衛星遙感技術在輸電線路運維管理中的應用

文/岳靈平 金子祿 李峰 趙文彬

近十年來全球空間對地觀測技術的發展和應用已經表明，衛星遙感技術是一項應用廣泛的高科技，是衡量國家科技發展水平的重要尺度。

隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，我國面臨著越來越嚴峻的氣候災害的威脅。輸電線路是電氣設施中最重要的基礎設施之一，其運行狀態決定著整個電網的穩定和安全。發生在氣象災害時，受交通條件限制，人工巡視的效率低、風險大，難于反映整體情況，特別是在山區、河網等交通不便的地區，自然災害發生時人工巡視將更為困難。現在不論是西方發達國家還是亞太地區的發展中國家，都十分重視發展衛星遙感技術，寄希望于這項技術能夠給國家經濟建設的飛躍提供強大的推動力和可靠的戰略決策依據。這種希望給衛星遙感技術的發展帶來新的機遇。面對這種形勢，我國衛星遙感技術如何發展，如何使衛星遙感技術真正成為實用化、產業化的技術，直接為國民經濟建設當好先行，是當前業界人士關注的熱門焦點。

在此背景下，本文主要分析衛星遙感技術對電力設備災害進行預警和實況應用，利用圖像處理技術中常用的霍夫變換(Hough Transform)從衛星影像上提取出輸電線路的數值對象，驗證了實時差分動態技術在輸電線路測量方面的應用。為衛星遙感技術在輸電線路運維方面的應用提供了重要數據。

1 衛星的定位技術原理及監測技術

1.1 衛星的定位技術原理

圖1：基于GPS的定位技術原理

圖2：基于RTK技術測量高層建筑物風振的實例

圖3：鐵塔覆冰衛星識別試驗情況現場布置

目前能夠利用衛星系統在全球范圍內實現定位的國家有美國、俄羅斯和中國，其中美國全球衛星定位系統稱為GPS（Global Positioning System）、俄羅斯全球衛星導航系 統稱為 GLONASS（Глобальная навигационная спу -тниковая система-），中國的北斗衛星導航系統稱為BDS（BeiDou Navigation Satellite System）。雖然各國在衛星應答和信號方面采用了不同的技術，但衛星定位的原理是相似。即，利用高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置，如圖1所示。

其中，所謂的空間距離后交會方法為通過衛星發射信號和接收機接收到信號時刻的差值來測量衛星與接收機間距離的方法。衛星不斷向地面廣播自己的位置和時間，地面接收機收到衛星的信號后就可以通過自身的時鐘得到衛星發出信號傳遞到本接收機的時間差。電磁波信號傳播速度為光速，可以得到距離R1、R2、R3、R4，再求解位置表達式的方程組，可得到自身的位置，基本原理，如式（1）所示。

由于衛星不斷的向地面廣播自己的位置，理論上地面接收機收到3個衛星位置時，x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3都成為已知數據，同時R1、R2、R3也是已知，即可求得接收機坐標（x，y，z）。

衛星發射的電磁波信號傳播過程中，會受到大氣電離層和對流層的折射而造成延遲，使傳播速度不可能一直等于光速，這種誤差將會造成衛星與接收機間距離測量的誤差，所以通常將直接通過時間差測量到的距離稱為“偽距”。因此實際應用中，一般用式（2）所示的形式確定接收機的位置。

其中，Ri為測量的偽距，為第i顆衛星的電離層延時誤差，為第i顆衛星的對流層延時誤差，c為光速，為第i顆衛星的改正值。

在日常的車船GPS導航活動中，為了求取準確的R，往往需要至少4顆衛星的數據，才能求取較為準確接收機坐標，而且搜到的衛星越多，定位結果越精確。一般GPS單接收站定位的精確程度在100m左右。

1.2 差分定位的測繪和監測技術

根據衛星定位的基本原理，可以想象如果對距離較近的兩個接收站的來自同一的衛星信息進行差分，就能夠在較大的程度上消除共性的延遲和誤差，從而提高位移的測量精度，這種測量方法稱為差分定位。

基于衛星的高精度測繪領域，往往采用實時差分動態（Real Time Kinematic——RTK）測量系統。RTK是GPS測量技術發展中的一個新的突破，其構成的測量系統能夠達到毫米級的測量精度，被廣泛應用在大壩、橋梁、高層建筑物的動態測量中，圖2為某研究機構對高層建筑進行測量的情況。

衛星的應用已經逐步深入到工業生產和工程建設的各個領域，基于衛星影像和差分測量技術開展輸電線路狀態管理方面的應用，是比較適宜的發展方向。

2 基于衛星影像的災害預警和分析

運用衛星影像技術對輸電線路災害進行預警和實況分析，有利于從全局上把握方向，是檢修、運維的策略制定的重要支持。

根據國網電科院2008年開展的設備覆冰試驗，鐵塔覆冰后其SAR影像并無明顯差距，試驗布置如圖3所示。

圖3中三個橫擔的覆冰厚度分別為10cm、4cm和無覆冰，衛星對放置橫擔前后場地分別進行了拍照，對前后兩幅圖片的亮度進行了歸一化差值后的照片，如圖4所示。

經過分析后，衛星對覆冰厚度的識別較難，但證明了鐵塔被冰雪覆蓋后雷達發射特性基本不變，這需要對覆冰災害預警更高的分辨率影像技術。圖5所示為2008年冰災時的我國南方地區的衛星影像和2013年3月時英國遭受冰雪災害時的衛星影像。

3 基于衛星影像技術監測輸電線路

圖4：衛星拍攝的SAR圖像

圖5：2008年中國南方和2013年英國冰災時期的衛星影像

圖6：灃河跨越的輸電線路

從上述內容可知基于衛星影像進行線路運維是可行，但在實踐中發現，由于采用高分辨率的衛星影像，造成單幅圖像覆蓋的線路通道較少，線路圖幅數量較多，數據量十分龐大，數據處理工作繁重。雖然關鍵信息的特征十分清楚，但僅僅依賴人工處理工作量大很難完成。因此，需要結合輸電線路的特點開展針對衛星影像的計算機圖像分析和識別技術研究。

為了驗證圖像處理技術的可行性，本文對Google地圖上采集的影像進行識別處理。例如，通過Google地圖采集到的西安市郊跨越灃河的某桿塔，如圖6所示。

為提取輸電線路的特征，常用的算法為霍夫變換，此算法是圖像處理中的一種特征提取技術。它通過一種投票算法檢測具有特定形狀的物體。通過霍夫變換法對圖6進行處理的結果，如圖7所示。

圖7中，經過5個步驟提取了輸電線路的特征。第一步，利用Matlab將衛星影像讀入空間（圖7（a）），再轉換為灰度圖像（圖7（b））；第二步，采用‘roberts’方法，在灰度圖像上進行輪廓提取（圖7（c））；第三步，提取邊界的圖像進行霍夫變換（圖7（d））；第四步，在霍夫變換的結果中抽取平行線對象（圖7（e））；最后將符合條件的點抽取出并標識出來（圖7（f））。

圖7：利用霍夫變換提取導線特征的驗證結果

圖8：差分GPS現場測量裝置示意圖

4 大跨越桿塔風振幅度的監測技術及實測

本文開展基于RTK技術的相對位移測量試驗。試驗分為兩個部分，一個部分是對測量系統進行驗證，另一部分是對位于南京三江大跨越進行實測，試驗采用設備配置情況，如圖8所示。

為了測試差分GPS測量裝置，在開闊地區移動站的移動距離1m時的測試結果，如圖9所示。試驗結果表明，移動站在南北方向移動了935mm，在東西方向移動量277mm，位移為975mm，與實際移動相差25mm，可見系統的測量精度完全可以滿足大跨越鐵塔搖擺幅度的測量。

為進一步驗證差分GPS對輸電線路進行測量的可行性，對南京三江大跨進行實測，三江大跨的現場照片，如圖10所示。

圖9：差分GPS設備的功能試驗

三江口長江大跨越，跨越塔呼高215m，鐵塔全高251m，根開49.6m。全塔由鋼管相互連接組成空間桁架結構。測試時將流動站部署在第一橫擔處，將基準站部署在江邊的空地上，測試持續了30分鐘，同時測量了塔頂的風速，測試結果如圖11所示。

圖11中可看出，大部分情況下215m處的搖擺幅度都不會超過0.6m，說明此時間段搖擺幅度較小。其中部分數據超過1.8m，經核實這些數據的產生原因為衛星通信不穩定造成的。

在所有數據中，抽取通信質量較好的一部分數據，當時系統標志表明系統工作在RTK差分模式，數據記錄如圖12所示。

可以看出存在一個幅值大約2cm左右的一個周期性振動模態，振動頻率約0.3Hz，這一測試結果與大跨越其他一些研究成果比較吻合；另外在34s左右時鐵塔頂部出現了一次較大搖擺，幅度達到了0.2m，后經對照風速記錄儀在12:34到12:35之間（即本次數據的1分鐘內）記錄到本次測量的最大風速約7m/s。

5 結論

圖10：南京三江大跨越全景

本文分析了衛星遙感技術在輸電線路的災害預警及監測方面的應用，得到如下結論：

（1）運用衛星影像技術對輸電線路災害進行預警和實況分析，有效縮短災害的預判時間，能夠為防止線路跳閘贏得時間，是制定輸電線路的檢修、運維策略的重要預警技術。

（2）利用衛星影像能夠粗略的提取出輸電線路的數值對象，經人工參與和計算機輔助的條件下能完成輸電線路通道狀態的監視工作。

（3）利用衛星差分定位技術進行精確測量能夠實現輸電線路姿態監測和沉降監測的功能。

未來北斗和國產高分衛星的水平將越來越高，這不但對于輸電線路運維管理水平的提升提供關鍵技術。

圖11：利用衛星測量的三江口大跨風致搖擺幅度

圖12：RTK模式下三江口大跨風致搖擺幅度測量結果