基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其根據(jù)歷史積累的衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)，使用聚類分析方法得到我國不同地區(qū)的溫度背景場，在實時衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)中，剔除溫度背景場后，根據(jù)溫度異常判識山火火點。該方法具有思路清晰、計算量小、操作性強、準(zhǔn)確率高、實用性強等優(yōu)點。
【專利說明】
基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火 衛(wèi)星火點判識方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會發(fā)展，人類對電力需求不斷增大，各種電壓等級的輸電線路布網(wǎng)越來越 完整，范圍越來越廣。輸電線路經(jīng)?？缭讲莸?、山地、林區(qū)、農(nóng)田等多種下墊面，由于頻發(fā)的 高溫連晴天氣，加之我國祭祀祭祖的節(jié)氣風(fēng)俗和春耕秋收等生產(chǎn)用火習(xí)慣，輸電線路附近 山火逐年增多，因山火造成的線路跳閘事故越來越多，嚴(yán)重威脅了人民正常生活生產(chǎn)用電。 為應(yīng)對輸電線路山火災(zāi)害，山火火點的廣域衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛，利用衛(wèi)星遙 感監(jiān)測到的高溫格點確定山火火點位置，具有一定的準(zhǔn)確性。但是我國幅員遼闊，地形地貌 相差非常大，不同地區(qū)的溫度背景場相差非常大。因此，剔除背景溫度場后的溫度異常，對 山火火點判識更有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種思路清晰、計算 量小、操作性強、準(zhǔn)確率高、實用性強的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方 法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，包括以下步驟：
[0006] (A)收集待判識區(qū)域內(nèi)的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)和歷史氣象數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星每次過境的季 節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的數(shù)據(jù)，以及衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)；
[0007] (B)將衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的特征抽取轉(zhuǎn)換為 數(shù)值，將每一次衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)X( X1，X2，X3，X4，?)，X1為過境季節(jié)數(shù)據(jù);^為 過境時刻數(shù)據(jù);X3為軌道位置數(shù)據(jù);X4為地面溫度數(shù)據(jù);Χ 5為天空云量數(shù)據(jù)，并剔除山火爆發(fā) 時段和云層厚度大時段的孤點數(shù)據(jù)；
[0008] (C)采用聚類分析方法對步驟(B)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將該數(shù)據(jù)分成N類，N 取6~8;
[0009] (0)計算出每類數(shù)據(jù)的中心點(：1^11^21^3 1^41^511)，其中11表示第11類，1111為第11 類數(shù)據(jù)的過境季節(jié); X2n為第η類數(shù)據(jù)的過境時刻;X3n為第η類數(shù)據(jù)的軌道位置;X4n為第η類數(shù) 據(jù)的地面溫度;x 5n為第η類數(shù)據(jù)的天空云量；
[0010] (Ε)獲取待判識山火的實時衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并按照步驟(Β)的方法進(jìn)行處理 得到待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)與每類數(shù)據(jù)中心點的歐 氏距離D n，計算公式如下：
[0011]
[0012] 式中，η表示第η類數(shù)據(jù)，Χιη為第η類數(shù)據(jù)的特征值，XlS待處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特征值； 將與待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)的歐氏距離最近的一類數(shù)據(jù)記為第Z類數(shù)據(jù)；
[0013] (F)將每類數(shù)據(jù)中所有衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)在相同網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)求平均，得到 平均場，并以該平均場作為該類數(shù)據(jù)的背景場；
[0014] (G)將待判識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景溫度處理，具體是將 待判識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)減去第Z類數(shù)據(jù)在對應(yīng)網(wǎng)格點的背景場，得到去 掉背景場的溫度異常值；
[0015] (H)將步驟(G)得到的溫度異常值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度異常值大于設(shè)定閾 值時，判定為火點。
[0016] 上述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，優(yōu)選的，所述步驟 (B)中，將衛(wèi)星過境季節(jié)的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:整理待判識區(qū)域多年平均的降水?dāng)?shù) 據(jù)，根據(jù)每個月的降水量和降水日數(shù)進(jìn)行分類和賦值;將過境時刻的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值 具體是指:根據(jù)待判識區(qū)域每天24小時日照和人類活動進(jìn)行分類和賦值;將軌道位置的特 征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)衛(wèi)星軌道相對待判識區(qū)域的位置進(jìn)行分類和賦值;將地面 溫度的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)地面溫度高低進(jìn)行分類和賦值;將天空云量的特 征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)天空云量所占比例進(jìn)行分類和賦值。
[0017] 上述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，優(yōu)選的，
[0018] 衛(wèi)星過境季節(jié)的分類和賦值具體為:4月、5月、6月的賦值為1，7月、8月、9月、11月 的賦值為2，10月的賦值為4，1月、2月、3月、12月的賦值為3;
[0019] 過境時刻的分類和賦值具體為:8-12時的賦值為2,12-16時的賦值為4,16-19時的 賦值為3，20時-次日7時的賦值為1;
[0020]軌道位置的分類和賦值具體為:衛(wèi)星從西側(cè)過境的賦值為1，衛(wèi)星從正上方過境的 賦值為2，衛(wèi)星從東側(cè)過境的賦值為3;
[0021 ] 地面溫度的分類和賦值具體為:低于10 °C的賦值為1，10-20 °C的賦值為2，20-30 °C 的賦值為3，高于30 °C的賦值為4;
[0022] 天空云量的分類和賦值具體為：占比為0-20 %的賦值為4,占比為20-40%的賦值 為2,占比為40-60%的賦值為1，占比為60%以上的賦值為0。
[0023]上述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，優(yōu)選的，所述步驟 (B) 中，剔除山火爆發(fā)時段的孤點數(shù)據(jù)是指剔除清明、除夕、春節(jié)三天的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，剔除云層 厚度大時段的孤點數(shù)據(jù)是指剔除天空云量超過6成時的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。
[0024]上述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，優(yōu)選的，所述步驟 (C) 中，將步驟(B)得到的數(shù)據(jù)分成8類。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火 衛(wèi)星火點判識方法，充分考慮了衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度和天空云量 的影響，綜合多方面因素構(gòu)建衛(wèi)星紅外亮溫的背景場，通過去除局地溫度背景場的影響，使 突發(fā)山火造成的溫度異常更加明顯，最大程度的避免誤判，采用該方法可以自動、快速、簡 單、準(zhǔn)確的判識山火的衛(wèi)星火點，進(jìn)而做到及時發(fā)布輸電線路山火告警，有效指導(dǎo)輸電線路 附近的山火防治工作，保障電網(wǎng)的安全運行。該方法思路清晰，計算量小，操作性強，準(zhǔn)確率 高，具有很強的實用性。
【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 實施例1:
[0028] (A)收集待判識區(qū)域內(nèi)的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)和歷史氣象數(shù)據(jù)，待判識區(qū)域為湖南省，以 Modis極軌衛(wèi)星為例，Modis極軌衛(wèi)星每天過境待判識區(qū)域2-3次，對山火發(fā)生和衛(wèi)星山火監(jiān) 測有重要影響的主要因素有:衛(wèi)星過境的季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度和天空云量， 收集每次衛(wèi)星過境的季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的數(shù)據(jù)，以及衛(wèi)星遙感 紅外亮溫數(shù)據(jù)。
[0029] (B)歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理。將衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量 的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值，根據(jù)每項因子對山火發(fā)生和衛(wèi)星山火監(jiān)測影響程度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 數(shù)值，并剔除山火爆發(fā)時段和云層厚度大時段的孤點數(shù)據(jù);其中，
[0030] 將衛(wèi)星過境季節(jié)的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:整理待判識區(qū)域，即湖南省多年 平均的降水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)每個月的降水量和降水日數(shù)進(jìn)行分類和賦值，降水量越大，降水日數(shù) 越多，越不容易發(fā)生山火，賦值越小，反之，賦值越大；
[0031] 將過境時刻的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體是指:根據(jù)待判識區(qū)域每天24小時日照和 人類活動進(jìn)行分類和賦值，夜晚到早晨無日照，人類活動影響最小，賦值最小，午后日照最 強，人類活動活躍，賦值最大；
[0032] 將軌道位置的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)衛(wèi)星軌道相對待判識區(qū)域的位置 進(jìn)行分類和賦值，從東側(cè)過境的衛(wèi)星受大地形影響相對較少，且最容易受午后地面強反射 影響，賦值最大，反之賦值最??；
[0033] 將地面溫度的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)地面溫度高低進(jìn)行分類和賦值， 總體來說，地面溫度越高，可燃物溫度就越高，越容易發(fā)生山火，賦值越大；
[0034]將天空云量的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)天空云量所占比例進(jìn)行分類和賦 值，天空云量直接影響日照強度，云量越少，日照越強，越容易發(fā)生山火，賦值越大。
[0035]由于清明、除夕、春節(jié)三天為待判識區(qū)域山火爆發(fā)期，火點異常多，為明顯孤立點， 剔除這三天的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；當(dāng)天空云量超過6成，云層遮擋對衛(wèi)星紅外亮溫數(shù)據(jù)影響非常大， 剔除這些時刻的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；
[0036]根據(jù)衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量與湖南省歷史多年 山火發(fā)生次數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，將它們進(jìn)行分類和賦值，得到每一次衛(wèi)星過境坐標(biāo)數(shù)據(jù)X (X1，X2，X3，X4， X5 )，X1為過境季節(jié)數(shù)據(jù);X2為過境時刻數(shù)據(jù);X3為軌道位置數(shù)據(jù);X4為地面溫度 數(shù)據(jù);X5為天空云量數(shù)據(jù)。具體賦值參考下表：
[0037]
[0039] (C)、根據(jù)步驟(B)中得到的所有的衛(wèi)星過境坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用聚類分析方法對以上 數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將該數(shù)據(jù)分成8類。
[0040] (D)、根據(jù)步驟(C)中的分類和每類中的衛(wèi)星過境坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用一般數(shù)學(xué)數(shù)組的計 算方法，計算出每類數(shù)據(jù)的中心點C n(Xln，X2n，X3n，X4n，X5n)，其中η表示第η類，Χ?η為第η類數(shù) 據(jù)的過境季節(jié); Χ2η為第η類數(shù)據(jù)的過境時刻;χ3η為第η類數(shù)據(jù)的軌道位置;Χ4η為第η類數(shù)據(jù)的 地面溫度;x 5n為第η類數(shù)據(jù)的天空云量。8類數(shù)據(jù)的中心點分別是(^(3.9,3.5,2,3.5,3.6)、 C2(3.6，1.6,2.3,2.2,3.3)、C 3(3.1，3.2，1.6，1.9,2.7)、C4(2.9,2,2.5，1.3,2.9)、C5(1.9， 3.1，2.2,3.2,2.3)、C 6(1.6，1.9,2.9,2.6,2.5)、C7(1.5,2.7，1.8,2.2，1.6)、C8(1.2,2,2.7， 1.9,1.7)〇
[0041] (E)根據(jù)步驟(B)的方法得到新過境的、待判識山火的衛(wèi)星坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算其與步 驟(D)中每類數(shù)據(jù)中心點的歐氏距離0"，計算公式如下：
[0042]
[0043] 式中，η表示第η類數(shù)據(jù)，χιη為第η類數(shù)據(jù)的特征值，Χι*待處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特征值；
[0044] 2016年4月27日11時53分，Modis衛(wèi)星從西側(cè)過境湖南省，地面溫度18°C，天空云量 35%，其數(shù)據(jù)特征值乂(1，2，1，2,2)，它與8個組類數(shù)據(jù)中心點的歐氏距離分別為:01 = 4.1，02 = 3.2，D3 = 2.6，D4 = 2.7，D5 = 2.2，D6 = 2.1，D7=1.3，D8=1.7。將與待判識山火的實時坐標(biāo) 數(shù)據(jù)的歐氏距離最近的一類數(shù)據(jù)記為第Z類數(shù)據(jù)，可見第Z類數(shù)據(jù)為第七類數(shù)據(jù)。
[0045] (F)將每類數(shù)據(jù)中所有衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)在相同網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)求平均，得到 平均場，并以該平均場作為該類數(shù)據(jù)的背景場；
[0046] (G)將待判識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景溫度處理，即將待判 識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)減去第Z類數(shù)據(jù)（第七類數(shù)據(jù))在對應(yīng)網(wǎng)格點的背景 場，得到去掉背景場的溫度異常值；
[0047] (H)火點判識。將步驟(G)計算得到的溫度異常值與設(shè)定閾值(待判識區(qū)域的設(shè)定 閾值為25K)進(jìn)行比較，當(dāng)溫度異常值大于設(shè)定閾值時，判定為火點。
[0048] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施 例。對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思前提下所得到的改進(jìn)和變 換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其特征在于:包括W下 步驟： (A) 收集待判識區(qū)域內(nèi)的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)和歷史氣象數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星每次過境的季節(jié)、過 境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的數(shù)據(jù)，W及衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)； (B) 將衛(wèi)星過境季節(jié)、過境時刻、軌道位置、地面溫度、天空云量的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù) 值，將每一次衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)X( XI，X2，X3，X4，X5 )，XI為過境季節(jié)數(shù)據(jù);X2為過 境時刻數(shù)據(jù);X3為軌道位置數(shù)據(jù);X4為地面溫度數(shù)據(jù);X5為天空云量數(shù)據(jù)，并剔除山火爆發(fā)時 段和云層厚度大時段的孤點數(shù)據(jù)； (C) 采用聚類分析方法對步驟(B)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將該數(shù)據(jù)分成N類，N取6~ 8; (D) 計算出每類數(shù)據(jù)的中屯、點片佔。瓜。，細(xì)心。，化。），其中11表示第11類，義1。為第11類數(shù)據(jù) 的過境季節(jié);X2n為第η類數(shù)據(jù)的過境時刻;X3n為第η類數(shù)據(jù)的軌道位置;X4n為第η類數(shù)據(jù)的地 面溫度;Χ5η為第η類數(shù)據(jù)的天空云量； 化)獲取待判識山火的實時衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并按照步驟(Β)的方法進(jìn)行處理得到 待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)與每類數(shù)據(jù)中屯、點的歐氏距 離Dn，計算公式如下：式中，η表示第η類數(shù)據(jù)，Xin為第η類數(shù)據(jù)的特征值，XI為待處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特征值;將與 待判識山火的實時坐標(biāo)數(shù)據(jù)的歐氏距離最近的一類數(shù)據(jù)記為第Ζ類數(shù)據(jù)； (F) 將每類數(shù)據(jù)中所有衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)在相同網(wǎng)格點的數(shù)據(jù)求平均，得到平均 場，并W該平均場作為該類數(shù)據(jù)的背景場； (G) 將待判識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行去背景溫度處理，具體是將待判 識山火的實時衛(wèi)星遙感紅外亮溫數(shù)據(jù)減去第Ζ類數(shù)據(jù)在對應(yīng)網(wǎng)格點的背景場，得到去掉背 景場的溫度異常值； 化)將步驟(G)得到的溫度異常值與設(shè)定闊值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度異常值大于設(shè)定闊值 時，判定為火點。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其特 征在于:所述步驟(Β)中，將衛(wèi)星過境季節(jié)的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:整理待判識區(qū)域 多年平均的降水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)每個月的降水量和降水日數(shù)進(jìn)行分類和賦值;將過境時刻的特 征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體是指:根據(jù)待判識區(qū)域每天24小時日照和人類活動進(jìn)行分類和賦 值;將軌道位置的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)衛(wèi)星軌道相對待判識區(qū)域的位置進(jìn)行 分類和賦值;將地面溫度的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)地面溫度高低進(jìn)行分類和賦 值;將天空云量的特征抽取轉(zhuǎn)換為數(shù)值具體指:根據(jù)天空云量所占比例進(jìn)行分類和賦值。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其特 征在于： 衛(wèi)星過境季節(jié)的分類和賦值具體為:4月、5月、6月的賦值為1，7月、8月、9月、11月的賦 值為2,10月的賦值為4,1月、2月、3月、12月的賦值為3; 過境時刻的分類和賦值具體為:8-12時的賦值為2,12-16時的賦值為4,16-19時的賦值 為3，20時-次日7時的賦值為1; 軌道位置的分類和賦值具體為:衛(wèi)星從西側(cè)過境的賦值為1，衛(wèi)星從正上方過境的賦值 為2,衛(wèi)星從東側(cè)過境的賦值為3; 地面溫度的分類和賦值具體為:低于10 °C的賦值為1，10-20°C的賦值為2，20-30°C的賦 值為3,高于30°C的賦值為4; 天空云量的分類和賦值具體為：占比為0-20%的賦值為4,占比為20-40%的賦值為2， 占比為40-60 %的賦值為1，占比為60 % W上的賦值為0。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其特 征在于:所述步驟(B)中，剔除山火爆發(fā)時段的孤點數(shù)據(jù)是指剔除清明、除夕、春節(jié)Ξ天的衛(wèi) 星數(shù)據(jù)，剔除云層厚度大時段的孤點數(shù)據(jù)是指剔除天空云量超過6成時的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚類分析去背景場的電網(wǎng)山火衛(wèi)星火點判識方法，其特 征在于:所述步驟(C)中，將步驟(B)得到的數(shù)據(jù)分成8類。
【文檔編號】G08B17/00GK105976550SQ201610574471
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月20日
【發(fā)明人】陸佳政, 李麗, 徐勛建, 郭俊, 楊莉, 馮濤, 張 杰
【申請人】國網(wǎng)湖南省電力公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心, 國家電網(wǎng)公司