Nighttime Lights Based Pathfinding Model for Electrical Line Layout Prediction

Abstract

Verden holder ikke følge med FNs bærekraftig utviklingsmål 7, "ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all". Fem hundre åttifem millioner mennesker i Afrika sør for Sahara forventes å leve uten tilgang til en pålitelig energikilde innen 2030. Det er ikke snakk om en grønnere, mer bærekraftig energikilde, men det primære behovet for energi. Denne studien forsøkte å forenkle stedvalgprosessen for nye energiprosjekter ved å dokumentere den eksisterende elektriske infrastrukturen. I denne oppgaven undersøkte vi muligheten for å utlede kraftledninger ved bruk av nattlys. Små bosetninger, bygninger og til og med gatelamper avgir lysstråling oppdagbart av satellitter. Nattlys fungerte som noder i en graf og ble koblet sammen med Dijkstras algoritme. De resulterende koblingene var det antatte strømlinjenettet i et land.

Vi studerte tidligere forskning om predikering av kraftledninger. Den primære kilden til relatert arbeid brukte Dijkstras algoritme og nattlys og forslagene deres for fremtidig arbeid ble implementert. Samtidig gjennomførte vi et litteraturstudie som studerte overlappende problemer, for eksempel deteksjon av gatenettverk ved hjelp av satellittbilder, for å avgjøre hvordan metoder kan overføres til det aktuelle domenet.

Den implementerte løsningen bruker vannforekomster, befolkede områder og konvolusjonsfilter til å forbehandle nattlys. Veinettverk, høydeendringer og naturreservater bestemte kostnaden ved veivalg. Vi samlet data fra ideele organisasjoner i 34 europeiske land for å bestemme kvaliteten på de utledede strømlinjene. Mangelen på dokumentasjon i Afrika sør for Sahara begrenset valideringsmuligheter. Lagene og filtrene hadde som mål å fjerne naturlige lyskilder og støy, mens kostnadslagene muliggjorde strømnettdesign som i virkeligheten.

Til slutt gransket vi de predikerte strømlinjene for å identifisere mulige metode- forbedringer. De detaljerte kartene illustrerte komplikasjoner med metodikken og eksterne faktorer. De predikerte strømlinjene oppnådde en Intersection-over-Union poengsum på 0.29. Resultatene var under industristandarder og egnet seg ikke som dokumentasjon av strømlinjer. Feil i metodikk forklarte delvis de lave poengsummene, men en betydelig andel ble tilskrevet valideringsdata av lav kvalitet.

The world is failing to stay on track to reach Sustainable Development Goal 7, ”ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all”. Five hundred eighty-five million people in Sub-Saharan Africa are expected to live without access to a reliable energy source by 2030. It is not a question of a greener, more sustainable energy source but the immediate need for energy. This study aimed to simplify the site selection process for new power-producing projects by documenting the existing electrical infrastructure, as distance to the grid is a critical cost parameter. We studied the possibility of inferring power lines using nighttime lights. Small settlements, buildings and even street lamps emit light radiance detectable by satellites. Nighttime lights functioned as nodes in a graph and were connected by Dijkstra’s algorithm. The resulting path was the assumed power line layout in a country. We studied previous research concerning power line inference and planning. The methodology aimed to reproduce and better the most promising research. Further, alternative approaches, such as street network detection using satellite imagery, were investigated to determine how methods could be transferred to power line inference. The implemented solution makes use of water bodies, populated areas and convolutional filters to preprocess nighttime lights. Road networks, elevation changes, and protected areas determined the path’s cost. We gathered open-source power line data from 34 European countries to determine the quality of the predictions. The lack of documentation in Sub-Saharan Africa restricted validation opportunities. The layers and filters aimed to remove natural light sources and noise while cost layers facilitated real-world grid design. Finally, we scrutinized predicted paths to identify possible method improvements. The detailed maps illustrated complications with the methodology and external factors. The predicted paths of power lines achieved an Intersection-over-Union score of 0.29. The results were below industry standards of 0.5, deeming the predicted paths unsuitable as infrastructure documentation in projects. Errors in methodology partially explained the low evaluation metrics, but a significant share was attributed to low-quality validation data.