CN101806888A - 基于图像处理的高压线识别方法 - Google Patents

Abstract

基于图像处理的高压线识别方法，通过图像处理的方式，在雷达探测的目标回波点中连接出高压线，属于高压线识别检测领域。本发明以雷达点迹图作为输入，一次点迹凝聚，对凝聚后的点迹作临域分析，对每个点迹进行评分，根据评分判定高压线铁塔；将相互邻接的高压线铁塔归类，查找高压线铁塔链，在全部点迹中将高压线铁塔链向头尾方向延拓，帧间投票；显示得到电力线分布区域。本发明根据高压线塔分布特性判断出高压线塔的位置，再搜索出连续高压线，进而确定高压线分布区域，对雷达分辨力的要求较低，并能在较远距离探测到目标(1.5km之外)，且由于仅对点迹进行处理，效率高，运算量小，具有积极和较大的实用价值。

Description

基于图像处理的高压线识别方法

技术领域

基于图像处理的高压线识别方法，通过图像处理的方式，在雷达探测的目标回波点中提取出高压铁塔对应的回波点，并连接出高压线，属于高压线识别检测领域。

背景技术

本发明针对当前直升机及其他低空飞行器在低空飞行时易于高空电力线碰撞而发生坠毁事故的问题，提出了利用高压线塔回波点的分布特性远距离探测和感知高压线的方法。

以下的文章和专利文献，基本覆盖了该领域主要的背景技术。为了交待出技术的发展过程，让它们时间顺序排列，并逐个介绍文献的主要贡献以及缺点。

1.Kazuo Yamamoto，Kimio Yamada，Obstacle Detection for Helicopter Flights byInfrared Images，Proceeding of SPIE(Vol 4363)，2001，76-85

作者采用高分辨率的红外探测相机(频带响应：8-12um)来获得图像，在此基础上通过图像分块、自适应动态范围扩展和方向滤波器的处理来增强目标与背景的对比度，最后用拟合出水平或近似水平的线来表示目标，作用距离为100～500m。缺点是无法判断目标的距离，易受恶劣天气影响。

2.K Schulz，S Scherbarth，U Fabry，Hellas：Obstacle Warning System forHelicopters，Proceeding of SPIE(Vol 4723)，2002，1-8

基于激光防撞雷达的直升机障碍物告警系统(HELLAS)，使用双轴扫描1.5um激光雷达探测目标，距离则采用脉冲雷达测量，可以探测10mm直径电力线，探测距离为300～900m，但白天工作时太阳射线的干扰会降低系统性能，在恶劣气候条件下作战能力也有所降低。

3.Robert J Fontana，J F Larrick，Jeffrey E Cade，Eugene P Rivers Jr，An UltraWideband Synthetic Vision Sensor for Airborne Wire Detection，Proceedings ofSPIE(Vol 3364)，1998，2-10

使用超宽带雷达，用极短的脉冲获得较高的分辨率，较宽的频带也能够探测到更多的目标，抗干扰性能也更好。缺点是由于脉冲能量小，作用距离有限。

4.V N Danovskii，V Ya Kim，V M Lisitsyn，K V Obrosov，S V Tikhonova，InformationSupport of Low-Altitude Flight Safety，Journal of Computer and Systems SciencesInternat ional(Vol 46)，2007

使用毫米波雷达站和1.54um的激光定位雷达来探测目标。激光定位雷达可以优化低空飞行姿态，并检测多种目标如电缆、柱状物和电线等。根据实验，0.3～1.5km内的电力线可以被检测到。

通过对现有探测高压线的技术的总结和比较可以看出，现有直升机防撞设备主要分为以下几个方向：利用红外成像仪探测目标，这类设备受气候影响太大，且作用距离太近；利用激光防撞雷达探测目标，但激光防撞雷达较好的应用条件是在夜间，白天工作时太阳射线容易干扰，而且恶劣气候条件下作战能力也会有所降低；利用毫米波雷达探测目标，探测距离和抗干扰能力均得到提升，约在1.5～3km左右，技术要求较高。

发明内容

经过总结实验数据发现，高压线塔的分布有它所遵循的设计原则，相邻的一组高压线铁塔具有均匀的间隔和较好的连续分布，据此可以确定高压线铁塔的位置并进一步绘制出电力线的分布图。

基于图像处理的高压线识别方法，该方法步骤如下：

步骤一：判定高压线铁塔

(1)一次点迹凝聚

用点迹凝聚方法，把相邻的点迹融合成一个目标，距离用range_pro表示，方位用azimuth_pro表示，复数用x表示；

(2)对凝聚后的点迹作临域分析

对高压线铁塔的判断是通过它临近目标的分布作出的，其中，高压线铁塔的临近目标具有以下特征：

(2.1)一个铁塔目标可能包含多个凝聚点迹，这些点迹在空间上很近；

(2.2)临域内有且仅有两个相邻铁塔目标；

(2.3)相邻铁塔目标和自身的距离最有可能在250～400m之间；

(2.4)临近目标在两个(几乎)相反的方向上；

(2.5)除临近铁塔外，其他目标较少。

(3)对每个点迹进行评分

把全平面点迹看做一幅Markov Random Field图像，得到每个点迹和其临域内其他目标的矢量距离(vec)，根据vec的分布进行统计；

把vec按两种方式划分，一种是上下平面分(angle_k(h)＞＝or＜0)，一种是左右平面分(abs(angle_k(h))＞＝or＜pi/2)，分别统计四类平面中的临域目标个数(NeighbourNum(1:4))，以及四类平面中矢量vec的加权平均角度(AngleWeightedMean(1:4))和加权角度方差(AngleWeightedVar(1:4))；按如下规则计算该点迹的分数：

(3.1)以上的两对平面(上下或左右)中至少要有一对平面各包含1个临域目标，否则表示不满足(2.2)条件，则score＝2；

(3.2)上下平面或者左右平面临域目标数之差应小于7，否则表示不满足(2.5)条件，则score＝3；

(3.3)如果条件(2.1)和(2.2)都满足，则score＝两种平面划分中加权角度方差之和小的那一个；

(3.4)在(2.3)的基础上，在加权角度方差之和小的平面划分情况下，如果这两个平面上的vec加权平均角度之差在弧度1～2之间，则表示不满足目标(2.4)，则score＝4。

(4)根据评分判定哪些点迹是高压线铁塔

把score＜0.15的点迹确定为高压线铁塔，记为ObstacleDecision，并根据计算得到的点迹延伸方向(ExtendDirectionLeft、ExtendDirectionRight)在显示平面上画线；

步骤二：连接高压线铁塔

(1)将相互邻接的高压线铁塔归类

将位于一高压线铁塔A200米范围内，以及它的点迹延伸方向正负15度范围内且距离在200～800米范围内的另一高压线铁塔B、C、D视为与A位于同一排高压线上，归为一类；按此规则遍历所有高压线铁塔，将同类的铁塔归为一组；

(2)在归类分组后的高压线铁塔组中查找高压线铁塔链

在每一高压线铁塔点组中，按照如下步骤查找高压线链：

(2.1)选定高压线组内的一个铁塔点为链的第一个节点，选定该铁塔点的一个点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.2)在当前节点周围200米范围内查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置和当前延伸方向的平均值，作为链的当前节点位置和当前延伸方向；

(2.3)在链的当前节点周围250～1000米范围内，以及当前延伸方向正负30度范围内寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.4)重复(2.2)和(2.3)的操作，直至找不到下一个铁塔点；

(2.5)对高压线铁塔组中的每一个铁塔点及其两个点迹延伸方向都重复(2.1)～(2.4)操作，找出最长的铁塔链作为结果；

在确定链节点的下一延伸方向时，需要将该点的两个延伸方向减180度后与当前延伸方向作差，选取偏差较大的点迹延伸方向作为下一延伸方向。

(3)在全部点迹中将高压线铁塔链向头尾方向延拓

(3.1)将高压线铁塔链的尾节点作为链的第一个节点，尾节点的下一延伸方向作为链的当前延伸方向；

(3.2)在当前节点周围200米范围内查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置，作为链的当前节点位置，链的当前延伸方向不变；

(3.3)在链的当前节点周围200～600米范围内，以及当前延伸方向正负15度范围内寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，链的当前延伸方向不变；

(3.4)重复(3.2)和(3.3)操作，直至找不到下一个铁塔点或遇到其他链上的点；

(3.5)将延拓得到的链加在原始链的尾部。

(3.6)头部的延拓过程与尾部类似，只是用(2)所提的方法判定链的延伸方向不要与原始链相同。

(4)帧间投票

将横坐标范围为[-3000m，3000m]，纵坐标范围为[0，3000m]的区域划分为30mX30m的小方格，令第n行m列的小方格的实际坐标为[(-3000+15+(m-1)*30)，(0+15+(n-1)*30)]。若小方格的实际坐标位于当前帧找到的铁塔链附近，则令投票矩阵A[n，m]＝1，否则A[n，m]＝0；

假设当前帧号为frame，frame-4帧对应的投票矩阵为A1，frame-3对应的投票矩阵为A2，以此类推，当前帧对应的投票矩阵为A5，判定某小方格[n，m]是否显示为警戒区格子的标准如下：

score[n，m]＝A1[n，m]*1/7+A2[n，m]*1/7+A3[n，m]*1/7+A4[n，m]*2/7+A5[n，m]*2/7，1/7和2/7为权值；

若score[n，m]大于0.5，则判定该格子位于警戒区；

格子是否在链附近的判定规则为：

由(2)和(3)可知链是由许多段线段连接起来的，遍历一条链的各段，若格子的实际坐标位于某一段的周围区域，则认为它在链的附近，A[n，m]＝1；

步骤三：显示电力线分布区域

所述方框格子区域为最终得到的判定的警戒区。

本发明对雷达分辨力的要求较低，并能在较远距离探测到目标(1.5km之外)，且由于仅对点迹进行处理，效率高，运算量小，具有积极和较大的实用价值。

附图说明

图1高压线铁塔点迹示意图。

图2相邻高压线铁塔示意图。

图3高压线铁塔链查找示意图。

图4链节点的下一延伸方向图。

图5高压线铁塔链头尾延拓示意图。

图6链附近区域示意图。

图7电力线分布区域示意图。

图8本发明流程图。

图9高压线区域标记图。

具体实施方式

本发明基于图像处理探测高压电力线，以雷达点迹图作为输入，根据高压线塔的分布特性判断出高压线塔的位置，再利用先验搜索方法找出连续高压线，进而利用帧间投票的方法确定高压线分布区域。实现步骤如下：

基于图像处理的高压线识别方法，

步骤一：判定高压线铁塔

1.一次点迹凝聚

用一般的点迹凝聚方法，把相邻的点迹融合成一个目标(距离：range_pro，方位：azimuth_pro，复数表示：x)，特别是方位(波位)上相邻的点迹。

2.对凝聚后的点迹作临域分析

对高压线铁塔的判断主要是通过它某个范围(rel_dis_lower：150m～rel_dis_upper：500m)内的临近目标(Neighbour)的分布作出的，我们认为高压线铁塔的临近目标应该具有以下特征：

(2.1)一个铁塔目标可能包含多个凝聚点迹，这些点迹在空间上很近；

(2.2)临域内有且仅有两个相邻铁塔目标；

(2.3)相邻铁塔目标和自身的距离最有可能在250～400m之间；

(2.4)临近目标在两个(几乎)相反的方向上；

(2.5)除临近铁塔外，其他目标较少。

3.对每个点迹进行评分(Score)

把全平面点迹看做一幅Markov Random Field图像，得到每个点迹和其临域内其他目标的矢量距离(vec)，根据vec的分布进行统计。

把vec按两种方式划分，一种是上下平面分(angle_k(h)＞＝or＜0)，一种是左右平面分(abs(angle_k(h))＞＝or＜pi/2)，分别统计四类平面中的临域目标个数(NeighbourNum(1:4))，以及四类平面中矢量vec的加权平均角度(AngleWeightedMean(1:4))和加权角度方差(AngleWeightedVar(1:4))。按如下规则计算该点迹的分数：

(3.1)以上的两对平面(上下或左右)中至少要有一对平面各包含1个临域目标，否则表示不满足(2.2)条件，令score＝2；

(3.2)上下平面或者左右平面临域目标数之差应小于7，否则表示不满足(2.5)条件，令score＝3；

(3.3)如果条件(2.1)和(2.2)都满足，则score＝两种平面划分中加权角度方差之和小的那一个；

(3.4)在(2.3)的基础上，在加权角度方差之和小的平面划分情况下，如果这两个平面上的vec加权平均角度之差在弧度1～2之间，则表示不满足目标(2.4)，令score＝4。

4.根据评分判定哪些点迹是高压线铁塔

把score＜0.15的点迹确定为高压线铁塔，记为ObstacleDecision，并根据计算得到的点迹延伸方向(ExtendDirectionLeft、ExtendDirectionRight)在显示平面上画线。

步骤二：连接高压线铁塔

1.将相互邻接的高压线铁塔归类

将位于一高压线铁塔A200米范围内(图1点迹区域，图1为高压线铁塔点迹图)，以及它的点迹延伸方向(ExtendDirectionLeft、ExtendDirectionRight)正负15度范围内且距离在200～800米范围内(图2两翼区域)的另一高压线铁塔B、C、D视为与A位于同一排高压线上，归为一类。按此规则遍历所有高压线铁塔，将同类的铁塔归为一组(Ob_colorset)。

2.在归类分组后的高压线铁塔组中查找高压线铁塔链

在每一高压线铁塔点组中，按照如下步骤查找高压线链(Ob_chain)：

(2.1)选定高压线组内的一个铁塔点为链的第一个节点，选定该铁塔点的一个点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.2)在当前节点周围200米范围内(图2圆中心范围)查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置和当前延伸方向的平均值，作为链的当前节点位置和当前延伸方向；

(2.3)在链的当前节点周围250～1000米范围内，以及当前延伸方向正负30度范围内(图2两翼范围)寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.4)重复(2.2)和(2.3)的操作，直至找不到下一个铁塔点；

(2.5)对高压线铁塔组中的每一个铁塔点及其两个点迹延伸方向都重复(2.1)～(2.4)操作，找出最长的铁塔链作为结果。

注意，在确定链节点的下一延伸方向时，需要将该点的两个延伸方向减180度后与当前延伸方向作差，选取偏差较大的点迹延伸方向(即图4中的右箭头方向)作为下一延伸方向。

3.在全部点迹中将高压线铁塔链向头尾方向延拓

延拓过程与找链过程类似，只是注意延拓过程中链的延伸方向不再变化：

(3.1)将高压线铁塔链的尾节点作为链的第一个节点，尾节点的下一延伸方向作为链的当前延伸方向；

(3.2)在当前节点周围200米范围内(图5圆心范围)查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置，作为链的当前节点位置，链的当前延伸方向不变；

(3.3)在链的当前节点周围200～600米范围内，以及当前延伸方向正负15度范围内(图5中翼的范围)寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，链的当前延伸方向不变；

(3.4)重复(3.2)和(3.3)操作，直至找不到下一个铁塔点或遇到其他链上的点；

(3.5)将延拓得到的链加在原始链(图5上部范围)的尾部。

(3.6)头部的延拓过程与尾部类似，只是需要用2所提的方法判定链的延伸方向不要与原始链相同。

4.帧间投票

将横坐标范围为[-3000m，3000m]，纵坐标范围为[0，3000m]的区域划分为30mX30m的小方格，令第n行m列的小方格的实际坐标为[(-3000+15+(m-1)*30)，(0+15+(n-1)*30)]。若小方格的实际坐标位于当前帧找到的铁塔链附近，则令投票矩阵A[n，m]＝1，否则A[n，m]＝0；

假设当前帧号为frame，frame-4帧对应的投票矩阵为A1，frame-3对应的投票矩阵为A2，以此类推，当前帧对应的投票矩阵为A5，判定某小方格[n，m]是否显示为警戒区格子的标准如下：

score[n，m]＝A1[n，m]*1/7+A2[n，m]*1/7+A3[n，m]*1/7+A4[n，m]*2/7+A5[n，m]*2/7，1/7和2/7为权值；

若score[n，m]大于0.5，则判定该格子位于警戒区，判定为红色。

格子是否在链附近的判定规则为：

由2和3可知链是由许多段线段连接起来的，遍历一条链的各段，若格子的实际坐标位于某一段(图6中间线条)的周围区域(图6线条两侧，r＝120m)则认为它在链的附近，A[n，m]＝1。

步骤三：显示电力线分布区域

所述方框格子区域为最终判定的警戒区(图7，图7电力线分布区域示意图)。

本发明流程如图8所示，图8本发明流程图，雷达高压线识别方法由点凝聚、点迹评分、铁塔点判定与分组、铁塔链查找与延拓、帧间投票、输入输出等多个步骤组成。

本发明对实际雷达探测得到的点迹图dp1606、dp215和dp502的共70帧数据进行了处理，均得到了理想的高压线分布区域，图9高压线区域标记图，如图9所示，所述方框格子区域为最终得到的判定的警戒区，95％以上的图像帧均标记处了正确的高压线区域。

本发明对雷达分辨力的要求较低，并能在较远距离探测到目标(1.5km之外)，且由于仅对点迹进行处理，运算量小，具有积极和较大的实用价值。

Claims (1)

1.基于图像处理的高压线识别方法，其特征在于，该方法步骤如下：

步骤一：判定高压线铁塔

(1)一次点迹凝聚

用点迹凝聚方法，把相邻的点迹融合成一个目标；

(2)对凝聚后的点迹作临域分析

对高压线铁塔的判断是通过它临近目标的分布作出的，其中，高压线铁塔的临近目标具有以下特征：

(2.1)一个铁塔目标可能包含多个凝聚点迹，这些点迹在空间上很近；

(2.2)临域内有且仅有两个相邻铁塔目标；

(2.3)相邻铁塔目标和自身的距离最有可能在250～400m之间；

(2.4)临近目标在两个相反的方向上；

(2.5)除临近铁塔外，其他目标较少；

(3)对每个点迹进行评分

把全平面点迹看做一幅Markov Random Field图像，得到每个点迹和其临域内其他目标的矢量距离，根据矢量距离的分布进行统计；

把矢量距离按两种方式划分，一种是上下平面分(angle_k(h)＞＝or＜0)，一种是左右平面分(abs(angle_k(h))＞＝or＜pi/2)，分别统计四类平面中的临域目标个数(NeighbourNum(1∶4))，以及四类平面中矢量vec的加权平均角度(AngleWeightedMean(1∶4))和加权角度方差(AngleWeightedVar(1∶4))；按如下规则计算该点迹的分数：

(3.1)以上的两对平面(上下或左右)中至少要有一对平面各包含1个临域目标，否则表示不满足(2.2)条件，则score＝2；

(3.2)上下平面或者左右平面临域目标数之差应小于7，否则表示不满足(2.5)条件，则score＝3；

(3.3)如果条件(2.1)和(2.2)都满足，则score＝两种平面划分中加权角度方差之和小的那一个；

(3.4)在(2.3)的基础上，在加权角度方差之和小的平面划分情况下，如果这两个平面上的vec加权平均角度之差在弧度1～2之间，则表示不满足目标(2.4)，则score＝4；

(4)根据评分判定哪些点迹是高压线铁塔

把score＜0.15的点迹确定为高压线铁塔，记为ObstacleDecision，并根据计算得到的点迹延伸方向在显示平面上画线；

步骤二：连接高压线铁塔

(1)将相互邻接的高压线铁塔归类

将位于一高压线铁塔A 200米范围内，以及它的点迹延伸方向正负15度范围内且距离在200～800米范围内的另一高压线铁塔B、C、D视为与A位于同一排高压线上，归为一类；按此规则遍历所有高压线铁塔，将同类的铁塔归为一组；

(2)在归类分组后的高压线铁塔组中查找高压线铁塔链

在每一高压线铁塔点组中，按照如下步骤查找高压线链：

(2.1)选定高压线组内的一个铁塔点为链的第一个节点，选定该铁塔点的一个点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.2)在当前节点周围200米范围内查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置和当前延伸方向的平均值，作为链的当前节点位置和当前延伸方向；

(2.3)在链的当前节点周围250～1000米范围内，以及当前延伸方向正负30度范围内寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，点迹延伸方向作为链的当前延伸方向；

(2.4)重复(2.2)和(2.3)的操作，直至找不到下一个铁塔点；

(2.5)对高压线铁塔组中的每一个铁塔点及其两个点迹延伸方向都重复(2.1)～(2.4)操作，找出最长的铁塔链作为结果；

在确定链节点的下一延伸方向时，将该点的两个延伸方向减180度后与当前延伸方向作差，选取偏差大的点迹延伸方向作为下一延伸方向；

(3)在全部点迹中将高压线铁塔链向头尾方向延拓

(3.1)将高压线铁塔链的尾节点作为链的第一个节点，尾节点的下一延伸方向作为链的当前延伸方向；

(3.2)在当前节点周围200米范围内查找其他铁塔点，将它们视为同一高压线铁塔，求出这些铁塔点位置，作为链的当前节点位置，链的当前延伸方向不变；

(3.3)在链的当前节点周围200～600米范围内，以及当前延伸方向正负15度范围内寻找其他铁塔点，将其中距当前节点最近的铁塔点取出作为链的当前节点，链的当前延伸方向不变；

(3.4)重复(3.2)和(3.3)操作，直至找不到下一个铁塔点或遇到其他链上的点；

(3.5)将延拓得到的链加在原始链的尾部；

(3.6)头部的延拓过程与尾部类似，只是用(2)所提的方法判定链的延伸方向不与原始链相同；

(4)帧间投票

将横坐标范围为[-3000m，3000m]，纵坐标范围为[0，3000m]的区域划分为30mx30m的小方格，令第n行m列的小方格的实际坐标为[(-3000+15+(m-1)*30)，(0+15+(n-1)*30)]；若小方格的实际坐标位于当前帧找到的铁塔链附近，则令投票矩阵A[n，m]＝1，否则A[n，m]＝0；

假设当前帧号为frame，frame-4帧对应的投票矩阵为A1，frame-3对应的投票矩阵为A2，以此类推，当前帧对应的投票矩阵为A5，判定某小方格[n，m]是否显示为警戒区格子的标准如下：

score[n，m]＝A1[n，m]*1/7+A2[n，m]*1/7+A3[n，m]*1/7+A4[n，m]*2/7+A5[n，m]*2/7，1/7和2/7为权值；

若score[n，m]大于0.5，则判定该格子位于警戒区；

格子是否在链附近的判定规则为：

由(2)和(3)可知链是由许多段线段连接起来的，遍历一条链的各段，若格子的实际坐标位于某一段的周围区域，则认为它在链的附近，A[n，m]＝1；

步骤三：显示电力线分布区域

所述显示方框格子区域为最终得到的判定的警戒区。

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