本發(fā)明涉及輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測手段，屬于輸電線路遙感應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、輸電導(dǎo)線覆冰問題在中國冬季常發(fā)生，尤其是承擔(dān)重點(diǎn)電力輸送工作的山區(qū)尤為嚴(yán)重。在冬春季的特定氣象條件下，輸電導(dǎo)線因低溫凍雨和微氣象環(huán)境而出現(xiàn)覆冰災(zāi)害，覆冰使導(dǎo)線重量增加且弧垂加大，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)導(dǎo)線斷線等危害；由于山區(qū)地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的輸電線路覆冰監(jiān)測手段，例如地面?zhèn)鞲衅饔^測和局部氣象數(shù)據(jù)等，存在監(jiān)測范圍有限和實(shí)時(shí)性不足的問題，難以滿足大范圍輸電線路的連續(xù)監(jiān)控需求。因此，如何有效監(jiān)測并評(píng)估輸電導(dǎo)線覆冰情況，成為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

2、基于合成孔徑雷達(dá)(sar)影像的技術(shù)由于其全天候的特性，為輸電導(dǎo)線覆冰提供了一種新的監(jiān)測手段。然而sar影像成像是二維信息，導(dǎo)線在sar影像中的形成的曲線尚缺乏有效的數(shù)學(xué)模型來解釋其三維位置的關(guān)系?，F(xiàn)有sar方法主要依賴影像中的散射亮斑(散射斑)來直接評(píng)估輸電導(dǎo)線的弧垂值，但在sar影像中，輸電線散射斑成像位置與弧垂最低點(diǎn)不存在直接相關(guān)性。盡管目前的研究可以在sar影像中捕捉輸電線散射斑的變化，這種變化體現(xiàn)在方位向與距離向的變化以及散射強(qiáng)度值的變化。

3、申請(qǐng)?zhí)枮閏n201711483192.6，申請(qǐng)日為2017年12月29日的專利申請(qǐng)文件中，公開了一種針對(duì)輸電線散射斑建立輸電線弧垂變化值的判斷手段，然而輸電線散射斑在sar影像上的成像位置與衛(wèi)星成像參數(shù)相關(guān)，并不直接對(duì)應(yīng)弧垂最低點(diǎn)，因此散射斑位置的變化無法對(duì)輸電導(dǎo)線三維幾何形態(tài)的精確描述，從而無法建立輸電線散射斑與整體輸電線形態(tài)關(guān)系，因而無法準(zhǔn)確檢測覆冰所引起的弧垂變化。隨著sar衛(wèi)星分辨率的提高，sar衛(wèi)星能夠觀測到較長弧段的輸電導(dǎo)線，甚至整條輸電導(dǎo)線的紋理特征，因此，亟需針對(duì)高分辨率雷達(dá)影像中輸電導(dǎo)線的這種散射線，提出一種準(zhǔn)確性較高的手段，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷與問題，提供一種準(zhǔn)確性較高的基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法，包括：

3、s1、獲取輸電導(dǎo)線區(qū)域的sar衛(wèi)星影像及其幾何定位參數(shù)；

4、s2、獲取輸電導(dǎo)線的地理坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)輸電導(dǎo)線的產(chǎn)品類型及其掛載時(shí)的應(yīng)力參數(shù)，構(gòu)建輸電導(dǎo)線弧垂在不同溫度影響下和不同應(yīng)力下的理論模型；

5、s3、基于輸電導(dǎo)線區(qū)域的sar衛(wèi)星影像拍攝時(shí)期的環(huán)境溫度導(dǎo)致輸電導(dǎo)線弧垂變化的理論模型，計(jì)算輸電導(dǎo)線弧垂受溫度影響的理論弧垂值；

6、s4、基于輸電導(dǎo)線在sar坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，獲取輸電導(dǎo)線在sar衛(wèi)星影像中的散射線成像位置，并求得輸電導(dǎo)線點(diǎn)云在雷達(dá)坐標(biāo)系下與sar坐標(biāo)系下的距離向偏差函數(shù)；

7、s5、基于距離向偏差函數(shù)，仿真輸電導(dǎo)線在弧垂坐標(biāo)系下的表達(dá)式，計(jì)算輸電導(dǎo)線的衛(wèi)星影像拍攝時(shí)刻弧垂值；

8、s6、對(duì)比輸電導(dǎo)線的理論弧垂值與衛(wèi)星觀測弧垂值，確定輸電導(dǎo)線覆冰后弧垂變化量，根據(jù)輸電導(dǎo)線應(yīng)力模型計(jì)算輸電導(dǎo)線覆冰重量及厚度。

9、所述步驟s1，具體包括：

10、s11、獲取sar衛(wèi)星影像的成像參數(shù)與地面控制點(diǎn)的實(shí)際測量坐標(biāo)；所述成像參數(shù)包括方位向分辨率δa、距離向分辨率δr、雷達(dá)衛(wèi)星頻率、近地點(diǎn)距離、本地入射角η以及衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)；

11、s12、基于sar衛(wèi)星影像的成像參數(shù)與距離多普勒模型，確定地面控制點(diǎn)的實(shí)際測量坐標(biāo)在雷達(dá)坐標(biāo)系下的幾何定位坐標(biāo)；

12、s13、基于地面控制點(diǎn)的實(shí)際測量坐標(biāo)在雷達(dá)坐標(biāo)系下的幾何定位坐標(biāo)與地面控制點(diǎn)在雷達(dá)散射成像中心點(diǎn)坐標(biāo)的定位偏差值，對(duì)輸電導(dǎo)線區(qū)域的sar衛(wèi)星影像的幾何定位進(jìn)行修正；

13、其中，所述地面控制點(diǎn)在雷達(dá)散射成像中心點(diǎn)坐標(biāo)為：地面控制點(diǎn)目標(biāo)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)散射強(qiáng)度極值點(diǎn)的坐標(biāo)。

14、所述步驟s2，具體包括：

15、s21、獲取輸電導(dǎo)線在t0溫度下的檔距l(xiāng)d、單位重量ω、直徑d、張力t0的參數(shù)，構(gòu)建懸鏈線弧垂方程；所述懸鏈線弧垂方程的表達(dá)式如下：

16、

17、s22、基于輸電導(dǎo)線在t1溫度下的lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得輸電導(dǎo)線的三維點(diǎn)云；以輸電導(dǎo)線三維點(diǎn)云的最低點(diǎn)為原點(diǎn)，重新構(gòu)建局部二維笛卡爾坐標(biāo)系，對(duì)輸電導(dǎo)線在二維坐標(biāo)系中各點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行懸鏈線弧垂方程擬合，獲得輸電導(dǎo)線的初始導(dǎo)線長度lc以及輸電導(dǎo)線在t1溫度下的實(shí)測弧垂值lc；

18、s23、獲取輸電導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)α以及輸電導(dǎo)線在t1溫度下的張力t1，計(jì)算輸電導(dǎo)線在設(shè)計(jì)工況中，t1溫度下相較于t0溫度下的熱膨脹導(dǎo)線總長度l′c；

19、所述熱膨脹導(dǎo)線總長度l′c的表達(dá)式如下：

20、l′c＝lc·(1+α(t1-t0))；

21、s24、基于懸鏈線弧垂方程計(jì)算輸電導(dǎo)線在t1溫度下的設(shè)計(jì)弧垂值fd，并比較輸電導(dǎo)線在t1溫度下的設(shè)計(jì)弧垂值fd與實(shí)測弧垂值fc的差值；

22、若二者的差值滿足|fd-fc|≤0.05·fd，則輸電導(dǎo)線的參數(shù)符合要求，以此參數(shù)構(gòu)建輸電導(dǎo)線弧垂理論模型；

23、若二者的差值不滿足|fd-fc|≤0.05·fd，則需要考慮其他影響因素。

24、所述其他影響因素包括風(fēng)載荷影響，具體步驟如下：

25、s25、將風(fēng)荷載代入所述懸鏈線弧垂方程中，并重復(fù)步驟s21-s24；考慮風(fēng)荷載的懸鏈線弧垂方程表達(dá)式如下：

26、

27、所述風(fēng)荷載的表達(dá)式如下：

28、

29、其中：cd為阻尼系數(shù)，ρ為空氣密度，a為迎風(fēng)面積，v為風(fēng)速。

30、所述步驟s3，具體包括：

31、s31、獲取sar衛(wèi)星影像拍攝時(shí)刻的溫度t2，并基于溫度t2對(duì)輸電導(dǎo)線的弧垂?fàn)顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

32、所述調(diào)整的方式為：計(jì)算輸電導(dǎo)線在t2溫度下設(shè)計(jì)工況中的輸電導(dǎo)線總長度l′s，并獲取輸電導(dǎo)線在t2溫度下設(shè)計(jì)工況中的張力t2；

33、所述輸電導(dǎo)線總長度l′s的計(jì)算式如下：

34、l′s＝lc·(1+α(t2-t0))；

35、s32、基于調(diào)整后的輸電導(dǎo)線總長度l′s與輸電導(dǎo)線弧垂理論模型，計(jì)算輸電導(dǎo)線在拍攝時(shí)刻的理論弧垂值；

36、所述理論弧垂值的表達(dá)式如下：

37、

38、其中：fs為輸電導(dǎo)線在t2溫度下的理論弧垂值。

39、所述步驟s4，具體包括：

40、s41、選取輸電導(dǎo)線lidar點(diǎn)云中兩基鐵塔腳點(diǎn)地理坐標(biāo)值，分別表示為(b1，l1，h)與(b2，l2，h)；其中h需要保持在一個(gè)橢球面上；對(duì)地理坐標(biāo)值進(jìn)行距離多普勒方程解算，獲得sar坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值(i1，j1)與(i2，j2)；

41、s42、基于坐標(biāo)值(i1，j1)與(i2，j2)對(duì)坐標(biāo)區(qū)域進(jìn)行窗口裁剪；其中窗口不小于{|i1-i2|+5}*{|j1-j2|+5}的像元；

42、s43、對(duì)剪裁后的窗口進(jìn)行sar衛(wèi)星影像的散射強(qiáng)度值計(jì)算，并計(jì)算坐標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度值in＝i2+q2；對(duì)強(qiáng)度值歸一化并統(tǒng)計(jì)后，獲得該窗口下的直方圖indb＝10·log10(in)；

43、s44、基于該窗口下的直方圖indb，獲得背景的散射平均強(qiáng)度值rcsb以及輸電導(dǎo)線的散射平均強(qiáng)度圖rcsl，并對(duì)該窗口下的直方圖indb進(jìn)行濾波；所述濾波的閾值為rcsb+δrcs；

44、s45、對(duì)輸電導(dǎo)線的散射平均強(qiáng)度圖rcsl的散射特征進(jìn)行散射線定義；所述散射特征為

45、s46、對(duì)定義為散射線的散射特征進(jìn)行像元級(jí)提取，獲得構(gòu)成輸電導(dǎo)線成像散射線各點(diǎn)的位置坐標(biāo)點(diǎn)集[i?j]n；

46、s47、對(duì)各點(diǎn)的位置坐標(biāo)點(diǎn)集[i?j]n進(jìn)行擬合，獲得雷達(dá)坐標(biāo)系下輸電導(dǎo)線的表達(dá)式f(a)；

47、所述輸電導(dǎo)線的表達(dá)式f(a)中，定義輸電導(dǎo)線i在雷達(dá)坐標(biāo)系的表達(dá)式f(a)函數(shù)為二次多項(xiàng)式函數(shù)時(shí)，a為導(dǎo)線上任意一點(diǎn)在雷達(dá)坐標(biāo)系下的方位向坐標(biāo)，f(a)為輸電導(dǎo)線i上任意一點(diǎn)a在雷達(dá)坐標(biāo)系下的距離向坐標(biāo)；

48、s48、在sar坐標(biāo)系下連接(i1，j1)與(i2，j2)兩點(diǎn)，獲得直線方程g(a)；所述直線方程的表達(dá)式如下：

49、g(a)＝k*a+b；

50、k＝(j2-j1)/(i2-i1)；

51、b＝j(luò)2-(j2-j1)/(i2-i1)*i1；

52、其中：k為直線方程的一次項(xiàng)系數(shù)；a為sar坐標(biāo)系下任意一點(diǎn)的距離向坐標(biāo)值；b為常數(shù)；

53、s49、在sar坐標(biāo)系求得g(a)與f(a)之間距離向偏差函數(shù)；所述距離向偏差函數(shù)的表達(dá)式如下：

54、p(a)＝|g(a)-f(a)|*δr/cosη；

55、其中：p(a)為距離向偏差函數(shù)。

56、所述步驟s5，具體包括：

57、s51、以方位向n為步長，a＝min(i1，i2)+n，將其帶入距離向偏差函數(shù)中計(jì)算獲得輸電導(dǎo)線雷達(dá)散射成像三維點(diǎn)集[i?j?h]n，其中h＝p(a)+h；

58、s52、基于橢球方程與距離多普勒方程，對(duì)sar坐標(biāo)系中的輸電導(dǎo)線雷達(dá)散射成像三維點(diǎn)集[i?j?h]n進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得地理坐標(biāo)系中輸電導(dǎo)線的點(diǎn)集合[bl?ll?hl]n；

59、s53、將輸電導(dǎo)線地理坐標(biāo)系下的點(diǎn)集合[bl?ll?hl]n轉(zhuǎn)換至空間直角坐標(biāo)系下，獲得[xl?yl?zl]n；

60、s54、以輸電導(dǎo)線兩端點(diǎn)及鉛垂線構(gòu)成的平面為投影平面建立弧垂坐標(biāo)系，以[xlyl?zl]n中最低點(diǎn)為原點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行歸算，獲得輸電導(dǎo)線在弧垂坐標(biāo)系下的點(diǎn)集[mlnl]n；

61、ml＝(xi-x0)/cosβ；

62、nl＝zi-z0；

63、其中：ml為輸電導(dǎo)線任一點(diǎn)i在弧垂坐標(biāo)系下的m軸坐標(biāo)值，nl為輸電導(dǎo)線任一點(diǎn)i在弧垂坐標(biāo)系下的n軸坐標(biāo)值，xi為輸電導(dǎo)線任一點(diǎn)i在空間直角坐標(biāo)系下的x軸坐標(biāo)值，x0為輸電導(dǎo)線在空間直角坐標(biāo)系下的原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x軸坐標(biāo)值，zi為輸電導(dǎo)線任一點(diǎn)i在空間直角坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)值，z0為輸電導(dǎo)線在空間直角坐標(biāo)系下的原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的z軸坐標(biāo)值，β為輸電導(dǎo)線在xoy平面下連線的夾角，xa、ya與xb、yb為輸電導(dǎo)線兩端掛載點(diǎn)的直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值；

64、s55、設(shè)定輸電導(dǎo)線在弧垂坐標(biāo)系下的表達(dá)式gl(m)為二次多項(xiàng)式函數(shù)式，并基于[ml?nl]n擬合多項(xiàng)式系數(shù)a1，a2，a3；

65、所述輸電導(dǎo)線在弧垂坐標(biāo)系下的表達(dá)式gl(m)如下：

66、gl(m)＝a1*m*+a2*m+a3；

67、其中：m為輸電導(dǎo)線任一點(diǎn)在弧垂坐標(biāo)系下的m軸坐標(biāo)值；

68、s56、求取輸電導(dǎo)線兩端掛載點(diǎn)在弧垂坐標(biāo)系kl(m)；所述弧垂坐標(biāo)系的表達(dá)式如下：

69、

70、其中：nb為掛載點(diǎn)b在弧垂坐標(biāo)系下n軸的坐標(biāo)值，na為掛載點(diǎn)a在弧垂坐標(biāo)系下n軸的坐標(biāo)值，mb為掛載點(diǎn)b在弧垂坐標(biāo)系下m軸的坐標(biāo)值，ma為掛載點(diǎn)a在弧垂坐標(biāo)系下m軸的坐標(biāo)值；

71、則弧垂坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的弧垂表達(dá)式為hc(m)＝kl(m)-gl(m)；

72、當(dāng)m＝0時(shí)，計(jì)算獲得輸電導(dǎo)線在sar衛(wèi)星影像拍攝時(shí)刻的最低弧垂值

73、當(dāng)hc′(m)＝0時(shí)，計(jì)算獲得輸電導(dǎo)線在sar衛(wèi)星影像拍攝時(shí)刻的最大弧垂值

74、所述步驟s6，具體包括：

75、s61、計(jì)算理論弧垂值fs和最低弧垂值的差值獲得輸電導(dǎo)線的弧垂變化量δfice；

76、s62、基于弧垂變化量δfice，計(jì)算獲得輸電導(dǎo)線的冰層厚度ti；所述冰層厚度的表達(dá)式如下：

77、

78、其中：t為初始應(yīng)力，ld為檔距，ρi為冰的密度，d為直徑；

79、s63、基于冰層厚度ti計(jì)算輸電導(dǎo)線的覆冰重量mice＝πdtiρi，并根據(jù)輸電導(dǎo)線的自重ω和覆冰重量mice，計(jì)算獲得輸電導(dǎo)線覆冰后的單位重量；

80、ω′＝ω+mice；

81、s64、基于輸電導(dǎo)線覆冰后的單位重量ω′與最低弧垂值計(jì)算輸電導(dǎo)線的應(yīng)力

82、s65、將輸電導(dǎo)線的應(yīng)力t′與初始應(yīng)力t進(jìn)行比較；若t與t′不一致，則將t′作為初始應(yīng)力，并重復(fù)進(jìn)行步驟s52-s55，直至t與t′一致后，進(jìn)行步驟s66；

83、s66、根據(jù)輸電導(dǎo)線的冰層厚度ti，估算輸電導(dǎo)線的覆冰重量mice；

84、s67、將輸電導(dǎo)線的覆冰重量mice、冰層厚度ti與輸電導(dǎo)線的設(shè)計(jì)閾值進(jìn)行比較；

85、若覆冰重量mice、冰層厚度ti在設(shè)計(jì)閾值之內(nèi)，則表明輸電導(dǎo)線與鐵塔的狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定；若覆冰重量mice、冰層厚度ti在設(shè)計(jì)閾值之外，則表明輸電導(dǎo)線與鐵塔的存在較大的形變，需要進(jìn)行維護(hù)。

86、一種基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于上述的方法，所述系統(tǒng)包括：

87、影像定位獲取模塊1，用于獲取輸電導(dǎo)線區(qū)域的sar衛(wèi)星影像及其幾何定位參數(shù)；

88、弧垂應(yīng)力模型構(gòu)建模塊2，用于獲取輸電導(dǎo)線的地理坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)輸電導(dǎo)線的產(chǎn)品類型及其掛載時(shí)的應(yīng)力參數(shù)，構(gòu)建輸電導(dǎo)線弧垂在不同溫度影響下和不同應(yīng)力下的理論模型；

89、理論弧垂計(jì)算模塊3，用于基于輸電導(dǎo)線區(qū)域的sar衛(wèi)星影像拍攝時(shí)期的環(huán)境溫度導(dǎo)致輸電導(dǎo)線弧垂變化的理論模型，計(jì)算輸電導(dǎo)線弧垂受溫度影響的理論弧垂值；

90、實(shí)際弧垂計(jì)算模塊4，用于基于輸電導(dǎo)線在sar坐標(biāo)系下坐標(biāo)值，獲取輸電導(dǎo)線在sar衛(wèi)星影像中的散射線成像位置，并求得輸電導(dǎo)線點(diǎn)云在雷達(dá)坐標(biāo)系下與sar坐標(biāo)系下的距離向偏差函數(shù)；基于距離向偏差函數(shù)，仿真輸電導(dǎo)線在弧垂坐標(biāo)系下的表達(dá)式，計(jì)算輸電導(dǎo)線的衛(wèi)星影像拍攝時(shí)刻弧垂值；

91、覆冰狀態(tài)評(píng)估模塊5，用于對(duì)比輸電導(dǎo)線的理論弧垂值與衛(wèi)星觀測弧垂值，確定輸電導(dǎo)線覆冰后弧垂變化量，根據(jù)輸電導(dǎo)線應(yīng)力模型計(jì)算輸電導(dǎo)線覆冰重量及厚度。

92、一種基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測設(shè)備，所述設(shè)備包括處理器以及存儲(chǔ)器；

93、所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序代碼，并將所述計(jì)算機(jī)程序代碼傳輸給所述處理器；

94、所述處理器用于根據(jù)所述計(jì)算機(jī)程序代碼中的指令執(zhí)行上述的基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法。

95、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

96、本發(fā)明一種基于sar衛(wèi)星遙感的輸電導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法、系統(tǒng)及設(shè)備中，方法首先獲取sar影像及幾何參數(shù)，并分析三維點(diǎn)云確定輸電導(dǎo)線參數(shù)和應(yīng)力模型，然后利用環(huán)境溫度和模型計(jì)算理論弧垂值，并結(jié)合sar坐標(biāo)系和雷達(dá)坐標(biāo)系偏差，仿真實(shí)際弧垂值，最后比較理論與實(shí)際弧垂值，從而評(píng)估覆冰重量和厚度；本設(shè)計(jì)在應(yīng)用中，針對(duì)高分辨率(1m分辨率)的sar衛(wèi)星影像中輸電導(dǎo)線產(chǎn)生的長弧段紋理特征，建立了更為精確的輸電導(dǎo)線成像方程，反演輸電導(dǎo)線三維狀態(tài)；同時(shí)，根據(jù)輸電導(dǎo)線的實(shí)際材質(zhì)型號(hào)、環(huán)境溫度和導(dǎo)線施工預(yù)應(yīng)力等建立導(dǎo)線弧垂的理論計(jì)算模型，通過sar衛(wèi)星實(shí)測結(jié)果和理論計(jì)算模型的對(duì)比分析，求取輸電導(dǎo)線的覆冰重量和等效厚度的信息；從而有效的對(duì)輸電導(dǎo)線的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，大幅提高了在大范圍和復(fù)雜地形下對(duì)輸電導(dǎo)線覆冰的監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性。