘，圖5(b)為大棚矢量數(shù)據(jù)與WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)疊加分析圖。由圖5對(duì)比分析可知，基于面向?qū)ο蠓诸愃惴軠?zhǔn)確提取大棚空間位置信息，大棚矢量能完全覆蓋大棚區(qū)域且邊界緊密與大棚高度一致。受大棚在空間分布間距、薄膜覆蓋狀態(tài)、光譜信息等存在差異，從而導(dǎo)致影像進(jìn)行分隔、分類時(shí)存在差異，但該差異對(duì)輸電通道的巡視檢查工作的影響相對(duì)較少。

圖5 大棚信息提取空間分布

在道路信息提取中，本文選用光譜特征、方差、長(zhǎng)寬比作為道路信息提取的參考指標(biāo)，圖6(a)為道路空間分布信息，其中灰色為道路，綠色為農(nóng)田，白色為建筑，藍(lán)色為坑塘；圖6(b)為道路矢量數(shù)據(jù)與WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)疊加分析。由圖6對(duì)比分析可知，基于面向?qū)ο笏惴軠?zhǔn)確提取主干道路的信息，主干道路矢量邊界與影像中道路邊界高度一致，而針對(duì)次要道路信息的提取卻存在遺漏的問(wèn)題，究其原因主要是由于主干道路寬度較大，道路光譜特征、幾何特征明顯，易與其他地物進(jìn)行區(qū)分；而次要道路的寬度較窄，易受相鄰地物的干擾，且兩側(cè)綠化樹(shù)木多茂盛對(duì)其產(chǎn)生遮蔽作用，進(jìn)而導(dǎo)致樹(shù)木光譜特征取代道路，從而出現(xiàn)遺漏。

圖6 道路信息提取空間分布

3 遙感技術(shù)在輸電通道巡視中的應(yīng)用

為驗(yàn)證本文技術(shù)方案的精度與可行性，本研究以WorldView-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄌ崛≠R湖、州川區(qū)段輸電線路兩側(cè)各1 km區(qū)域的大棚、道路信息，并將其與實(shí)地野外核查數(shù)據(jù)、人工解譯樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，亞米級(jí)高分影像數(shù)據(jù)能滿足輸電通道危險(xiǎn)地物精細(xì)提取工作；基于多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄌ崛〉拇笈镄畔⒕瓤蛇_(dá)95%，可替代人工解譯工作；基于多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄌ崛〉闹鞲傻缆沸畔⒕瓤蛇_(dá)96.3%，可替代大部分人工解譯工作；這表明以高分影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄩ_(kāi)展高原輸電通道巡視是可行的。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)高原輸電通道巡視，采用基于多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ㄌ崛〉拇笈镄畔ⅲ鞲傻缆沸畔⒕容^高，可替代人工解譯工作。

(2)與傳統(tǒng)野外核查、人工目視解譯相比，基于多尺度分割技術(shù)耦合面向?qū)ο蠓诸愃惴ň哂羞吔缇雀?、效率高等?yōu)勢(shì)。

(3)面向?qū)ο笏惴ㄟm用于高分影像數(shù)據(jù)的信息提取，其地物信息提取精度較高，能夠滿足輸電通道的巡視工作，這表明基于高分衛(wèi)星影像技術(shù)的輸電通道巡視具有可行性。