CN103604419A - 基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统，该方法包括：1）安装两个不同位置且呈一定角度的摄像机对待测导线进行成像，得到待测导线边界轮廓；2）采集在覆冰情况下所拍摄的待测导线的覆冰图像；3）处理由两个摄像机从不同角度获取同一段线路的覆冰图像，使覆冰线路上的同一点在两幅图像中的像点呈现不同的视觉位置，根据摄像机成像原理得到两像点间的几何关系，进而计算出该点的三维坐标；4）通过获得大量特征点的三维坐标数据重建线路覆冰的三维模型；5）将线路覆冰的三维模型与待测导线边界轮廓进行比较，计算得到覆冰厚度。本发明提供了一种可对覆冰进行远程实时监控的基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统。

Description

基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统覆冰在线监测技术领域，涉及一种导线覆冰监测方法及系统，尤其涉及一种基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统。

技术背景

在输变电系统中，输电线路的覆冰现象十分普遍。覆冰可以引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆（塔）、断线及绝缘子闪络等重大事故，严重威胁电力系统的安全运行。开展覆冰在线监测技术的研究，并且根据检测结果预测一定时间内的覆冰厚度，会对提高电力系统的安全运行将有积极意义和实用价值。

目前，监测输电线路覆冰的实时状态以及覆冰的严重程度主要依靠以下的几种方式：设立覆冰观测站、模拟导线法、在线遥测法等。这些方式要么需要人工现场检测，要么计算不准确。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可对覆冰进行远程实时监控的基于三维重构的导线覆冰监测方法及系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于三维重构的导线覆冰监测方法，其特殊之处在于：所述基于三维重构的导线覆冰监测方法包括以下步骤：

1）安装两个不同位置且呈一定角度的摄像机对待测导线进行成像，得到待测导线边界轮廓；所述两个摄像机采用光轴上下平行且基线共线的位置进行布置；

2）采集步骤1）中已经建立好的两个摄像机在覆冰情况下所拍摄的待测导线的覆冰图像；

3）利用基于视差原理的双目立体视觉方法处理步骤2）中由两个摄像机从不同角度获取同一段线路的覆冰图像，使覆冰线路上的同一点在两幅图像中的像点呈现不同的视觉位置，根据摄像机成像原理得到两像点间的几何关系，进而计算出该点的三维坐标；

4）通过获得大量特征点的三维坐标数据重建线路覆冰的三维模型；

5）将步骤4）中所得到的线路覆冰的三维模型与步骤1）中所得到的待测导线边界轮廓进行比较，计算得到覆冰厚度。

上述基于三维重构的导线覆冰监测方法在步骤5）之后还包括：

6）通过微气象传感器采集的覆冰气象环境信息以及覆冰厚度计算给出预警信息；

7）对覆冰图像进行JPEG压缩；

8）将经过压缩后的的覆冰图像以及步骤6）所得到的预警信息通过无线传输单元把数据和图像发送到监控中心。

一种用于实现如上所述的基于三维重构的导线覆冰监测方法的监测系统，其特殊之处在于：所述监测系统包括中央处理器、图像采集单元以及电源；所述电源以及中央处理器分别与图像采集单元相连。

上述图像采集单元包括第一摄像机、第一解码芯片、第二摄像机、第二解码芯片以及快门；所述第一摄像机通过第一解码芯片接入中央处理器；所述第二摄像机通过第二解码芯片接入中央处理器；所述快门接入中央处理器；所述第一摄像机以及第二摄像机均是CCD摄像机。

上述第一摄像机与第二摄像机交叉设置在待测导线两侧。

上述第一摄像机与第二摄像机的光轴上下平行且基线共线。

上述监测系统还包括微气象信息采集单元以及A/D转换器；所述微气象信息采集单元通过A/D转换器接入中央处理器。

上述微气象信息采集单元是湿度传感器、风速传感器、风向传感器以及雨量传感器的一种或其组合。

上述监测系统还包括与中央处理器相连的GPRS无线传输单元。

上述中央处理器是基于DSP芯片所形成的。

本发明的优点是：

本发明采用了光学成像结合图像三维重构技术实现对输电导线覆冰的测量，其原理是通过两个安装不同位置，成一定角度的成像镜头对被测对象高压电缆成像，两台摄像机采用光轴上下平行、基线共线的位置布置；控制系统采用DSP采集CCD摄像机拍摄的覆冰图像，然后利用基于视差原理的双目立体视觉方法，把由两个摄像机从不同角度获取同一段线路的覆冰图像，使覆冰线路上的同一点在两幅图像中的像点呈现不同的视觉位置，再根据摄像机成像原理得到两像点间的几何关系，进而计算出该点的三维坐标，通过获得大量特征点的三维数据重建线路覆冰的三维模型，通过图像处理技术，计算得到覆冰厚度。通过微气象传感器采集的覆冰气象环境信息和覆冰厚度计算给出预警信息，同时对覆冰图像进行JPEG压缩，经过压缩的覆冰图像、气象参数以及覆冰厚度等信息通过无线传输单元把数据和图像发送到监控中心。本系统采用图像监测法，根据CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合器件）图像传感器拍摄图片，利用基于双目立体视觉技术对图像进行三维重构，该方法能够直观地给出覆冰厚度分布状况且测量精度高利用图像的边缘特征来确定覆冰厚度。本发明所提供的监测系统结构简单，精度高，具备预警提示功能，并且工作人员可根据现场实时图像对覆冰进行监控。

附图说明

图1是本发明所提供的监测系统的原理示意图；

图2是本发明所采用的监测系统的结构框图；

图3是本发明在三维重构的覆冰厚度计算时的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用光学成像结合图像三维重构技术实现对输电导线覆冰的测量，其基本原理是通过两个安装不同位置，成一定角度的成像镜头对被测对象高压电缆成像，两台摄像机采用光轴上下平行、基线共线的位置布置，既容易得到垂直方向上的视差，又可简化后续处理；控制系统采用DSP采集CCD摄像机拍摄的覆冰图像，然后利用基于视差原理的双目立体视觉方法，把由两个摄像机从不同角度获取同一段线路的覆冰图像，使覆冰线路上的同一点在两幅图像中的像点呈现不同的视觉位置，再根据摄像机成像原理得到两像点间的几何关系，进而计算出该点的三维坐标，通过获得大量特征点的三维数据重建线路覆冰的三维模型。然后通过图像处理技术，计算得到覆冰厚度。通过微气象传感器采集的覆冰气象环境信息和覆冰厚度计算给出预警信息，同时对覆冰图像进行JPEG压缩，经过压缩的覆冰图像、气象参数以及覆冰厚度等信息通过无线传输单元把数据和图像发送到监控中心。

从原理上讲，本发明可划分为以下几个部分：电源、光源、成像单元、总控制系统单元、保温单元。其中成像单元包括摄像头、成像镜头、快门；其中快门可以提高成像的质量，防止过多杂散光进入视场，对于提升图像质量有较大影响。考虑到野外供电困难，电源采用太阳能光伏与蓄电池结合供电。光源为被测设备照明使用，可使设备在夜间正常工作。保温单元采用电热丝进行系统保温，为保证系统个器件不受低温影响正常工作。总控制系统单元采用DSP芯片完成对各个部件的控制。

参见图2，根据如上原理，本发明提供了一种用于实现基于三维重构的导线覆冰监测方法的监测系统，该监测系统包括中央处理器、图像采集单元以及电源；电源以及中央处理器分别与图像采集单元相连。

中央处理器（系统CPU）采用DSP芯片，控制着系统的工作进程，是整个系统的核心。CCD摄像头获取输电线的覆冰图像，经过视频解码芯片进行解码，将解码后的数字图像信息送入DSP，在DSP中完成覆冰厚度计算，将覆冰厚度的计算结果通过无线传输单元发送到监控中心，与此同时，将微气象信息采集单元（湿度传感器、风速传感器、风向传感器和/或雨量传感器）获取的湿度、风速、风向、雨量等微气象信息，经A/D转换，也送到监控中心，最终，由监控中心对实时监测的数据进入存储和管理，再做进一步的决策。

图3是基于三维重构的覆冰厚度计算流程示意图；首先对两幅图像进行图像预处理，然后将两幅图像进行坐标转换，根据三维重建原理得到重建的图像，与记录的导线轮廓进行比较，即可得到所需要的边界轮廓。算法流程如下：对采集的覆冰图像预处理，然后进行图像三维重构，与标定的导线图像比较后，即可得到测量的覆冰厚度。

对于覆冰厚度预测，当前导线覆冰预测模型种类繁多，并且都对覆冰增长的模拟存在一定的理论误差。综合分析Makkonen模型考虑因素较多，实验室验证效果较好，因此，本系统采用Makkonen模型：

$M_{i+1}=M_i+2{\∫}_{{\mathrm{\τ}}_i}^{{\mathrm{\τ}}_{i+1}}R\left(\mathrm{\τ}\right){\mathrm{\α}}_1\left(\mathrm{\τ}\right){\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\τ}\right){\mathrm{\α}}_3\left(\mathrm{\τ}\right)w\left(\mathrm{\τ}\right)v\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

式中，R为覆冰导线半径；α₁、α₂、α₃分别为碰撞率、捕获率和冻结率；w为空气绝对湿度；i为时间段，0，1，2…，n；τ为时间；v为风速。R、v、w是可测量量，α₁、α₂、α₃是间接量，是确定导线覆冰量的关键。碰撞率α₁与导线半径、水滴直径、空气粘滞系数等有关，应根据相关的计算方法得出。一般认为捕获率α₂为1。冻结率α₃与湿度与温度等有关，在零下10℃以下，冻结率为1，大于0℃时，冻结率为0。

本发明采用亚像素图像处理方法，成本低，测量速度快（每次从图像采集开始到得到覆冰厚度的时间为28.4秒），引入三维重构模型实现精度高测量，实现了输电线路覆冰的远程监测。实验表明，本发明中成像系统采用添加快门的设计极大的抑制杂散光对于成像质量的影响；根据系统数据分析，预测覆冰厚度，给出预警信息。

Claims (10)

1.一种基于三维重构的导线覆冰监测方法，其特征在于：所述基于三维重构的导线覆冰监测方法包括以下步骤：

1）安装两个不同位置且呈一定角度的摄像机对待测导线进行成像，得到待测导线边界轮廓；所述两个摄像机采用光轴上下平行且基线共线的位置进行布置；

2）采集步骤1）中已经建立好的两个摄像机在覆冰情况下所拍摄的待测导线的覆冰图像；

3）利用基于视差原理的双目立体视觉方法处理步骤2）中由两个摄像机从不同角度获取同一段线路的覆冰图像，使覆冰线路上的同一点在两幅图像中的像点呈现不同的视觉位置，根据摄像机成像原理得到两像点间的几何关系，进而计算出该点的三维坐标；

4）通过获得大量特征点的三维坐标数据重建线路覆冰的三维模型；

5）将步骤4）中所得到的线路覆冰的三维模型与步骤1）中所得到的待测导线边界轮廓进行比较，计算得到覆冰厚度。

2.根据权利要求1所述的基于三维重构的导线覆冰监测方法，其特征在于：所述基于三维重构的导线覆冰监测方法在步骤5）之后还包括：

6）通过微气象传感器采集的覆冰气象环境信息以及覆冰厚度计算给出预警信息；

7）对覆冰图像进行JPEG压缩；

8）将经过压缩后的的覆冰图像以及步骤6）所得到的预警信息通过无线传输单元把数据和图像发送到监控中心。

3.一种用于实现权利要求1或2所述的基于三维重构的导线覆冰监测方法的监测系统，其特征在于：所述监测系统包括中央处理器、图像采集单元以及电源；所述电源以及中央处理器分别与图像采集单元相连。

4.根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于：所述图像采集单元包括第一摄像机、第一解码芯片、第二摄像机、第二解码芯片以及快门；所述第一摄像机通过第一解码芯片接入中央处理器；所述第二摄像机通过第二解码芯片接入中央处理器；所述快门接入中央处理器；所述第一摄像机以及第二摄像机均是CCD摄像机。

5.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于：所述第一摄像机与第二摄像机交叉设置在待测导线两侧。

6.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于：所述第一摄像机与第二摄像机的光轴上下平行且基线共线。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括微气象信息采集单元以及A/D转换器；所述微气象信息采集单元通过A/D转换器接入中央处理器。

8.根据权利要求7所述的监测系统，其特征在于：所述微气象信息采集单元是湿度传感器、风速传感器、风向传感器以及雨量传感器的一种或其组合。

9.根据权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述监测系统还包括与中央处理器相连的GPRS无线传输单元。

10.根据权利要求3所述的监测系统，其特征在于：所述中央处理器是基于DSP芯片所形成的。

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