CN109085588B - 基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法 - Google Patents

基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了基于Terra SAR‑X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，所述方法包括：获取电网铁塔的主影像强度图；按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分；计算所述电网铁塔的后向散射系数和；根据所述后向散射系数和，提取所述主影像强度图中铁塔的主干部分；精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标；转化坐标至地心系坐标；根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标；根据所述最终坐标，计算铁塔偏移方向和偏移角度。能够有效解决现有SAR检测方法无法准确判断铁塔倾斜方向的问题。

Description

基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监 测方法
技术领域
本申请涉及电网铁塔安全监测技术领域，尤其涉及基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法。
背景技术
高压输电铁塔是输电线路的重要组成部分，其运行状态决定着电力系统运行的稳定和安全，对其形变的准确检测是保证输电线路安全的关键，因此，对高压输电铁塔形变提取技术的研究意义重大。由于受风雪天气影响，一些搭建在偏远地区的铁塔容易发生倾斜甚至倒塌的问题，而通过人工方法我们很难及时发现这些问题，由此造成巨大的经济损失。通常，高压输电铁塔一般建立在人迹罕至和环境复杂的山区中，传统的人工巡检和直升机巡检不仅成本高而且耗时长，同时容易受天气条件和地形的影响，在地震、雪灾和强降雨等大范围灾害环境下难以持续工作。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)的发展，为解决这个问题提供了新的技术，SAR是一种主动式微博传感器，通过发射和接收特定的电磁波获取目标的散射信息。SAR能够不受云雾、雨雪和黑夜等条件的限制，能够对目标进行全天候和全天时的监测，并且在大范围的自然灾害条件下具有明显的优越性。随着SAR技术的不断发展，SAR遥感的应用不断深入和扩展，不仅可用于道路、桥梁、建筑物和车辆等目标的识别和分类，还可以用于森林植被和冰雪监测、地形测量、城市整体监测和灾害预警等，在民用和国防建设等领域有这巨大的应用潜力。
近年来，大量SAR数据的采集导致了DInSAR(合成孔径雷达差分干涉技术)的发展，例如永久散射体InSAR，小基线DInSAR等方法都能够用来测量物体在规定时间段内发生的形变和微位移大小。特别的，目前已经有一种改进的DInSAR方法能够计算出铁塔在规定时间内的倾斜位移，然而仅计算出铁塔的倾斜位移，仍旧无法判断出不同时间段内铁塔随风力采用何种偏摆方式，在当前时间段内，铁塔处于何种倒塌或直立状态。
发明内容
本申请提供了基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，以解决现有SAR检测方法无法准确判断铁塔倾斜方向的问题。
本申请提供了基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，所述监测方法包括：
获取电网铁塔的主影像强度图；
按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分；
计算所述电网铁塔的后向散射系数和；
根据所述后向散射系数和，提取所述主影像强度图中铁塔的主干部分；
精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标；
转化坐标至地心系坐标；
根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标；
根据所述最终坐标，计算铁塔偏移方向和偏移角度。
可选地，所述获取电网铁塔的主影像强度图的具体步骤包括：
随机选取两张电网铁塔在不同时相的二维SAR图像；
通过干涉两张所述二维SAR图像，获得主影像强度图。
可选地，所述按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分的具体步骤包括：
按照所述分割阈值，划分所述主影像强度图；
将所述主影像强度图的强度大于所述分割阈值的部分确定为铁塔部分，将所述主影像强度图的强度小于或者等于所述分割阈值的部分确定为背景部分。
可选地，按照下述步骤确定分割阈值：
求取所述主影像强度图各点的强度平均值；
标记主影像强度图中强度小于所述平均值的点为噪声点；
剔除全部所述噪声点，获得计算点；
求取全部所述计算点的强度平均值，并确定为分割阈值。
可选地，所述计算所述电网铁塔的后向散射系数和的具体步骤为：
获取所述电网铁塔的结构参数，所述结构参数至少包括：金属构成；
根据所述结构参数，确定所述铁塔部分各不同金属部分的后向散射系数；
计算全部金属的后向散射系数的和值。
可选地，所述精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标的具体步骤包括：
标记所述主干部分的像素点为第一颜色，并在所述主影像强度图上输出标记点坐标；
根据预设模板，遍历所述标记点坐标；
确定与所述预设模板匹配度符合预设匹配阈值的点为精提取点；
标记所述精提取点为第二颜色，并在所述主影像强度图上输出所述精提取点坐标。
可选地，所述转化坐标至地心系坐标的步骤还包括：
根据所需卫星在地心坐标系的12个位置矢量和速度矢量，拟合卫星轨道方程；
建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系；
根据所述函数关系，转化坐标至地心系坐标。
可选地，所述根据所需卫星在地心坐标系的12个位置矢量和速度矢量，拟合卫星轨道方程的具体步骤为：
根据下述公式拟合卫星轨道方程：
Figure BDA0001812057990000031
Figure BDA0001812057990000032
Figure BDA0001812057990000033
其中，Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，i为像素点在图像上的行数，PRF为脉冲重复频率，t为时间间隔，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3、c0、c1、c2、c3为需要求解的一组固定未知参数。
可选地，所述建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系的具体步骤为：
根据下式确定距离方程：
F1＝(Xsf-Xgf)2+(Ysf-Ygf)2+(Zsf-Zgf)2-R2
其中，Xgf、Ygf、Zgf为地面点在地心坐标系下的位置矢量，R为斜距；
根据下式确定多普勒方程：
Figure BDA0001812057990000034
其中Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，λ为入射波波长，fDC为多普勒频率位移；
根据下式确定地球椭球方程：
Figure BDA0001812057990000041
其中，N为地球椭圆长半轴，N·(1-e2)为地球椭圆短半轴，h为地面点高程。
可选地，所述根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标的具体步骤为：
根据所述距离方程、所述多普勒方程和所述地球椭球方程，计算所述铁塔主干像素点在地心坐标系中的位置，获得下式：
Δx＝B-1·F(Xk)
其中，Δx为改正量，
Figure BDA0001812057990000042
B为F(Xk)对Xgf、Ygf、Zgf求导所得值，根据下式可得B值：
Figure BDA0001812057990000043
计算所述改正量的绝对值；
如果所述改正量的绝对值大于或者等于预设改正量阈值，则重新进行改正计算，直至所述改正量的绝对值小于所预设改正量阈值；
确定所述改正量的绝对值小于所述预设改正量阈值时所对应的Xk值为所述铁塔主干像素点的最终坐标。
由以上技术可知，本申请提供了基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，所述监测方法包括：获取电网铁塔的主影像强度图；按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分；计算所述电网铁塔的后向散射系数和；根据所述后向散射系数和，提取所述主影像强度图中铁塔的主干部分；精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标；转化坐标至地心系坐标；根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标；根据所述最终坐标，计算铁塔偏移方向和偏移角度。使用时，通过拍摄获取电网铁塔的主影像强度图，并且在主影像强度图上分割出铁塔部分，从而排除背景部分对后续计算的影响。为了提高计算的精确度，需要对铁塔部分依次进行主干部分坐标的提取和精提取，获得最终坐标，并且根据最终坐标计算出铁塔的偏移方向和偏移角度，实现对电网铁塔形变的准确计算。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种电网铁塔主影像强度图的获取方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的一种分割出铁塔部分影像的方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种确定分割阈值的方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种计算电网铁塔后向散射系数和的方法的流程图；
图6为本申请实施例提供的一种电网铁塔主干坐标精提取方法的流程图；
图7为本申请实施例提供的一种转化坐标至地心系坐标的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法的流程图。在本实施例中，提供了基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，所述方法包括：
步骤100、获取电网铁塔的主影像强度图；
步骤200、按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分；
步骤300、计算所述电网铁塔的后向散射系数和；
步骤400、根据所述后向散射系数和，提取所述主影像强度图中铁塔的主干部分；
步骤500、精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标；
步骤600、转化坐标至地心系坐标；
步骤700、根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标；
步骤800、根据所述最终坐标，计算铁塔偏移方向和偏移角度。
通过拍摄获取电网铁塔的主影像强度图，并且在主影像强度图上分割出铁塔部分，从而排除背景部分对后续计算的影响。为了提高计算的精确度，需要对铁塔部分依次进行主干部分坐标的提取和精提取，获得最终坐标，并且根据最终坐标计算出铁塔的偏移方向和偏移角度，实现对电网铁塔形变的准确计算。
请参阅图2，一种电网铁塔主影像强度图的获取方法的流程图。在本实施例中，所述获取电网铁塔的主影像强度图的具体步骤包括：
步骤101、随机选取两张电网铁塔在不同时相的二维SAR图像；
步骤102、通过干涉两张所述二维SAR图像，获得主影像强度图。
采用星载雷达Terra SAR-X高分辨率SAR影像作为二维SAR图像的获取源，采取随机选取的方式，避免选取偶然性，选取两张在不同时相下的二维SAR图像，并以此两张图像为基础，通过干涉，得到主影像强度图。
请参阅图3，一种分割出铁塔部分影像的方法的流程图。在本实施例中，所述按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分的具体步骤包括：
步骤201、按照所述分割阈值，划分所述主影像强度图；
步骤202、将所述主影像强度图的强度大于所述分割阈值的部分确定为铁塔部分，将所述主影像强度图的强度小于或者等于所述分割阈值的部分确定为背景部分。
通常一张主影像强度图中，会包含很多图像信息，例如电网铁塔的主体以及其周围的背景，和纸张上的像素噪声点等，可见，主影像强度图中既含有有用的图像信息，又含有干扰性的图像信息，如果想要提高后续计算的准确性与效率，就必须要剔除干扰性的图像信息。因此，需要通过分割的方法，划分出主影像强度图中属于铁塔的部分影像，剔除背景影像。
设定分割阈值，并根据分割阈值，分割主影像强度图。通过主影像强度图可知图上各点的强度，通过对比各点强度与分割阈值，确定强度大于分割阈值的点为铁塔部分中的点，从而分割出铁塔部分，而将强度小于分割阈值的点确定为背景部分中的点，从而去除背景部分以及一些明显的噪声干扰，提高后续计算准确性。
请参阅图4，一种确定分割阈值的方法的流程图。在本实施例中，按照下述步骤确定分割阈值：
步骤2011、求取所述主影像强度图各点的强度平均值；
步骤2012、标记主影像强度图中强度小于所述平均值的点为噪声点；
步骤2013、剔除全部所述噪声点，获得计算点；
步骤2014、求取全部所述计算点的强度平均值，并确定为分割阈值。
分割阈值需要根据每张主影像强度图所具有的不同强度值重新计算和确定，并根据公式(1)计算所述计算点的强度平均值，确定分割阈值，
Figure BDA0001812057990000071
其中，μ为分割阈值，N为计算点个数，f(xi，yi)为图像在(xi，yi)点处的后向散射系数值。
请参阅图5，一种计算电网铁塔后向散射系数和的方法的流程图。在本实施例中，所述计算所述电网铁塔的后向散射系数和的具体步骤为：
步骤301、获取所述电网铁塔的结构参数，所述结构参数至少包括：金属构成；
步骤302、根据所述结构参数，确定所述铁塔部分各不同金属部分的后向散射系数；
步骤303、计算全部金属的后向散射系数的和值。
电网铁塔由大量金属结构建成，具有很强的后向散射系数，而且每种金属都具有不同的后向散射系数，且均远远高于裸土和杂草等，因此，能够通过后向散射系数将电网铁塔与其他物质进行区分。
通过了解指定电网铁塔的结构参数，例如所述电网铁塔的金属构成，这样，根据所述电网铁塔的金属构成，能够获知每种金属构件所对应的后向散射系数，不仅能够得到电网铁塔后向散射系数的分布状况，还能够通过全部后向散射系数，计算后向散射系数和，作为电网铁塔的整体后向散射系数，以与背景物质分割，从而确定铁塔主干。
请参阅图6，一种电网铁塔主干坐标精提取方法的流程图。在本实施例中，所述精提取所述铁塔的主干部分，并在所述主影像强度图上输出铁塔主干像素点坐标的具体步骤包括：
步骤501、标记所述主干部分的像素点为第一颜色，并在所述主影像强度图上输出标记点坐标；
步骤502、根据预设模板，遍历所述标记点坐标；
步骤503、确定与所述预设模板匹配度符合预设匹配阈值的点为精提取点；
步骤504、标记所述精提取点为第二颜色，并在所述主影像强度图上输出所述精提取点坐标。
分割出的铁塔主干部分会存在一些误判的像素点，所以需要进一步精提取。将分割后得到的铁塔主干部分的像素点先标记为第一颜色以做区分。利用一个预设模板，例如3*3的模板对主干部分的全部标记点进行匹配和筛选，计算各标记点与模板的匹配度，如果匹配度符合预设匹配阈值，则将所述标记点最终确定为电网铁塔主干上的点，即为精提取点，一般提取出7个最有可能的点即可。将精提取点标记为第二颜色以做区别，且在主影像强度图上输出对应的坐标。
请参阅图7，一种转化坐标至地心系坐标的方法的流程图。在本实施例中，所述转化坐标至地心系坐标的步骤还包括：
步骤601、根据所需卫星在地心坐标系的12个位置矢量和速度矢量，拟合卫星轨道方程；
步骤602、建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系；
步骤603、根据所述函数关系，转化坐标至地心系坐标。
本实施例提供一种采用三次多项式拟合卫星轨道的方法，拟合卫星轨道方程，并通过建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系后，将坐标转化至地心系坐标。
具体地，所述根据所需卫星在地心坐标系的12个位置矢量和速度矢量，拟合卫星轨道方程的具体步骤为：
根据公式(2)(3)(4)拟合卫星轨道方程：
Figure BDA0001812057990000081
Figure BDA0001812057990000082
Figure BDA0001812057990000083
其中，Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，i为像素点在图像上的行数，PRF为脉冲重复频率，t为时间间隔，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3、c0、c1、c2、c3为需要求解的一组固定未知参数。
具体地，所述建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系的具体步骤为：
根据公式(5)确定距离方程：
F1＝(Xsf-Xgf)2+(Ysf-Ygf)2+(Zsf-Zgf)2-R2 (5)
其中，Xgf、Ygf、Zgf为地面点在地心坐标系下的位置矢量，R为斜距；
根据公式(6)确定多普勒方程：
Figure BDA0001812057990000091
其中，Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，λ为入射波波长，fDC为多普勒频率位移；
根据公式(7)确定地球椭球方程：
Figure BDA0001812057990000092
其中，N为地球椭圆长半轴，N·(1-e2)为地球椭圆短半轴，h为地面点高程，e为椭球第一偏心率。
可选地，所述根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标的具体步骤为：
根据所述距离方程、所述多普勒方程和所述地球椭球方程，计算所述铁塔主干像素点在地心坐标系中的位置，获得下式(8)：
Δx＝B-1·F(Xk) (8)
其中，Δx为改正量，
Figure BDA0001812057990000093
B为F(Xk)对Xgf、Ygf、Zgf求导所得值，根据公式(9)可得B值：
Figure BDA0001812057990000094
计算所述改正量的绝对值；
如果所述改正量的绝对值大于或者等于预设改正量阈值，则重新进行改正计算，直至所述改正量的绝对值小于所预设改正量阈值；
确定所述改正量的绝对值小于所述预设改正量阈值时所对应的Xk值为所述铁塔主干像素点的最终坐标。
具体地，如表1所示，为研究区域SAR数据的参数，最终地理编码结果将通过与ENVI对应像素点的坐标进行对比，如表2所示，ENVI中显示的结果是在WGS-84坐标系下的经纬度信息，为了方便对比计算，需要将经纬度坐标转换到地心系坐标，根据公式(10)转换，
Figure BDA0001812057990000095
其中，L为经度，B为维度，N为地球卯酉圈半径，H为地面点平均高程，e为椭球第一偏心率。
表1研究区域SAR数据的参数
Figure BDA0001812057990000101
表2像素点坐标
Figure BDA0001812057990000111
选取的三个标记点在主影像上坐标为(3524，2097)，(3565，2097)，(3599，2097)，对应的在ENVI中的经纬度坐标为(27.33258°N，103.05505°E)，(27.33264°N，103.06360°E)，(27.33266°N，103.07068°E)。经过转换到GEF坐标系与本文所示方法计算出的结果对比如下表所示。
最终计算出的角度为东偏北65.88°，67.20°，63.32°。可以看出铁塔确实存在东偏北大约为65°的偏移。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.基于Terra SAR-X高分辨率聚束模式数据电网铁塔倾斜的监测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取电网铁塔的主影像强度图；
按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分；
计算所述电网铁塔的后向散射系数和；
根据所述后向散射系数和，提取所述主影像强度图中铁塔的主干部分；
标记所述主干部分的像素点为第一颜色，并在所述主影像强度图上输出标记点坐标；
根据预设模板，遍历所述标记点坐标；
确定与所述预设模板匹配度符合预设匹配阈值的点为精提取点；
标记所述精提取点为第二颜色，并在所述主影像强度图上输出所述精提取点坐标；
根据所需卫星在地心坐标系的12个位置矢量和速度矢量，按下述公式拟合卫星轨道方程：
Figure FDA0003542037760000011
Figure FDA0003542037760000012
Figure FDA0003542037760000013
其中，Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，i为像素点在图像上的行数，PRF为脉冲重复频率，t为时间间隔，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2、b3、c0、c1、c2、c3为需要求解的一组固定未知参数，建立斜距影像坐标和地心系坐标之间的函数关系,根据下式确定距离方程：
F1＝(XsF-Xgf)2+(Ysf-Ygf)2+(Zsf-Zgf)2-R2
其中，Xgf、Ygf、Zgf为地面点在地心坐标系下的位置矢量，R为斜距，根据下式确定多普勒方程：
Figure FDA0003542037760000014
其中，Xsf、Ysf、XZf为卫星位置矢量，VXsf、VYsf、VZsf为卫星速度矢量，λ为入射波波长，fDC为多普勒频率位移，根据下式确定地球椭球方程：
Figure FDA0003542037760000015
其中，N为地球椭圆长半轴，N·(1-e2)为地球椭圆短半轴，h为地面点高程，根据所述函数关系，转化坐标至地心系坐标；
根据所述地心系坐标，计算所述铁塔主干像素点的最终坐标，如下：
根据所述距离方程、所述多普勒方程和所述地球椭球方程，计算所述铁塔主干像素点在地心坐标系中的位置，获得下式：
Δx＝B-1·F(Xk)
其中，Δx为改正量，
Figure FDA0003542037760000021
B为F(Xk)对Xgf、Ygf、Zgf求导所得值，根据下式可得B值：
Figure FDA0003542037760000022
计算所述改正量的绝对值，如果所述改正量的绝对值大于或者等于预设改正量阈值，则重新进行改正计算，直至所述改正量的绝对值小于所预设改正量阈值，确定所述改正量的绝对值小于所述预设改正量阈值时所对应的Xk值为所述铁塔主干像素点的最终坐标；
根据所述最终坐标，计算铁塔偏移方向和偏移角度。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述获取电网铁塔的主影像强度图的具体步骤包括：
随机选取两张电网铁塔在不同时相的二维SAR图像；
通过干涉两张所述二维SAR图像，获得主影像强度图。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述按照分割阈值，在所述主影像强度图上分割出铁塔部分的具体步骤包括：
按照所述分割阈值，划分所述主影像强度图；
将所述主影像强度图的强度大于所述分割阈值的部分确定为铁塔部分，将所述主影像强度图的强度小于或者等于所述分割阈值的部分确定为背景部分。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，按照下述步骤确定分割阈值：
求取所述主影像强度图各点的强度平均值；
标记主影像强度图中强度小于所述平均值的点为噪声点；
剔除全部所述噪声点，获得计算点；
求取全部所述计算点的强度平均值，并确定为分割阈值。
5.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述计算所述电网铁塔的后向散射系数和的具体步骤为：
获取所述电网铁塔的结构参数，所述结构参数至少包括：金属构成；
根据所述结构参数，确定所述铁塔部分各不同金属部分的后向散射系数；
计算全部金属的后向散射系数的和值。
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