CN109405809B - 一种变电站洪水水深检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电站洪水水深检测方法与系统，包括：在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔，基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射，基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量，基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深。本发明涉及变电站洪水水深检测方法与系统，可以更加精确的计算洪水的水深，以快速在洪涝过程中或灾后对变电站或输电铁塔等重要电力设施的受灾情况进行定性定量的统计分析。

Description

一种变电站洪水水深检测方法与系统

技术领域

本发明属于理论技术方法，涉及一种变电站洪水水深检测方法与系统。

背景技术

洪涝，指因大雨、暴雨或持续降雨使低洼地区淹没、渍水的现象。洪涝的影响是综合的，会危害农作物生长，造成作物减产或绝收，危及人的生命财产安全，破坏电力设施正常运行，影响国家的长治久安等。

目前，现有研究对洪水覆盖范围提取常利用简单的阈值分割和基于数字高程模型(DEM)的SAR数据仿真模拟实现。简单的阈值分割方法无法区分水体和阴影，造成较大的虚警率。基于数字高程模型(DEM)的SAR数据仿真模拟得到的水体监测精度相对较高，但是计算复杂。

此外，现有洪水水深反演研究主要基于数字高程模型(DEM)进行估算，反演精度较低。

发明内容

为了解决上述传统洪水水深反演基于数字高程模型进行计算，反演精度低的问题，本发明具体涉及一种变电站洪水水深检测方法，所述方法包括：

在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深。

优选的，所述洪水覆盖范围的确定，包括：

采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围。

优选的，所述采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围包括：

基于后向散射系数平均值和后向散射系数的标准差确定第一次水体范围识别的第一阈值和第二阈值；

当地域区域的后向散射系数大于第一阈值小于第二阈值时，后向散射系数对应区域为第一水体范围，反之为非水体范围。

优选的，所述采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围包括：

当第一水体范围中的像元个数大于第三阈值时，则像元个数对应区域为第二水体范围，反之，为非水体范围。

优选的，所述采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，，确定洪水覆盖范围包括：

当新型雷达水体指数小于预设的第四阈值时，则新型雷达水体指数对应的区域为洪水覆盖范围，反之为非水体范围。

优选的，所述基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射，包括：

基于先验知识，判断ks的值；

当ks<<1时，利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

当ks>>1时，利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

其中，k表示SAR影像的波数；s表示水面的标准根高度。

优选的，所述利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的计算式如下所示：

式中，f(p)表示变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；S_pq表示p和q极化方式下的散射矩阵元素；p表示接收波的极化方式；q表示入射波的极化方式；θ表示入射角；

表示方位角；m为一个常数，构成公式中从1到无穷大的积分，l表示变电站周长。

优选的，所述利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的公式如下所示：

优选的，所述基于所述二次散射分量和所述二次散射，求解变电站洪水水深包括：

基于所述变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射和所述输电铁塔和变电站的二次散射分量构建洪水水深方程；

对所述构建的洪水水深方程进行求解，获得洪水水深；

其中，所述输电铁塔包括第一输电铁塔和第二输电铁塔。

优选的，所述构建的洪水水深方程如下所示：

式中，σ_A表示第一输电铁塔的二次散射分量；σ_B表示第二输电铁塔的二次散射分量；σ_C表示变电站墙体的二次散射分量；c是乘性辐射定标系数和；d是加性辐射定标系数；hw表示洪水水深；hA表示第一输电塔高度；hB表示第二输电铁塔高度；hC表示变电站墙体高度；f(p_A)表示第一输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_B)表示第二输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_C)表示变电站和水体之间的二次散射。

优选的，所述洪水水深如下所示：

一种变电站洪水水深检测系统，包括：

选取被测目标模块：用于在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

获取二次散射模块：用于基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

获取二次散射分量模块：用于基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

求解洪水水深模块：用于基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深。

优选的，所述选取被测目标模块包括第一水体范围确定单元、第二水体范围确定单元、洪水覆盖范围确定单元；

所述第一水体范围确定单元用于采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

所述第二水体范围确定单元用于采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

所述洪水覆盖范围确定单元用于采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围。

与最近的现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

1、本发明为一种变电站洪水水深检测方法与系统，在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔，基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射，基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量，基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深，可以更加精确的计算洪水的水深，以快速在洪涝过程中或灾后对变电站或输电铁塔等重要电力设施的受灾情况进行定性定量的统计分析；

2、本发明为一种变电站洪水水深检测方法与系统，更加于区域尺度上的洪涝灾情监测，进而为电力设施安全运行、灾情评估以及应急救援规划等提供基础的数据支撑和辅助决策依据。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的定量信息及二次散射示例；

图3本发明的洪水覆盖范围监测结果示例；

图4本发明的洪水水深反演示例。

具体实施例

下面结合具体的实施例，对本发明的权利要求做出更加详细的解释：

实施例1

如图1所示为本发明的一种变电站洪水水深检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

步骤2：基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

步骤3：基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

步骤4：基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深。

下面结合具体的实施例对本发明的发明步骤做进一步的解释说明：

对步骤1中洪水范围确定的解释说明：

洪水覆盖范围监测技术

洪水覆盖范围监测是水深定量反演的基础。因此，本专利首先围绕洪水覆盖范围监测进行研究。与现有研究中简单使用阈值分割的方法不同，本专利结合阈值分割和最小范围约束，针对水体与阴影的混淆进行的改进，提取了水体的大致范围。在此基础上，提出了一种新型雷达植被指数用于水体提取，精确提取洪水覆盖范围。下面对本专利洪水覆盖范围监测技术的三个主要步骤进行说明：

①选取10-20个不同区域的水体样本，统计分析水体后向散射系数的平均值σ_avg，同时计算对应的标准差ω。然后，确定水体识别的阈值标准：

σ_L＝σ_avg–ω

σ_H＝σ_avg+ω

当影像上后向散射系数σ满足σ_L<σ<σ_H时，则认为对应像元疑似水体。

②基于第①步阈值分割方法得到的水体范围往往与阴影等地物混淆，存在较高的虚警率，因此本专利使用最小范围约束的方法对水体范围进一步筛选。通过选择10-20个不同区域、大小和形状的阴影区域，对这些阴影区域的像元个数(population value,p.v.)进行统计，选择这些阴影区域像元个数的中位数N_med作为标准。

p.v.＝S/(Δx²)

N_med＝median(p.v.)

其中，median()表示中位数选择操作。

当第一步中的疑似水体区域像元数N>N_med时，则对应区域疑似水体；反之，筛除为非水体。

③即便通过第②步筛查，依然会存在一些大面积山体阴影与水体混淆，造成虚警。为此，本专利基于全极化SAR影像，提出新型雷达水体指数(RWI)进一步筛选水体范围：

RWI＝σ_HH/(σ_HH+σ_VV+2σ_HV)

当RWI小于特定阈值(如0.3)时，则认为对应区域为水体；反之，筛除为非水体；

通过上述三个主要步骤，完成对洪水覆盖范围的精准监测。

对步骤1中被测变电站选取的解释说明：

选择感兴趣目标，在得到洪水覆盖范围的基础上，从中选择感兴趣的变电站目标，以及变电站附近的两个不同型号和呼高的输电铁塔(附图1)。其中，本专利方法提出两个前提假设：

I.由于选择的输电铁塔和变电站相距较近，两个输电铁塔和变电站的地表高程大致相同。因此假设输电铁塔和变电站处于同一海拔高程上；

II.由于水体的复介电常数较高，为简便建模，不考虑电磁波进入水体后经过多次散射从水底透出的后向散射能量；

对步骤2的解释说明：

根据台账信息，可以得到输电铁塔和变电站墙体高度分别为h_A,h_B和h_C，并获取变电站周长l。同时，可以获取输电铁塔使用材料和变电站墙体材料，进而判断得到输电铁塔和变电站墙体的复介电常数分别为ξ_T和ξ_B。此外，根据SAR影像的中心波长λ，计算SAR影像的波数k(k＝2π/λ)。根据SAR影像头文件信息和变电站及输电铁塔的位置，获取输电铁塔和变电站的方位角分别为

和

以及输电铁塔和变电站对应的入射角θ_A,θ_B和θ_C。此外，根据观测时间的风速条件和地形条件，设定洪水水面的复介电常数ξw，标准根高度s和水面的标准长度L。

二次散射建模

基于第2步结果，计算ks的结果。如果ks<<1，那么利用几何光学模型求解墙面散射并利用物理光学模型刻画水体散射，组合刻画变电站(或输电铁塔)和水体之间的二次散射，即几何光学-物理光学模型(GO-PO)，公式如下所示。

如果ks>>1，那么利用几何光学模型求解墙面散射和水体散射，组合刻画变电站(或输电铁塔)和水体之间的二次散射，即几何光学-几何光学模型(GO-GO)，公式如下所示。

其中，S_pq是p和q极化方式下的散射矩阵元素，由SAR影像计算得到。本专利中，使用的是HH极化，因此S_pq为S_HH。

对步骤3的解释说明：

SAR影像上地物目标二次散射系数提取

通过对全极化SAR数据进行Yamaguchi极化分解，提取输电铁塔和变电站墙体对应的二次散射分量，即σ_A,σ_B和σ_C。

对步骤4的解释说明：

水深反演方程构建

基于第③-④步结果，可以对输电铁塔和变电站分别建立方程如下：

上式3个方程中有3个未知数，即h_w,c和d。其中，c和d分别是乘性和加性辐射定标系数。

通过对上式求解，可得到方程的解如下：

其中，h_w为所求洪水水深。

实施例2

第一输电塔高度h_A、第二输电铁塔高度h_B、变电站墙体高度h_C、变电站周长l、输电铁塔的材料及复介常数ξ_T、变电站墙体的材料及复介电常数ξ_B、SAR影像的波数k、第一输电铁塔方位角

第二输电铁塔方位角

变电站的方位角

第一输电铁塔入射角θ_A、第二输电铁塔入射角θ_B、变电站入射角θ_C、洪水水面的复介电常数ξw、水面的标准根高度s和水面的标准长度L。

如图2示，本专利方法中需要选择变电站及附近的两个不同呼高的输电铁塔作为方程搭建基本要素。h_A、h_B和h_C分别为两个输电铁塔和变电站外墙的高度。h_w为洪水水深。此外，该图中表达了本专利方法的两个前提假设：

I.由于选择的输电铁塔和变电站相距较近，两个输电铁塔和变电站的地表高程大致相同。因此假设输电铁塔和变电站处于同一海拔高程(即假设小范围内地面是平的)；

II.由于水体的复介电常数较高，为方便建模计算，不考虑电磁波进入水体后经过多次散射从水底透出的后向散射能量。

(1)洪水覆盖范围监测实例

湖南船古线等多条输电线路的洪水覆盖范围监测，取得良好的监测结果，如下图3示；

在图3蓝色部分为洪涝前基于光学影像提取的水体范围，绿色部分为洪涝之后基于全极化SAR提取的水体范围，红色十字叉点为输电杆塔。由于洪涝前光学遥感影像范围较小，洪涝后SAR影像范围较大，因此SAR影像的上下部分没有洪涝前后结果对比。从该图不难看出，绿色部分洪水覆盖范围提取精确，与山体阴影混淆较少，虚警率较低。

(2)洪水水深反演实例

以湖南船古线输电线路的部分区域为例，对该区域洪水水深进行了定量反演，如图4。

实施例3

本发明还涉及一种变电站洪水水深检测系统，包括：

选取被测目标模块：用于在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

获取二次散射模块：用于基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

获取二次散射分量模块：用于基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

求解洪水水深模块：用于基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深。

所述选取被测目标模块包括第一水体范围确定单元、第二水体范围确定单元、洪水覆盖范围确定单元；

所述第一水体范围确定单元用于采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

所述第二水体范围确定单元用于采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

所述洪水覆盖范围确定单元用于采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种变电站洪水水深检测方法，其特征在于，所述方法包括：

在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深；

所述洪水覆盖范围的确定，包括：

采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围；

所述基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射，包括：

基于先验知识，判断ks的值；

当ks<<1时，利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

当ks>>1时，利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

其中，k表示SAR影像的波数；s表示水面的标准根高度；

所述利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的计算式如下所示：

式中，f(p)表示变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；S_pq表示p和q极化方式下的散射矩阵元素；p表示接收波的极化方式；q表示入射波的极化方式；θ表示入射角；

表示方位角；m为一个常数，构成公式中从1到无穷大的积分，

表示变电站周长；L表示水面的标准长度；

所述利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的公式如下所示：

所述基于所述二次散射分量和所述二次散射，求解变电站洪水水深包括：

基于所述变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射和所述输电铁塔和变电站的二次散射分量构建洪水水深方程；

对所述构建的洪水水深方程进行求解，获得洪水水深；

其中，所述输电铁塔包括第一输电铁塔和第二输电铁塔；

所述构建的洪水水深方程如下所示：

式中，σ_A表示第一输电铁塔的二次散射分量；σ_B表示第二输电铁塔的二次散射分量；σ_C表示变电站墙体的二次散射分量；c是乘性辐射定标系数；d是加性辐射定标系数；h_w表示洪水水深；h_A表示第一输电塔高度；h_B表示第二输电铁塔高度；h_C表示变电站墙体高度；f(p_A)表示第一输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_B)表示第二输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_C)表示变电站和水体之间的二次散射。

2.如权利要求1所述的一种变电站洪水水深检测方法，其特征在于，所述采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围包括：

基于后向散射系数平均值和后向散射系数的标准差确定第一次水体范围识别的第一阈值和第二阈值；

当地域区域的后向散射系数大于第一阈值小于第二阈值时，后向散射系数对应区域为第一水体范围，反之为非水体范围。

3.如权利要求1所述的一种变电站洪水水深检测方法，其特征在于，所述采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围包括：

当第一水体范围中的像元个数大于第三阈值时，则像元个数对应区域为第二水体范围，反之，为非水体范围。

4.如权利要求1所述的一种变电站洪水水深检测方法，其特征在于，所述采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围包括：

当新型雷达水体指数小于预设的第四阈值时，则新型雷达水体指数对应的区域为洪水覆盖范围，反之为非水体范围。

5.如权利要求1所述的一种变电站洪水水深检测方法，其特征在于，所述洪水水深如下所示：

6.一种变电站洪水水深检测系统，其特征在于，包括：

选取被测目标模块：用于在预先确定的洪水覆盖范围内选择被测变电站，以及所述变电站附近的输电铁塔；

获取二次散射模块：用于基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射；

获取二次散射分量模块：用于基于全极化合成孔径雷达数据进行极化分解，获得输电铁塔和变电站的二次散射分量；

求解洪水水深模块：用于基于所述二次散射和二次散射分量，求解变电站洪水水深；

所述洪水覆盖范围的确定，包括：

采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围；

所述基于先验知识得到所述变电站和水体之间以及所述输电铁塔和水体之间的二次散射，包括：

基于先验知识，判断ks的值；

当ks<<1时，利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

当ks>>1时，利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；

其中，k表示SAR影像的波数；s表示水面的标准根高度；

所述利用几何光学-物理光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的计算式如下所示：

式中，f(p)表示变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射；S_pq表示p和q极化方式下的散射矩阵元素；p表示接收波的极化方式；q表示入射波的极化方式；θ表示入射角；

表示方位角；m为一个常数，构成公式中从1到无穷大的积分，

表示变电站周长；L表示水面的标准长度；

所述利用几何光学-几何光学模型计算变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射的公式如下所示：

所述基于所述二次散射分量和所述二次散射，求解变电站洪水水深包括：

基于所述变电站或输电铁塔和水体之间的二次散射和所述输电铁塔和变电站的二次散射分量构建洪水水深方程；

对所述构建的洪水水深方程进行求解，获得洪水水深；

其中，所述输电铁塔包括第一输电铁塔和第二输电铁塔；

所述构建的洪水水深方程如下所示：

式中，σ_A表示第一输电铁塔的二次散射分量；σ_B表示第二输电铁塔的二次散射分量；σ_C表示变电站墙体的二次散射分量；c是乘性辐射定标系数；d是加性辐射定标系数；h_w表示洪水水深；h_A表示第一输电塔高度；h_B表示第二输电铁塔高度；h_C表示变电站墙体高度；f(p_A)表示第一输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_B)表示第二输电铁塔和水体之间的二次散射；f(p_C)表示变电站和水体之间的二次散射。

7.如权利要求6所述的一种变电站洪水水深检测系统，其特征在于，所述选取被测目标模块包括第一水体范围确定单元、第二水体范围确定单元、洪水覆盖范围确定单元；

所述第一水体范围确定单元用于采用阈值分割法，对地域进行识别，确定第一水体范围；

所述第二水体范围确定单元用于采用最小范围约束法，基于所述第一水体范围，确定第二水体范围；

所述洪水覆盖范围确定单元用于采用新型雷达水体指数，基于所述第二水体范围，确定洪水覆盖范围。

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