卫星遥感技术在输电线路运维管理中的应用

文/岳灵平 金子禄 李峰 赵文彬

近十年来全球空间对地观测技术的发展和应用已经表明，卫星遥感技术是一项应用广泛的高科技，是衡量国家科技发展水平的重要尺度。

随着全球气候变暖趋势的加剧，我国面临着越来越严峻的气候灾害的威胁。输电线路是电气设施中最重要的基础设施之一，其运行状态决定着整个电网的稳定和安全。发生在气象灾害时，受交通条件限制，人工巡视的效率低、风险大，难于反映整体情况，特别是在山区、河网等交通不便的地区，自然灾害发生时人工巡视将更为困难。现在不论是西方发达国家还是亚太地区的发展中国家，都十分重视发展卫星遥感技术，寄希望于这项技术能够给国家经济建设的飞跃提供强大的推动力和可靠的战略决策依据。这种希望给卫星遥感技术的发展带来新的机遇。面对这种形势，我国卫星遥感技术如何发展，如何使卫星遥感技术真正成为实用化、产业化的技术，直接为国民经济建设当好先行，是当前业界人士关注的热门焦点。

在此背景下，本文主要分析卫星遥感技术对电力设备灾害进行预警和实况应用，利用图像处理技术中常用的霍夫变换(Hough Transform)从卫星影像上提取出输电线路的数值对象，验证了实时差分动态技术在输电线路测量方面的应用。为卫星遥感技术在输电线路运维方面的应用提供了重要数据。

1 卫星的定位技术原理及监测技术

1.1 卫星的定位技术原理

图1：基于GPS的定位技术原理

图2：基于RTK技术测量高层建筑物风振的实例

图3：铁塔覆冰卫星识别试验情况现场布置

目前能够利用卫星系统在全球范围内实现定位的国家有美国、俄罗斯和中国，其中美国全球卫星定位系统称为GPS（Global Positioning System）、俄罗斯全球卫星导航系 统称为 GLONASS（Глобальная навигационная спу -тниковая система-），中国的北斗卫星导航系统称为BDS（BeiDou Navigation Satellite System）。虽然各国在卫星应答和信号方面采用了不同的技术，但卫星定位的原理是相似。即，利用高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置，如图1所示。

其中，所谓的空间距离后交会方法为通过卫星发射信号和接收机接收到信号时刻的差值来测量卫星与接收机间距离的方法。卫星不断向地面广播自己的位置和时间，地面接收机收到卫星的信号后就可以通过自身的时钟得到卫星发出信号传递到本接收机的时间差。电磁波信号传播速度为光速，可以得到距离R1、R2、R3、R4，再求解位置表达式的方程组，可得到自身的位置，基本原理，如式（1）所示。

由于卫星不断的向地面广播自己的位置，理论上地面接收机收到3个卫星位置时，x1、y1、z1、x2、y2、z2、x3、y3、z3都成为已知数据，同时R1、R2、R3也是已知，即可求得接收机坐标（x，y，z）。

卫星发射的电磁波信号传播过程中，会受到大气电离层和对流层的折射而造成延迟，使传播速度不可能一直等于光速，这种误差将会造成卫星与接收机间距离测量的误差，所以通常将直接通过时间差测量到的距离称为“伪距”。因此实际应用中，一般用式（2）所示的形式确定接收机的位置。

其中，Ri为测量的伪距，为第i颗卫星的电离层延时误差，为第i颗卫星的对流层延时误差，c为光速，为第i颗卫星的改正值。

在日常的车船GPS导航活动中，为了求取准确的R，往往需要至少4颗卫星的数据，才能求取较为准确接收机坐标，而且搜到的卫星越多，定位结果越精确。一般GPS单接收站定位的精确程度在100m左右。

1.2 差分定位的测绘和监测技术

根据卫星定位的基本原理，可以想象如果对距离较近的两个接收站的来自同一的卫星信息进行差分，就能够在较大的程度上消除共性的延迟和误差，从而提高位移的测量精度，这种测量方法称为差分定位。

基于卫星的高精度测绘领域，往往采用实时差分动态（Real Time Kinematic——RTK）测量系统。RTK是GPS测量技术发展中的一个新的突破，其构成的测量系统能够达到毫米级的测量精度，被广泛应用在大坝、桥梁、高层建筑物的动态测量中，图2为某研究机构对高层建筑进行测量的情况。

卫星的应用已经逐步深入到工业生产和工程建设的各个领域，基于卫星影像和差分测量技术开展输电线路状态管理方面的应用，是比较适宜的发展方向。

2 基于卫星影像的灾害预警和分析

运用卫星影像技术对输电线路灾害进行预警和实况分析，有利于从全局上把握方向，是检修、运维的策略制定的重要支持。

根据国网电科院2008年开展的设备覆冰试验，铁塔覆冰后其SAR影像并无明显差距，试验布置如图3所示。

图3中三个横担的覆冰厚度分别为10cm、4cm和无覆冰，卫星对放置横担前后场地分别进行了拍照，对前后两幅图片的亮度进行了归一化差值后的照片，如图4所示。

经过分析后，卫星对覆冰厚度的识别较难，但证明了铁塔被冰雪覆盖后雷达发射特性基本不变，这需要对覆冰灾害预警更高的分辨率影像技术。图5所示为2008年冰灾时的我国南方地区的卫星影像和2013年3月时英国遭受冰雪灾害时的卫星影像。

3 基于卫星影像技术监测输电线路

图4：卫星拍摄的SAR图像

图5：2008年中国南方和2013年英国冰灾时期的卫星影像

图6：沣河跨越的输电线路

从上述内容可知基于卫星影像进行线路运维是可行，但在实践中发现，由于采用高分辨率的卫星影像，造成单幅图像覆盖的线路通道较少，线路图幅数量较多，数据量十分庞大，数据处理工作繁重。虽然关键信息的特征十分清楚，但仅仅依赖人工处理工作量大很难完成。因此，需要结合输电线路的特点开展针对卫星影像的计算机图像分析和识别技术研究。

为了验证图像处理技术的可行性，本文对Google地图上采集的影像进行识别处理。例如，通过Google地图采集到的西安市郊跨越沣河的某杆塔，如图6所示。

为提取输电线路的特征，常用的算法为霍夫变换，此算法是图像处理中的一种特征提取技术。它通过一种投票算法检测具有特定形状的物体。通过霍夫变换法对图6进行处理的结果，如图7所示。

图7中，经过5个步骤提取了输电线路的特征。第一步，利用Matlab将卫星影像读入空间（图7（a）），再转换为灰度图像（图7（b））；第二步，采用‘roberts’方法，在灰度图像上进行轮廓提取（图7（c））；第三步，提取边界的图像进行霍夫变换（图7（d））；第四步，在霍夫变换的结果中抽取平行线对象（图7（e））；最后将符合条件的点抽取出并标识出来（图7（f））。

图7：利用霍夫变换提取导线特征的验证结果

图8：差分GPS现场测量装置示意图

4 大跨越杆塔风振幅度的监测技术及实测

本文开展基于RTK技术的相对位移测量试验。试验分为两个部分，一个部分是对测量系统进行验证，另一部分是对位于南京三江大跨越进行实测，试验采用设备配置情况，如图8所示。

为了测试差分GPS测量装置，在开阔地区移动站的移动距离1m时的测试结果，如图9所示。试验结果表明，移动站在南北方向移动了935mm，在东西方向移动量277mm，位移为975mm，与实际移动相差25mm，可见系统的测量精度完全可以满足大跨越铁塔摇摆幅度的测量。

为进一步验证差分GPS对输电线路进行测量的可行性，对南京三江大跨进行实测，三江大跨的现场照片，如图10所示。

图9：差分GPS设备的功能试验

三江口长江大跨越，跨越塔呼高215m，铁塔全高251m，根开49.6m。全塔由钢管相互连接组成空间桁架结构。测试时将流动站部署在第一横担处，将基准站部署在江边的空地上，测试持续了30分钟，同时测量了塔顶的风速，测试结果如图11所示。

图11中可看出，大部分情况下215m处的摇摆幅度都不会超过0.6m，说明此时间段摇摆幅度较小。其中部分数据超过1.8m，经核实这些数据的产生原因为卫星通信不稳定造成的。

在所有数据中，抽取通信质量较好的一部分数据，当时系统标志表明系统工作在RTK差分模式，数据记录如图12所示。

可以看出存在一个幅值大约2cm左右的一个周期性振动模态，振动频率约0.3Hz，这一测试结果与大跨越其他一些研究成果比较吻合；另外在34s左右时铁塔顶部出现了一次较大摇摆，幅度达到了0.2m，后经对照风速记录仪在12:34到12:35之间（即本次数据的1分钟内）记录到本次测量的最大风速约7m/s。

5 结论

图10：南京三江大跨越全景

本文分析了卫星遥感技术在输电线路的灾害预警及监测方面的应用，得到如下结论：

（1）运用卫星影像技术对输电线路灾害进行预警和实况分析，有效缩短灾害的预判时间，能够为防止线路跳闸赢得时间，是制定输电线路的检修、运维策略的重要预警技术。

（2）利用卫星影像能够粗略的提取出输电线路的数值对象，经人工参与和计算机辅助的条件下能完成输电线路通道状态的监视工作。

（3）利用卫星差分定位技术进行精确测量能够实现输电线路姿态监测和沉降监测的功能。

未来北斗和国产高分卫星的水平将越来越高，这不但对于输电线路运维管理水平的提升提供关键技术。

图11：利用卫星测量的三江口大跨风致摇摆幅度

图12：RTK模式下三江口大跨风致摇摆幅度测量结果