陈露璐,李 陶,刘 艳,刘经南
(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079; 2. 国网电力科学研究院,湖北 武汉 430074)
我国拥有目前世界上最长的超特高压输电线路,但是随着极端天气灾害事件的频繁发生,广域电网的安全稳定运行受到了较大影响,其中冰雪灾害导致的输电线路覆冰对广域电网的危害最大。覆冰可分为5类:雨凇、雾凇、雪凇、混合凇和白霜,其中雨凇因其密度大、附着力强、闪络概率高而危害最大[1-2]。
随着SAR卫星影像分辨率的提高,建筑物、金字塔、大坝、高速公路、输电铁塔和导线[3-9]等大型人工构筑物都能在SAR影像中以结构形式清晰地呈现,其特征提取和形变监测等方面的研究随之展开[10-11]。文献[12]利用高分辨率TerraSAR Spotlight(TSX-SL)影像首次开展了铁塔构件覆冰试验,提取了试验铁塔构件大于30 dB的散射区域,结果表明覆冰铁塔构件的散射面积及强度均值未发生显著变化。文献[13]在TerraSAR StripMode(TSX-SM)影像中研究天津市郊区地面沉降时发现输电铁塔,利用其PS结果分析了铁塔的位置和高度。文献[14]综述了利用遥感技术监测输电线路的研究现状,认为SAR监测铁塔是较为前沿的课题。文献[7]利用仿真SAR数据测量铁塔顶部倾斜时,对幅度影像中的目标铁塔进行了模拟。
本文收集了武汉特高压试验基地的TSX-SL影像,利用高精度激光扫描仪获取了特高压铁塔的三维点云。研究了铁塔的雷达散射机制、几何投影畸变和干涉特性,并分析了覆冰厚度对铁塔构件雷达散射信号强度的影响。
特高压输电铁塔及试验铁塔构件雷达散射几何示意图如图1所示。图1(a)中铁塔的主体高96 m,最长横担约40 m。在图1(b)、1(c)中,给铁塔的3层横担分别编号为L、M、N,底座部分编号为G。铁塔的真实高度信息在SAR影像中可用以下公式计算
h=p·r/cosη
(1)
式中,h为铁塔高度;p为SAR影像中距离向的像元个数;r为距离向一个像元对应的水平距离;η为雷达本地入射角。
输电铁塔的雷达散射信号既来源于铁塔自身角钢之间的散射,也要顾及背景的散射情况。如图1(a)的现场照片所示,铁塔横担散射强度高主要是由于其角钢的二面角反射截面较大所致,底座部分的散射主要贡献来源于塔底的土壤或水泥墩的反射信号。
2008年底,为测试铁塔在雷达影像中的散射特性是否因覆冰发生变化,某研究院试制了3个直径1 m、长5 m的试验铁塔构件(其角钢规格为50 mm×50 mm×5 mm),如图1(d)所示。考虑到高压和超高压输电铁塔底部的角钢构件尺寸可达15~20 cm,在其侧面等间距增加了7块20 cm×100 cm的铝板,使试验铁塔构件尽量接近于真实的特高压输电铁塔主体结构。试验铁塔构件在该雷达视角的照射下,其雷达后向散射信号主要来自铝板与停车场地面形成的二面角反射,如图1(d)所示。
国家电网公司武汉特高压交流试验基地位于湖北省武汉市。为满足特高压试验研究的需求,主要建设内容包括:特高压试验电源,1 km单回、1 km同塔双回特高压试验线段,环境气候实验室等,包括1000 kV输电铁塔8基。
图2为特高压试验基地位置及SAR强度示意图。在图2(a)中,大矩形框为TSX-SL影像覆盖区域,箭头为雷达卫星飞行方向,大矩形框中的小矩形框为特高压试验基地。图2(b)中三角形为人工三角反射器,选择在试验基地的草地区域布设3个边长80 cm的角反射器,并制作了水泥墩作为基础以保证其稳定性,如图2(e)所示。图2(c)为特高压输电铁塔(3层塔)的SAR影像,该塔的背景为草坪和水泥道路,受到的背景噪声干扰较少。图2(d)为3个试验覆冰铁塔构件及2个角反射器的SAR影像强度显示,由于目标较小,在雷达强度影像中成像较为模糊。
本文收集了以特高压试验基地为中心拍摄的4幅TSX-SL高分辨率SAR影像(范围如图2(a)所示),影像的距离向分辨率为0.45 m,方位向分辨率为0.85 m,详细成像参数见表1。生成6幅干涉图序列,相关干涉参数见表2。
表1 TSX-SL影像参数
武汉特高压试验基地的环境气候试验室针对特高压设备在不同环境条件下的性能及抗击自然灾害的能力进行试验研究,可以模拟高海拔低气压气象条件、低温结冰条件和人工污秽试验条件等。将尺寸为1 m×5 m的试验铁塔构件(i,ii,iii)放置在环境气候实验室的罐体中,利用保障系统的喷淋装置模拟真实环境中铁塔横担覆冰进行人工淋雨,在其表面形成雨凇。对两个铁塔构件进行不同程度的覆冰:其中一个构件表面最大覆冰厚度为10 cm,另一个为5 cm。2008年12月23日凌晨用吊车将覆冰的铁塔构件摆放至停车场的空地上,为确保铁塔构件的角钢结构产生最大效应的二面角反射,将3个构件均摆放至与雷达卫星飞行方向一致,相互间隔15 m以上,如图3(a)所示。
图3(b)中相比未覆冰的对照构件i,铁塔构件ii的散射强度最大值衰减不显著,降低约2 dB;而构件iii散射强度最大值显著衰减,降低约8 dB。结合图3(a)中实际覆冰情况可知,铁塔构件表面覆冰2~5 cm而其侧面的铝板表面并未有太多覆冰,因此其二面角反射结构并未受到较大改变,从而散射强度依旧保持不变。当铁塔构件覆冰10 cm时,侧面铝板的覆冰明显增厚,使得其二面角反射条件发生改变,导致散射强度显著降低。由相关文献可知,雨凇等可形成光滑且较厚覆冰表面,会显著破坏铁塔角钢构件形成的二面角反射条件,因此根据本试验结果可以推论:特高压铁塔发生雨凇等较大覆冰时,其散射强度将显著降低,可以通过前期未覆冰的对照影像进行检测和分析。
本文选取试验区一东西走向、背景为草坪的特高压3层塔进行分析,在TSX-SL影像中,输电铁塔横担部分由于塔材结构较为密集而使其等效散射截面较大,易于从背景中加以区分。塔身主干部分的散射以及塔底基础部分的散射容易与背景混淆,其干涉相位的稳定性较差。
特高压3层塔的几何投影如图4所示。图4(a)为特高压铁塔的高精度三维扫描点云。图4(b)中的空中框架为基于点云数据绘制的铁塔外框架在Google-Earth上的三维展示,地面上的框架为SAR影像中的铁塔框架仿真投影。从图4(c)中可以看出地面上的铁塔仿真框架与真实SAR影像中铁塔的散射情况完全吻合。特高压铁塔构件结构较小,如果像法国埃菲尔铁塔一样产生较强的多次散射[3],其多次散射信号应该超出仿真投影框。本文由此推断,所研究的输电铁塔横担部分的散射信号主要来源于其结构本身的角反射效应。
特高压3层塔的干涉特性如图5所示。图5(a)展示了4幅TSX-SL影像中特高压3层塔的强度图序列;图5(b)为减去散射强度均值的对应散射强度残差图序列。由图5(a)、(b)可知,特高压铁塔的横担和主干部位散射强度较大且在时间上保持稳定,强度变化约为3 dB。该塔SAR影像中散射强度最大值67 dB均位于横担M处,由LiDAR量测结果可知横担M尺寸更大。铁塔底座部位的散射强度存在较大变化,可能受到该区域机械设备进出的影响。各期影像中铁塔的强度残差值大部分在3 dB间波动,可知铁塔本体的散射强度较稳定。
图5(c)所有干涉图中特高压塔的干涉条纹都较为清晰,从而可以看出相干性高的像元其相位也较平滑一致,铁塔的横担部分相位基本一致,但各横担上下两端均存在一定的相位差。从SAR干涉图中测量特高压铁塔横担的高差信息,可采用以下公式
h=α·h2π/2π
(2)
式中,h为铁塔高差;α为铁塔横担与参考点之间的相位差;h2π为高程模糊度。由表2可知,干涉图④⑤⑥的高程模糊度约为7 m,铁塔横担之间的距离约20 m,其间存在相位缠绕,因此不适合提取铁塔的高差信息。干涉图①的高程模糊度约为300 m,但其相位梯度变化与真实铁塔高度存在较大差距,这表明当高程模糊度太大时干涉相位精度对铁塔高度信息提取的影响较大。干涉图②③的高程模糊度接近铁塔高度,以下根据这两幅干涉图开展相位差推算铁塔高差信息的对比分析。
由式(1)可知,基于铁塔的散射强度可判断铁塔的结构,进而计算和反演铁塔结构之间的高差和铁塔高度。但由图5(a)可知,本文研究的铁塔底部背景噪声过大,干扰了铁塔高度的提取[15]。而该铁塔3个横担间的距离容易被量测,其高差反演结果与LiDAR实测结果非常接近,见表3。
表3 SAR影像中铁塔结构间的高差反演结果 m
注:表中“—”表示无法反演该参数。
前已述及,干涉图高程模糊度太长或太短都难以精确计算铁塔结构间高差。根据式(2)可计算出两个干涉图中铁塔横担间距,其结果与真实距离接近,但存在1~4 m的误差。其中干涉图②中有角反射器,将其作为相位基准反演得到铁塔高度为87 m,与LiDAR结果存在约10 m的误差。这表明输电铁塔的镂空结构导致其相位存在较大的噪声,使得通过相位反演铁塔高度存在较大误差。
本文收集了武汉特高压试验基地1 m分辨率的聚束模式TerraSAR影像,选取其中一东西走向的特高压3层塔,利用高精度LiDAR扫描其几何结构,并开展了铁塔干涉特性的分析。研究发现铁塔散射机制主要是自身角钢结构形成的二面角反射和三面角反射等,通过多期强度图的对比分析可知铁塔本体的强散射像元点散射特性稳定。本文利用雷达几何投影关系和干涉测量方法反演出铁塔各结构间的高差信息,与高精度LiDAR扫描结果对比发现雷达干涉测量高差反演误差较大,这是由于镂空结构的铁塔构件相位噪声较大。通过对3个不同覆冰厚度的试验铁塔构件研究发现,覆冰厚度约10 cm的试验铁塔构件雷达散射强度衰减约为8 dB,这表明在雨凇等较强覆冰条件下,雷达散射信号强度的衰减信息可用于量化评估铁塔的覆冰情况。
致谢:感谢德国地学研究中心的夏耶博士、国网电科院的胡毅高工给予本文的支持。