一种输电线路易覆冰微地形分类方法技术

本发明专利技术公开了一种输电线路易覆冰微地形分类方法，它包括：收集区域DEM、电网冰区分布图和区域气象站风向观测数据；对山脊、山谷和垭口地形进行粗提取；根据TPI指数划分阈值，确定区域的坡位类型，对山谷和山脊地形进行精确提取；将提取的山谷、山脊、垭口和迎风坡上坡地形与电网冰区分布图进行叠加，提取20mm及以上重冰区范围内的地形区作为易覆冰微地形；提取每类易覆冰地形区的地形因子；将易覆冰微地形类型作为模型输出，对应微地形类型下的地形因子为输入层，采用XGBoost算法进行模型训练，建立易覆冰微地形分类模型通；有效指导输电线路冬季覆冰巡检、防冰融冰设施部署，降低电网覆冰灾害风险。冰灾害风险。冰灾害风险。

【技术实现步骤摘要】
一种输电线路易覆冰微地形分类方法


[0001]本专利技术属于电力工程水文气象
，尤其涉及一种输电线路易覆冰微地形分类方法。

技术介绍

[0002]近年来由于全球气候变暖趋势日益明显，极端气候事件频发，部分区域输电线路覆冰概率也逐渐增加，对高压输电线路的安全稳定运行造成极其严重的影响。同时，易覆冰微地形对输电线路覆冰的影响往往是非常显著的，常引起导地线断线、坍塌、杆塔倾斜、舞动和绝缘子闪络等各类覆冰灾害事件，对区域社会经济造成不同程度的损失。
[0003]易覆冰微地形通常指在局部地形下覆冰量级产生综合突变的地形，主要包括易覆冰区域迎风坡、风口、垭口、峡谷、分水岭、山脊、江河湖泊等范围相对较小的地形。随着国家西电东送战略深层推进，越来越多的输电线路在各类易覆冰微地形区域穿梭走线，这些区域往往存在诱发严重覆冰的因素，势必会造成电网安全隐患。因此，在输电线路规划、设计、建设、运维和巡检过程中需要重点考虑微地形的特殊性，最大程度地减少恶劣气象条件下电网重大冰灾事故的发生。因此，构建输电线路易覆冰微地形分类算法是大势所趋。
[0004]当前针对输电线路区域微地形的识别和划分方法主要依靠等高线地形图进行人工判别和矢量化并进行实地验证，识别精度高，但人工成本高，不适用于大范围大尺度区域微地形划分，随之地理信息技术在水文气象应用中的普及，出现了以数字地形分析为理论基础的微地形分类算法，如基于图像处理的方法、基于地形几何分析方法和基于地表流水物理模拟方法等。此类方法能够一定程度识别区域的山脊、山顶等地形特征区域，但存在阈值划分困难、无法识别易覆冰区等缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种大尺度区域输电线路易覆冰微地形分类方法，以准确识别易覆冰区山谷、山脊和垭口等地形区，有效指导输电线路冬季覆冰巡检、防冰融冰设施部署，降低电网覆冰灾害风险。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种输电线路易覆冰微地形分类方法，它包括：
[0008]步骤1、收集区域数字高程模型DEM、电网冰区分布图和区域气象站风向观测数据；
[0009]步骤2、根据DEM数据基于改进的地表流水物理模拟算法对山脊、山谷和垭口地形进行粗提取；
[0010]步骤3、基于DEM计算区域地形位置指数TPI，根据TPI指数划分阈值，确定区域的坡位类型，并利用划分的坡位类型进一步对步骤2中的山谷和山脊地形进行精确提取；
[0011]步骤4、将上坡区域进一步划分为迎风坡上坡地形和背风坡上坡地形；
[0012]步骤5、将提取的山谷、山脊、垭口和迎风坡上坡地形与电网冰区分布图进行叠加，提取20mm及以上重冰区范围内的微地形区作为易覆冰微地形；
[0013]步骤6、对DEM进行数字地形分析提取步骤5中每类易覆冰地形区的高程、坡度、坡向、地形起伏度和地表粗糙度地形因子；
[0014]步骤7、将步骤5的易覆冰微地形划分结果作为模型输出，步骤6中对应微地形类型下的地形因子为模型输入层，采用XGBoost算法进行模型训练，建立易覆冰微地形分类模型。
[0015]步骤8、通过建立的易覆冰微地形分类模型进行易覆冰微地形分类。
[0016]所述对山脊、山谷和垭口地形进行粗提取的方法为：根据DEM进行水文分析，计算区域汇流累计量，汇流累积量为0的区域划分为分水岭即山脊区，将DEM进行翻转，利用反地形DEM提取汇流累积量为0的区域作为汇水区，得到山谷地形区，最后根据识别的山脊山谷进行空间叠加，将山脊与山谷交叉区域定义为垭口地形。
[0017]所述基于DEM计算区域地形位置指数TPI，根据TPI指数划分阈值，确定区域的坡位类型的方法为：
[0018]步骤3.1、地形位置指数TPI通过计算目标点与邻域内高程均值的差值得到；坡位类型由TPI指数与坡度的关系来设定阈值，由于邻域像元的高程具有波动性，因此本专利技术采用根据TPI偏离邻域像元高程的标准差来设定阈值，阈值划分标准如表1所示：
[0019]表1坡位分类表
[0020][0021][0022]注：SD代表标准差，即TPI与邻域像元高程的标准偏差值。
[0023]步骤3所述对山谷和山脊地形进行精确提取的方法为：
[0024]步骤3.2、以粗提取的山谷和山脊地形区为背景，叠加步骤3.1的山脊坡位和山谷坡位，剔除山脊和山谷坡位以外的伪地形，即实现对山谷和山脊进行精确提取。
[0025]迎风坡上坡地形和背风坡上坡地形的划分方法为：对上坡区域进行DEM的坡度分析，获取上坡像元的坡度值，并获取上坡像元邻近气象站，计算该气象站观测的多年平均冬季风向，确定风向与上坡像元坡度夹角小于90
°
为迎风坡上坡，否则为背风坡上坡。
[0026]步骤6所述地形起伏度的提取方法为：地形起伏度指一定邻域范围高程最大值与最小值只差，采用3
×
3的邻域滑动窗口来计算每个窗口内的高程最大值与最小值的差作为中心像元的地形起伏度。
[0027]地表粗糙度的提取方法为：地表粗糙度值指的区域内地球表面积与投影面积之比，通过先求取每个栅格单元的坡度值，并转化为弧度，将栅格单元的面积除以面积与坡度弧度的乘积即得到该单元的地表粗糙度。
[0028]所述根据XGBoost算法建立易覆冰微地形分类模型的方法为：
[0029]步骤7.1、初始化一个含有K棵树的分类模型，表示为：
[0030][0031]式中：a
i
和b
i
分别为分类模型第i个样本的输入和输出，f为分类模型树；F为对应分类树组成的函数空间；
[0032]步骤7.2、由于每次迭代都会产生一棵新树，用于拟合前一棵树的残差，所以假设第t次迭代时预测值为则：
[0033][0034]步骤7.3、定义优化的目标函数Q
(t)
，目标函数Q
(t)
由损失函数常数项c和正则项D(f
t
)三部分组成，将损失函数用二阶泰勒函数展开，并且移除常数项，则目标函数Q
(t)
变为如下公式(3)，其中正则项D(f
t
)计算公式见公式(4)：
[0035][0036]公式(3)中：
[0037][0038]公式(4)中：T为叶子结点的数目；w
t
为第t个叶子结点的权重；γ和λ为正则化系数；
[0039]步骤7.4、定义I
j
第j个叶子节点上的样本集合；则目标函数Q
(t)
可进一步精简为公式(5)，目标函数Q
(t)
越小，则说明整棵树的结构最优：
[0040][0041]步骤7.5、利用网格搜索法对XGboost模型参数进行优化，并分别比较预测值和实测值的Log损失f
loss
和分类错误率e；损失越小，则分类模型的性能就越好。Log损失f
loss
和分类错误本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种输电线路易覆冰微地形分类方法，它包括：步骤1、收集区域数字高程模型DEM、电网冰区分布图和区域气象站风向观测数据；步骤2、根据DEM数据基于改进的地表流水物理模拟算法对山脊、山谷和垭口地形进行粗提取；步骤3、基于DEM计算区域地形位置指数TPI，根据TPI指数划分阈值，确定区域的坡位类型，并利用划分的坡位类型进一步对步骤2中的山谷和山脊地形进行精确提取；步骤4、将上坡区域进一步划分为迎风坡上坡地形和背风坡上坡地形；步骤5、将提取的山谷、山脊、垭口和迎风坡上坡地形与电网冰区分布图进行叠加，提取20mm及以上重冰区范围内的地形区作为易覆冰微地形；步骤6、对DEM进行数字地形分析提取步骤5中每类易覆冰地形区的高程、坡度、坡向、地形起伏度和地表粗糙度地形因子；步骤7、将步骤5的易覆冰微地形类型作为模型输出，步骤6中对应微地形类型下的地形因子为输入层，采用XGBoost算法进行模型训练，建立易覆冰微地形分类模型。步骤8、通过建立的易覆冰微地形分类模型进行易覆冰微地形分类。2.根据权利要求1所述的一种输电线路易覆冰微地形分类方法，其特征在于：所述对山脊、山谷和垭口地形进行粗提取的方法为：根据DEM进行水文分析，计算区域汇流累计量，汇流累积量为0的区域划分为分水岭即山脊区，将DEM进行翻转，利用反地形DEM提取汇流累积量为0的区域作为汇水区，得到山谷地形区，最后根据识别的山脊山谷进行空间叠加，将山脊与山谷交叉区域定义为垭口地形。3.根据权利要求1所述的一种输电线路易覆冰微地形分类方法，其特征在于：基于DEM计算区域地形位置指数TPI，根据TPI指数划分阈值，确定区域的坡位类型的方法为：步骤3.1、地形位置指数TPI通过计算目标点与邻域内高程均值的差值得到；坡位类型由TPI指数与坡度的关系来设定阈值，由于邻域像元的高程具有波动性，因此根据TPI偏离邻域像元高程的标准差来设定阈值，阈值划分标准如表1所示：表1坡位分类表注：SD代表标准差，即TPI与邻域像元高程的标准偏差值。4.根据权利要求3所述的一种输电线路易覆冰微地形分类方法，其特征在于：步骤3所述对山谷和山脊地形进行精确提取的方法为：步骤3.2、以提取的山谷和山脊地形区为背景，叠加步骤3.1的山脊坡位和山谷坡位，剔除山脊和山谷坡位以外的伪地形，即实现对山谷和山脊进行精确提取。
5.根据权利要求1所述的一种输电线路易覆冰微地形分类方法，其特征在于：迎风坡上坡地形和背风坡上坡地形的划分方法为：对上坡区域进行DEM的坡度分析，获取上坡像元的坡度值，并获取上坡像元邻近气象站风向数据，计算该气象站观测的多年平均冬季风向，确定风向与上坡像元坡度夹角小于90
°...

【专利技术属性】
技术研发人员：文屹，吴建蓉，曾华荣，何锦强，彭赤，张迅，朱登杰，黄军凯，杜昊，张伟，肖书舟，龚博，黄增浩，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：