高分辨率合成孔径雷达技术在特高压输电线路

2009特高压输电技术国际会议论文集 1高分辨率合成孔径雷达技术在特高压输电线路广域自然灾害监测中的应用研究胡毅，王力农，刘艳，胡建勋，刘凯，刘庭，肖宾摘要：本文针对特高压输电线路广域灾害遥感监测应用的现状和需求，研究高分辨率合成孔径雷达技术在特高压输电线路广域自然灾害监测中的应用。

首先，分析SAR成像的特点，并和光学成像对比，得出在灾害条件下应用SAR图像进行监测输电线路的可行性。

然后，研究高分辨率SAR图像中特高压铁塔的目标特性和目标识别技术，利用铁塔目标峰值特征对武汉特高压交流试验基地中的特高压铁塔进行识别。

试验结果表明，利用SAR目标识别技术对特高压输电铁塔的结构、受损情况进行识别的方法可行。

关键词：特高压输电线路；输电铁塔；合成孔径雷达；线路监测1 引言2009年1月6日，我国晋东南～南阳～荆门1000kV特高压交流示范工程正式投运，这是目前世界上电压等级最高、技术水平最高的输变电工程。

输电线路的安全可靠运行在很大程度上决定着整个特高压输电系统的稳定和安全[1]。

此外，我国是一个自然灾害多发国家，晋东南~南阳~荆门1000kV特高压交流试验示范工程穿越山西、河南和湖北3省，输电线路将处于各种灾害天气(风、雨、雪、雾、冰、地震等)的运行环境之下。

因此，为保障特高压输电线路的可靠运行，研究特高压输电线路广域自然灾害监测技术具有重要意义。

人工巡检、机器人巡线、直升机巡线、航空数字摄影巡线或各种在线监测装置都能从“点”或“线”的层面解决特高压输电线路环境监测和管理问题。

输电铁塔上安装各种在线传感器如气温、气压、压力和摄像头传感器等，通过各种通信方式直接将线路运行情况传送到监视中心。

这些监测方式的缺陷是受到天气条件的限制，在大范围冰灾和地震的环境下难以持续工作。

光学遥感、多光谱遥感、雷达遥感已广泛用于输电线路选线的前期勘察和施工作业[2]-[4]，主要是通过不同分辨率(15米、5米、2.5米)、不同传感器(光学、多光谱、红外、激光扫描等)得出输电线路走廊范围的地质结构图、地形图等。

在电力系统的输电线路GIS运行管理系统中，航空摄影测量技术和光学卫星图像也得到了广泛应用。

合成孔径雷达(SAR)是一种利用微波进行感知的主动传感器，和光学、红外等其它传感器相比，SAR成像不受云雾、雨雪、太阳光照条件等限制，可对感兴趣的目标进行全天候、全天时的监测，在冰雪灾害，地震灾害、洪水灾害等大范围自然灾害条件下有特殊的优越性。

SAR卫星是侧视成像，可以完全展现输电铁塔的姿态，而光学卫星是星下点成像，不能利用单幅影像判别铁塔的姿态和状态。

本文针对特高压输电线路广域灾害遥感监测应用的现状和需求，研究利用高分辨率SAR技术对特高压输电线路进行广域自然灾害监测的可行性，融合特高压输电线路的GIS数据，在冰雪、地震、洪涝等突发性灾害条件下，准实时遥感监测特高压输电铁塔以及线路周边的受损状况，为灾后重建和灾前预警提供准确的卫星遥感信息。

本文第二部分陈述国内外研究现状，第三部分为高分辨率SAR影像中特高压输电铁塔目标特性分析，第四部分为特高压输电铁塔目标识别，第五部分为结束语。

2 国内外研究现状由于高分辨率卫星影像包含丰富的地理信息, 具有数据新、更新快、覆盖范围广等特点，现已在输电线路工程选线中得到了一定程度的应用。

在660kV宁东~山东输电线路工程中,采用215m的P5全色卫星影像数据和数字高程模型(DEM)，建立了高分辨率卫片三维选线平台，辅助设计人员进行了输电线路的前期规划选线工作, 取得了很好的应用效果[2]。

山东电力工程咨询院2005年6月利用法国的SPOT 卫星影像和美国的TM卫星影像对500kV 送电工程(滕州~临沂~日照~黄岛，全长约380km ,由聊城~长清~济南组成) 进行了勘测设计工作[3]。

三峡水利水电枢纽在右岸计划建设右一电站、右二2 高分辨率合成孔径雷达技术在特高压输电线路广域自然灾害监测中的应用研究电站, 共规划500kV送电线路7回。

规划出线回路多，走廊拥挤, 出线困难。

出线地区多为山地, 山高沟深, 多悬崖峭壁, 交通闭塞，野外勘测工作难度很大。

为此利用了IKONOS数据为1m分辨率的自然彩色影像(红绿蓝3波段融合文件)来进行了优化勘测[4]。

光学卫星影像对气象条件及光照情况要求严格，在多云和有雾的情况下，影像质量不能得到保证，在灾害性天气条件下无法进行实时监测和预警。

而雷达遥感技术能克服以上缺陷、弥补其不足，在高分辨率雷达影像中识别高压输电铁塔目标的研究中，中科院遥感应用研究所有较早的发现与报告：廖静娟[5]从2003年淮河洪水淹没区的机载SAR 图像中清晰分辨了输电铁塔的目标与走向；朱俊杰[6]对比了北京北五环上青桥附近的SAR图像和快鸟(Quickbird)图像，在两幅影像中都清晰辨别了立交桥旁边的铁塔，快鸟影像中得到的是铁塔太阳阴影，而SAR图像中得到的是铁塔的雷达侧视成像回波信号。

武汉大学的杨文等[7]依据高分辨率极化SAR图像建立了自动的输电铁塔识别模型，准确的提取了农田中的输电线路。

高分辨率SAR图像能够识别地物目标的组织结构等多方面的信息，地物在图像上不再是多目标的电磁波反映，而更体现了地物的结构组织信息。

如何利用这些信息来分析特高压输电铁塔及线路在灾害条件下的安全状态(毁损、覆冰等)，目前还没有相关的研究报道。

3 特高压输电铁塔目标特性分析本文采用的SAR数据为VV极化聚束式Terra SAR-X卫星影像，分辨率为1m。

3.1 SAR图像的基本特性SAR成像系统和其它成像系统特别是和光学成像系统相比，生成的二维图像具有很多明显的差异。

SAR图像主要反映了目标的两类特性:电磁散射特性和结构特性。

其目标特性在很大程度上依赖于雷达系统参数和地域参数，如：工作波长、电波入射角、入射角的极化方向、地域表面粗糙度、地域目标的集合形状和走向、地域材料的复介电常数等。

与光学图像相比，SAR图像视觉可读性较差，并且受到相干斑噪声及阴影、叠掩、透视收缩等几何形变的影响，使得SAR图像信息处理更加困难。

因此，需要根据SAR成像特点来研究地物目标的成像特性。

图1是武汉特高压交流试验基地的高分辨率光学与雷达影像对比。

光学影像中，特高压交流试验基地尚未完全建成，其东北角的一座铁塔已经树立起来；雷达影像是2008年5月拍摄，此时所有基地设施已完工。

光学影像是星下点成像，影像中铁塔的阴影清晰可见，但是当其阴影的背景为水面或者植被时，由于影像反差太小，影子很难被辨认出来。

雷达为侧视成像，获得铁塔在雷达视角上的投影。

雷达影像与光学影像相反，在有植被和水面的地区，影像反差变大，易于识别，这使得我们在监测位于山区高植被地区的特高压输电铁塔称为可能。

图1铁塔光学影像与雷达影像对比3.2 SAR图像中1000kV铁塔的目标特性分析武汉特高压交流试验基地中有1000kV铁塔8基，其中单回4基，双回4基，本文针对该地区的米级分辨率SAR图像，研究特高压铁塔的目标特征。

特高压输电铁塔结构为角钢和构件组成的网状体，塔身和横担的材料都为金属，这种特征使得特高压铁塔在SAR图像中有很强的后向散射特性，如图2所示。

由于铁塔的横担为南北方向，与SAR 平台飞行方向一致，使得铁塔目标的结构在图像上非常清晰，尤其是横担部分亮度极高。

总体而言，铁塔横担的亮度高于铁塔主体结构的亮度，其原因在于横担的结构较为密集，雷达有效反射截面远大于铁塔主干的反射面积。

在高分辨率SAR图像上特高压输电铁塔以结构信息表现，而不再是点目标形式，因此，通过其几何形状结构、空间拓扑关系、纹理特征等信息的提取来分析其毁损状态具有可行性。

1000kV铁塔SAR图像参见图2，其中有几基塔的投影与其它的塔或者试验基地中的架构重合，2009特高压输电技术国际会议论文集 3因此难以将其SAR 图像结构分离出来，这也增加了在复杂背景下铁塔目标特征提取与目标识别的难度。

1000kV 铁塔照片参见图3。

图2 武汉特高压交流试验基地1000kV 铁塔(1米分辨率雷达图像)图3 武汉特高压交流试验基地1000kV 铁塔(照片，对应图2 SAR 图像)4 高分辨率SAR 影像中1000kV 铁塔目标识别基于实地测量和施工建设图纸所提供的1000kV 特高压输电铁塔坐标、朝向和结构等信息，建立了铁塔识别的初步模型，并利用该模型对1m 分辨率TerraSAR 卫星影像中的铁塔目标进行了提取和识别。

首先对输入的大幅SAR 图像依据铁塔目标的尺寸设置检测窗口的大小，利用恒虚警率(CFAR)方法检测得到所有潜在目标区域，然后提取目标的峰值特征进行识别。

CFAR 检测后图像中比较亮的像素不仅包括目标像素，还包括杂波像素。

一般而言，SAR 图像上目标区域的峰值总要比杂波区域的峰值稠密，因此，可通过基于峰值密度的门限检测方法来去除来自杂波区域的峰值[8]。

图4是1000kV 双回线性塔峰值提取结果，图5是1000kV 单回猫头塔的峰值提取结果。

由图可见，所提取的峰值精确地对应于目标区域的局部亮点，且其空间分布与目标的轮廓相符。

铁塔的塔基和横担被清晰提取出来，表明通过该方法识别该类型铁塔严重受损情况的技术方案可行。

图4 1000kV 双回线性塔目标提取结果图5 1000kV 单回猫头塔目标提取结果5 结束语本文利用1m 分辨率TerraSAR-X 雷达影像研究特高压输电铁塔的雷达散射特性和网状铁塔结构的成像特点，在高分辨率雷达影像中进行铁塔目标检测和识别。

试验结果证明，利用SAR 目标识别技术对特高压输电铁塔的结构、受损情况进行识别的方法可行，为电网广域自然灾害监测提供了新的技术方案。

参考文献[1] 王晓希. 特高压输电线路状态监测技术的应用[J]. 电网技术, 2007,31(22): 7-11.[2] 闰平, 熊晓光, 蒋荣安, 郑小兵, 钱卫兵. 应用高分辨率卫片三维选线平台进行规划选线[J]. 电力勘测设计, 2008, 4: 58-61.[3] 刘瑾瑜. 卫星遥感影像在高压送电线路工程中的应用[J]. 山东电力技术, 2007, 5: 30-32.[4] 万明忠, 任艳丽. 高分辨率卫星影像在电网勘测工程中的应用[J].电力勘测设计, 2004, 4: 32-36.[5] Jingjuan Liao, Yun Shao, Shixin Wang. Monitoring for 2003 Huai Riverflood in China using multisource SAR data[C]. Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2004. vol.4: 2260 - 2263.[6] 朱俊杰. 高分辨率光学和SAR 遥感数据融合及典型目标提取方法研究. 博士论文, 北京: 中国科学院遥感应用研究所, 2005.[7] Wen Yang, Haijian Zhang, Jiayu Chen, Hong Sun. Automatic Detectionof Power Transmission Series in Full Polarimetric SAR Imagery[C]. Radar Conference, 2007 IEEE, 2007: 789-793.[8] 计科峰，高贵，匡纲要. 一种子像素精度SAR 图像目标峰值提取方法[J]. 计算机仿真, 2004, 21(9): 63-66.[9] Novak LM, Dudgeon DE, Irving I, et al. Performance of aHigh-resolution Polarimetric SAR Automatic Target Recognition System[J]. The Lincoln Laboratory Journal, 1993, 6(1): 11-24.。