CN108168440B - 基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，其特征在于：通过获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的两幅高分辨率影像，分析输电导线引起的散射亮斑在两幅雷达卫星影像的方位向和距离向上的相对位置变化，并结合预设阈值判断输电线路弧垂是否过大或过小。本发明不需要测量输电线路弧垂的具体值，能够实现对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测，有利于防范和消除弧垂过小或者过大对高压输电线路安全运行造成的威胁。

Description

基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法
技术领域
本发明涉及到输电线路监测技术领域，尤其涉及一种基于高分辨率雷达卫星影像的大面积高压输电线路弧垂过小或过大的预警检测方法。
背景技术
输电线路弧垂能反映输电导线运行的安全状态，是线路设计与运行的主要指标之一。尽管输电线路弧垂在刚架设完时会处在规定的范围之内，但线路运行负荷、导线的温度、应力、导线上覆冰厚度以及周围风速都会造成弧垂发生明显的变化。如果弧垂过小，将会导致输电线路的导线应力过大，使得导线振动时的振幅变大，加快导线老化速度，同时会使输电杆塔承受载荷增大，严重时可能还会发生断线和倒杆等事故。如果弧垂过大，则容易引起导线的风摆、舞动和输电电路相间短路，甚至还会引起输电导线对地面的树木、建筑物等发生放电，导致输电线路跳闸。因此，对大面积高压输电线路弧垂过小或过大进行常态化预警检测，确保输电线路弧垂处在规定的范围之内，对于高压输电线路的安全运行具有非常重要的意义。
传统的输电线路弧垂预警检测方法主要有以下两种方式：一种方式是基于人工巡线或直升机等巡线方式利用各类传感器实时测量输电线路弧垂，然后依据测量数据分析弧垂是否处在规定的范围之内，并给出相应的预警信息。这种技术能对输电线路弧垂进行比较准确的预警检测，但应用于大面积输电线路弧垂预警检测中时需要比较高的成本，而且受天气和地域等因素的影响，难以实现对输电线路弧垂进行常态化预警检测；另外一种方式是在线监测方式。该技术利用各类在线监测传感器采集与输电线路弧垂相关的状态量，并通过监测数据传输装置将数据上传至监控中心，最后由监控中心对监测数据进行分析，并给出相应的弧垂预警信息。虽然这些在线监测方法能对输电线路弧垂进行常态化检测，弧垂预警的准确度也比较高，但这些方法需要在每段输电线路上安装各种在线监测传感器，而且还需要额外设计监测数据传输装置。因此这些方法应用于大面积输电线路弧垂预警检测中时，需要安装非常多的在线监测传感器和数据传输装置，使得检测成本大幅度增加。另外，由于在通信不便的山区和偏远地区难以实现监测数据的传输，因此这些方法的应用范围受到了很大限制。由此可见，如何对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测成为迫切需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于高分辨率雷达卫星影像的大面积高压输电线路弧垂过小或过大预警检测方法。采用本发明不需要测量输电线路弧垂的具体值，可对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测，有利于防范和消除弧垂过小或者过大对高压输电线路安全运行造成的威胁。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，通过获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的两幅高分辨率影像，分析输电导线引起的散射亮斑在两幅雷达卫星影像的方位向和距离向上的相对位置变化，并结合预设阈值判断输电线路弧垂是否过大或过小，实现方式包括以下步骤，
步骤1，当输电线路弧垂处在规定范围内时，选择雷达卫星经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为主影像；
步骤2，依据指定的弧垂巡检时间，获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为副影像；
步骤3，对两幅雷达卫星影像进行预处理，包括辐射校正和相干斑噪声抑制；
步骤4，以主影像作为基准，对副雷达卫星影像进行精配准；
步骤5，从两幅雷达卫星影像中依据指定的地理坐标范围剪裁出由需要检测的一段输电导线引起的散射亮斑；
步骤6，从主影像和副影像上分别提取输电导线引起的散射亮斑的中心点；
步骤7，以输电导线引起的散射亮斑中心点在主影像上的空间位置为基准，分别分析该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值，实现如下，
设以输电导线引起的散射亮斑在主影像的方位向和距离向上处于两个特定的位置为A1和R1，输电导线引起的散射亮斑在副影像的方位向和距离向上的位置为A2和R2，计算出(A2-A1)和(R2-R1)差值，分别作为该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值；
步骤8，依据设定的门限阈值，在方位向和距离向分别进行比较，若满足指定条件则给出预警信息，若否则不给出预警信息，实现如下，
设方位向的最大门限阈值为Amax，最小门限阈值为Amin，距离向的最大门限阈值为Rmax，最小门限阈值为Rmin，
如果条件A2-A1<Amin和条件R2-R1>Rmax都满足时，判断输电线路弧垂过小，同时给出预警信息；
如果条件A2-A1>Amax和条件R2-R1<Rmin都满足时，判断输电线路弧垂过大，同时给出预警信息；
其它情况下，判断输电线路弧垂处在规定范围之内，不给出预警信息；
步骤9，判断是否已经完成对所有需要检测的输电导线段弧垂进行检测，若是则输电线路弧垂检测结束，若否则返回执行步骤5。
而且，步骤2中，雷达卫星获取副影像时的工作参数与获取主影像时保持一致，而且都沿升轨方向或都沿降轨方向获取。
而且，步骤6中，先对影像进行32倍过采样，然后通过采用与像素具有相同尺寸的窗口搜寻散射亮斑内具有最大幅值的像素点，得到散射亮斑的中心点。
而且，步骤7中，通过分别测量副影像上输电导线引起的散射亮斑中心点相对于主影像在方位向和距离向上的像素偏移数目，得到(A2-A1)和(R2-R1)差值。
而且，步骤8中，所述门限阈值设定方式如下，
依据雷达卫星与输电线路的实际成像几何结构，通过Matlab仿真获取输电导线和相邻两基输电杆塔的模拟雷达卫星影像；当输电线路弧垂取规定范围的中间值时，确定由输电导线引起的散射亮斑中心点在模拟影像方位向和距离向上的位置，分别记为MA1和MR1；当输电线路弧垂分别取实际允许的最大值和最小值时，基于模拟影像分别确定散射亮斑中心点对应的方位向位置MAmax和MAmin，对应的距离向位置MRmax和MRmin；方位向的最大门限阈值Amax设为MAmax-MA1，最小门限阈值Amin设为MAmin-MA1，距离向的最大门限阈值Rmax设为MRmax-MR1，最小门限阈值Rmin设为MRmin-MR1。
而且，用于大面积高压输电线路弧垂的预警检测。
和现有技术相比，本发明具有有益成果：
基于高分辨率雷达卫星影像对大面积高压输电线路弧垂过小或过大进行预警检测，不需要测量输电线路弧垂的具体值，可对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测，有利于防范和消除弧垂过小或者过大对高压输电线路安全运行造成的威胁。本发明技术方案能实现高巡检效率和检测精度，可以广泛用于大面积高压输电线路弧垂的预警检测，具有重要的市场价值。
附图说明
图1是本发明采用的基于高分辨率雷达卫星影像对大面积高压输电线路弧垂过小或过大进行预警检测的结构示意图；
图2是本发明实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
如中国发明专利201110141674.X所述，雷达卫星不受光照和云雾等外界因素的限制，可全天时、全天候工作，能够满足极端天气下的监测需求。当雷达卫星工作在条带模式下时，标准的单景影像可以覆盖上千平方公里。随着商业雷达卫星成像技术的不断发展，在保证大测绘幅宽的同时，影像空间分辨率已经可以达到分米量级，能够清晰地看到高压输电导线的散射特征，而且编队雷达卫星的重复观测周期已可以达到6天左右。与此同时，单幅影像的价格却不超过2万元人民币。由此可见，高分辨率雷达卫星影像可以很好地满足对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测需求。
本发明提出一种基于高分辨率雷达卫星影像的大面积高压输电线路弧垂过小或过大的预警检测方法，不需要测量输电线路弧垂的具体值，能够实现对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测，有利于防范和消除弧垂过小或者过大对高压输电线路安全运行造成的威胁。
如图1所示，本实施例提供的是一种基于高分辨率雷达卫星影像的大面积高压输电线路弧垂预警检测方法。
关于图1的描述：图1展示的是雷达卫星获取关于一段输电线路(包括一段输电导线和相邻两基输电杆塔)的高分辨率影像时的平面俯视图，其中方位向与雷达卫星飞行方向保持一致，距离向与雷达照射波束方向一致，并且与方位向垂直。当输电线路弧垂处在规定范围内的一个值时，输电导线引起的散射亮斑在雷达卫星影像的方位向和距离向上处于两个特定的位置(设为A1和R1)。当输电线路弧垂发生变化时，输电导线引起的散射亮斑在雷达卫星影像的方位向和距离向上的位置(设为A2和R2)也会相应发生变化。因此，以A1和R1为基准，通过分析(A2-A1)和(R2-R1)这两个差值与设定阈值之间的大小关系，就可以判断输电线路弧垂是否过大或过小，判断细则详见下面步骤8中的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的基于高分辨率雷达卫星影像的大面积高压输电线路弧垂预警检测方法，包括以下步骤：
步骤1，当输电线路弧垂处在规定范围内时，选择雷达卫星经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为主影像。
为确保主影像的可靠性，选择输电线路刚架设完毕时(可确保输电线路弧垂处在规定范围内)雷达卫星经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为主影像。
其中雷达卫星影像可选择德国商业TerraSAR-X卫星沿升轨方向提供的高分辨率影像，具体性能参数如下所示：X波段；垂直–垂直极化；3米分辨率；37度入射角；单幅影像覆盖范围为50km(方位向)×30km(距离向)。
步骤2，依据指定的弧垂巡检时间，获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为副影像。其中雷达卫星获取副影像时的工作参数与获取主影像时保持一致，比如相同的极化模式和入射角，而且都沿升轨方向或都沿降轨方向获取。
步骤3，对两幅雷达卫星影像进行预处理，具体包括辐射校正和相干斑噪声抑制。
具体实施时，辐射校正和相干斑噪声滤除的具体实现可采用现有常规技术。
辐射校正的作用是使散射强度信息不受观测几何结构的影响，便于后续的对比和分析。
相干斑点噪声使影像的信噪比下降，明细降低了影像的辐射分辨率，掩盖了影像所反映的目标精细结构。相干斑噪声抑制可消除这些不利的影响。
步骤4，以主影像作为基准，对副雷达卫星影像进行精配准。
实施例中对雷达影像进行精配准的具体步骤包括：通过在两幅影像上选择特征明显的目标散射点作为控制点，并借助这些散射点之间的已知几何位置关系计算出整幅影像的空间转化关系，完成两幅影像之间的粗配准；通过粗配准确定像素级的配准误差之后，在粗配准位置基础之上按照0.1像素的间隔进行辛格函数插值，并重复使用最大相关系数法估算出亚像素级精度的配准位置，完成两幅影像之间的精配准。
步骤5，从两幅雷达卫星影像中依据指定的地理坐标范围剪裁出由需要检测的一段输电导线引起的散射亮斑，以便减少数据量和节省数据处理时间。
步骤6，从主影像和副影像上分别提取输电导线引起的散射亮斑的中心点。
实施例中，具体提取方法如下所示：先对影像进行32倍过采样，然后通过采用与像素具有相同尺寸的窗口搜寻散射亮斑内具有最大幅值的像素点，即为散射亮斑的中心点。
步骤7，以输电导线引起的散射亮斑中心点在主影像上的空间位置为基准，分别分析该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值。
设以输电导线引起的散射亮斑在主影像的方位向和距离向上处于两个特定的位置为A1和R1，输电导线引起的散射亮斑在副影像的方位向和距离向上的位置为A2和R2，可计算出(A2-A1)和(R2-R1)差值，分别作为该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值。
优选地，通过分别测量副影像上输电导线引起的散射亮斑中心点相对于主影像在方位向和距离向上的像素偏移数目，得到(A2-A1)和(R2-R1)差值。
实施例中，具体实现为：设方位向上的像素偏移数目为NA，距离向上的像素偏移数目为NR，影像空间分辨率为3米(距离向)×3米(方位向)，因此|A2-A1|＝NA×3/32，|R2-R1|＝NR×3/32。如果方位向上的像素偏移方向与方位向的方向相同，那么A2-A1＝NA×3/32；如果相反，那么A2-A1＝-(NA×3/32)。如果距离向上的像素偏移方向与距离向的方向相同，那么R2-R1＝NR×3/32；如果相反，那么R2-R1＝-(NR×3/32)。这样可以保证弧垂测量精度达到0.1米左右，满足实际测量精度需求。
步骤8，依据设定的门限阈值，在方位向和距离向分别比较空间位置变化值。若满足指定条件，给出预警信息。若否，不给出预警信息。
其中该门限阈值的优选确定步骤包括：依据雷达卫星与输电线路的实际成像几何结构，通过Matlab仿真获取输电导线和相邻两基输电杆塔的模拟雷达卫星影像；当输电线路弧垂取规定范围的中间值时，确定由输电导线引起的散射亮斑中心点在模拟影像方位向和距离向上的位置，分别记为MA1和MR1。当输电线路弧垂分别取实际允许的最大值和最小值时，基于模拟影像分别确定散射亮斑中心点对应的方位向位置MAmax和MAmin，对应的距离向位置MRmax和MRmin。方位向的最大门限阈值Amax设为MAmax-MA1，最小门限阈值Amin设为MAmin-MA1。距离向的最大门限阈值Rmax设为MRmax-MR1，最小门限阈值Rmin设为MRmin-MR1。
实际操作时，方位向和距离向都需要用阈值进行判断，这样的判断结果可靠性明显优于只判断方位向或距离向的结果。根据(A2-A1)和阈值Amax、Amin的关系，以及(R2-R1)和阈值Rmax、Rmin的关系，就可以判断输电线路弧垂是否过大或过小，具体判断如下：如图1所示，如果条件A2-A1<Amin和条件R2-R1>Rmax都满足时，判断输电线路弧垂过小，同时给出预警信息；如果条件A2-A1>Amax和条件R2-R1<Rmin都满足时，判断输电线路弧垂过大，同时给出预警信息；其它情况下，判断输电线路弧垂处在规定范围之内，不给出预警信息。
步骤9，判断是否已经完成对所有需要检测的输电导线段弧垂进行检测。若是，输电线路弧垂检测结束。若否，返回执行步骤5。
具体实施时，可以采用计算机软件技术实现以上流程的自动运行，高效精确，特别适合于处理大面积输电线路弧垂预警检测任务。比如采用单幅标准的3米分辨率TerraSAR-X雷达卫星影像就可以完成对1500平方公里面积内的输电线路弧垂进行预警检测。
从以上的描述中，可以看出，上述实施例实现了如下技术效果(需要说明的是这些效果是某些优选实施例可以达到的效果)：不需要测量输电线路弧垂的具体值，可对任何地域内的大面积高压输电线路弧垂进行常态化和经济有效的预警检测，有利于防范和消除弧垂过小或者过大对高压输电线路安全运行造成的威胁。
以上所述仅为本发明中的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，其特征在于：通过获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的两幅高分辨率影像，分析输电导线引起的散射亮斑在两幅雷达卫星影像的方位向和距离向上的相对位置变化，并结合预设阈值判断输电线路弧垂是否过大或过小，能够保证弧垂测量精度达到0.1米左右，满足高压输电线路弧垂实际测量精度需求，实现方式包括以下步骤，
步骤1，当输电线路弧垂处在规定范围内时，选择雷达卫星经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为主影像；
步骤2，依据指定的弧垂巡检时间，获取雷达卫星重复经过高压输电线路监测区域时的一幅高分辨率影像作为副影像；
步骤3，对两幅雷达卫星影像进行预处理，包括辐射校正和相干斑噪声抑制；
步骤4，以主影像作为基准，对副雷达卫星影像进行精配准；
通过在两幅影像上选择特征明显的目标散射点作为控制点，并借助这些散射点之间的已知几何位置关系计算出整幅影像的空间转化关系，完成两幅影像之间的粗配准；通过粗配准确定像素级的配准误差之后，在粗配准位置基础之上按照0.1像素的间隔进行辛格函数插值，并重复使用最大相关系数法估算出亚像素级精度的配准位置，完成两幅影像之间的精配准；
步骤5，从两幅雷达卫星影像中依据指定的地理坐标范围剪裁出由需要检测的一段输电导线引起的散射亮斑；
步骤6，从主影像和副影像上分别提取输电导线引起的散射亮斑的中心点，实现如下，
先对影像进行32倍过采样，然后通过采用与像素具有相同尺寸的窗口搜寻散射亮斑内具有最大幅值的像素点，得到散射亮斑的中心点；
步骤7，以输电导线引起的散射亮斑中心点在主影像上的空间位置为基准，分别分析该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值，实现如下，
设以输电导线引起的散射亮斑在主影像的方位向和距离向上处于两个特定的位置为A1和R1，输电导线引起的散射亮斑在副影像的方位向和距离向上的位置为A2和R2，计算出(A2-A1)和(R2-R1)差值，分别作为该段输电导线引起的散射亮斑中心点在副影像方位向和距离向上的位置变化值；
步骤8，依据设定的门限阈值，在方位向和距离向分别进行比较，若满足指定条件则给出预警信息，若否则不给出预警信息，实现如下，
设方位向的最大门限阈值为Amax，最小门限阈值为Amin，距离向的最大门限阈值为Rmax，最小门限阈值为Rmin，
如果条件A2-A1<Amin和条件R2-R1>Rmax都满足时，判断输电线路弧垂过小，同时给出预警信息；
如果条件A2-A1>Amax和条件R2-R1<Rmin都满足时，判断输电线路弧垂过大，同时给出预警信息；
其它情况下，判断输电线路弧垂处在规定范围之内，不给出预警信息；
其中，所述门限阈值的设定方式如下，
依据雷达卫星与输电线路的实际成像几何结构，通过Matlab仿真获取输电导线和相邻两基输电杆塔的模拟雷达卫星影像；当输电线路弧垂取规定范围的中间值时，确定由输电导线引起的散射亮斑中心点在模拟影像方位向和距离向上的位置，分别记为MA1和MR1；当输电线路弧垂分别取实际允许的最大值和最小值时，基于模拟影像分别确定散射亮斑中心点对应的方位向位置MAmax和MAmin，对应的距离向位置MRmax和MRmin；方位向的最大门限阈值Amax设为MAmax-MA1，最小门限阈值Amin设为MAmin-MA1，距离向的最大门限阈值Rmax设为MRmax-MR1，最小门限阈值Rmin设为MRmin-MR1；
步骤9，判断是否已经完成对所有需要检测的输电导线段弧垂进行检测，若是则输电线路弧垂检测结束，若否则返回执行步骤5。
2.根据权利要求1所述基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，其特征在于：步骤2中，雷达卫星获取副影像时的工作参数与获取主影像时保持一致，而且都沿升轨方向或都沿降轨方向获取。
3.根据权利要求1所述基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，其特征在于：步骤7中，通过分别测量副影像上输电导线引起的散射亮斑中心点相对于主影像在方位向和距离向上的像素偏移数目，得到(A2-A1)和(R2-R1)差值。
4.根据权利要求1或2或3所述基于雷达卫星影像的高压输电线路弧垂预警检测方法，其特征在于：用于大面积高压输电线路弧垂的预警检测。
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