CN104410839A - 一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统与监测方法 - Google Patents

Abstract

一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统与监测方法，该系统包括高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器、云台和电源模块；其中所述高清摄像头与视频智能分析服务器相连，所述激光测距模块与视频智能分析服务器相连，所述云台与视频智能分析服务器相连，所述电源模块分别为高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器和云台供电。本发明具有功能集成、实时准确、结构简单、安装方便等优点。

Description

一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统与监测方法

技术领域

本发明属于输电线路区域山火和山体滑坡等自然灾害远程在线监领域，具体是一种采用太阳能光伏供电，通过摄像头采集输电线杆塔周边的图像信息，判断自然灾害的状况，并进行报警和数据远程传输的系统及其使用方法。

背景技术

我国高压输电线路总长约90万公里，大部分线路分布在偏远地区，为了确保输电线路的正常运行，需要定期人工巡检，效率底下，并且不能够监测实时灾害。

现有的山火和山体滑坡等自然灾害监测系统造价高，结构复杂，各种自然灾害监测系统相对独立。监测的参数过去采用的是点式三维系统，即在同层中以点、线、面等符号表征不同类型的实际物体，无法真正地反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形地貌，不能为巡视、操作及检修人员提供一个真实的环境信息。判断灾害对输电线路杆塔影响，必须知道灾害严重性，测量灾害发展趋势，对速度、面积、距离综合计算。因此需要根据全场景数据进行综合，制定最科学有效的抢修方案。

现有的绝大多数远程监测系统功能单一，只能简单的将地址变化信息或照片发送到数据中心，数据简单，信息不全，照片模糊，同时还需要数据中心进一步分析比对判断灾害是否发生，延误灾害监测和救助时机。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统与监测方法，通过现场数据的结果分析，给出详细的灾害特征参数，为制定科学合理的抢救措施提供有效的依据，具有功能集成、实时准确、结构简单、安装方便等优点。

本发明提供了一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，该系统包括高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器、云台和电源模块。其中所述高清摄像头与视频智能分析服务器相连，所述激光测距模块与视频智能分析服务器相连，所述云台与视频智能分析服务器相连，所述电源模块分别为高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器和云台供电。

本发明所述高清摄像头安装在球机中，采用具有1000米以上的拍摄距离的高清摄像头，所拍摄图像数据直接传输给视频智能分析服务器。

本发明所述激光测距模块用于准确测量摄像头拍摄画面的中心位置到杆塔的距离，数据直接传输给视频智能分析服务器；所述激光测距模块探头与摄像头平行，所述激光测距模块探头和摄像头固定安装在云台上。

本发明所述云台具备能够在水平方向上360度旋转，在垂直方向上180度旋转，采用伺服电机驱动，根据图像信息分析和反馈的编码器值调整旋转速度和角度；云台内置高分辨率数字编码器，编码器值通过串行方式传输给视频智能分析服务器准确分析当前方位角和俯仰角。

本发明所述视频智能分析服务器用于图像信息的处理，结合算法分析判断是否发生山火或者山体滑坡等自然灾害，如果判定为灾害发生，则通过激光测距数据、云台方位角和俯仰角数据分析计算灾害蔓延到杆塔的时间，将灾害发生时间、地点、发展态势等信息和现场图片等通过3G无线通信方式发送给远程客户端和相关工作人员的3G移动终端。

本发明所述电源模块采用太阳能光伏组件将太阳能转化成电能，并采用高容量的锂离子电池进行存储。

本发明提供了一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统的监测方法，设备进行现场安装后，首先根据标准定位系统将云台的水平坐标和竖直坐标进行校准，以便获得准确的位置信息；再选择监测灾害类型(山火和山体滑坡之一)，启动摄像头开始工作，对监测范围的图像进行采集存储，获得标准图像信息和标志物(在山体滑坡灾害监测模式中用到)的位置信息；视频智能分析服务器将实时采集的图片信息与存储信息进行比较，发现可疑图片时立刻读取激光测距模块和云台方位角、俯仰角数据，计算出灾害发生点与输电线路杆塔的距离、蔓延到杆塔的时间；最后视频智能分析服务器将灾害信息与现场图片通过3G移动通信方式传输给远程客户端和工作人员的3G移动终端；工作人员根据现场的图片信息判断是否发生自然灾害，如果确认灾害已经发生，则根据灾害状态参数制定有效的抢修措施，减小灾害对输电线路的损害。

本发明的有益效果是，提供了一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统及监测方法，与现有技术相比，具有系统集成度高，实时准确，结构简单，安装方便等特点。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明移动式输电线路杆塔区域山火与山体滑坡灾害的在线监测系统的结构框图；

图2为本发明移动式输电线路杆塔区域山火与山体滑坡灾害的在线监测系统图像处理流程图；

图3为本发明移动式输电线路杆塔区域山火与山体滑坡灾害的在线监测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，但该实施例不应理解为对本专利的限制，说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。此外，下面所描的本发明专利各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明提供了一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，本发明特征在于，该系统包括高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器、云台和电源模块。其中所述高清摄像头与视频智能分析服务器相连，所述激光测距模块与视频智能分析服务器相连，所述云台与视频智能分析服务器相连，所述电源模块为高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器和云台供电。

作为进一步优选地，所述高清摄像头安装在球机中，具有1000米以上的拍摄距离，图像数据直接传输给视频智能分析服务器。

作为进一步优选地，所述激光测距模块能准确测量摄像头拍摄画面的中心位置到杆塔的距离，数据直接传输给视频智能分析服务器；所述激光测距模块探头与摄像头平行，所述激光测距模块探头和摄像头固定安装在云台上。

作为进一步优选地，所述云台可以水平方向上360度旋转，在垂直方向上180度旋转，并通过串行方式传输给视频智能分析服务器，并能准确记录当前方位角和俯仰角；

作为进一步优选地，所述视频智能分析服务器主要用于图像信息的处理，结合算法分析判断是否发生山火或者山体滑坡等自然灾害，如果判定为灾害发生，则通过激光测距数据和云台方位角和俯仰角数据分析计算灾害蔓延到杆塔的时间，将灾害发生时间、地点、发展态势等信息和现场图片等通过3G无线通信方式发送给远程客户端和相关工作人员的3G移动终端。

作为进一步优选地，所述电源模块采用太阳能光伏组件将太阳能转化成电能，并采用高容量的锂离子电池进行存储。

作为进一步优选地，所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，所述视频数据处理过程如下：

(1)首先摄像头拍摄视频，并输入到视频智能分析服务器，视频服务器主要用于图像的分析和信息综合；

(2)建立场景图像的背景模型，根据检测目标事件要求，首先必须提取出当前背景环境数据。一般输电线周围的背景环境比较复杂，包括摇动的树枝、庄稼，以及昼夜的交替等。例如在某帧中一个像素可能表示天空，但在另一帧中则可能表示树叶，所以采用Stauffer提出的自适应混合高斯模型背景建模法，由多个高斯分布组成，可以在包含运动目标的视频中自适应提取背景模型，以获取更精确的背景描述用以目标检测。

(3)本发明用到的混合高斯模型建模原理如下：该模型中使每一个像素的灰度值用K个高斯分布描述，通常K值取3～5，K值的大小取决于计算机内存及对算法的速度要求，K值越大，处理灰度变化的能力越强，相应所需的处理时间也就越长。定义像素点灰度值用变量X_t表示，其概率密度函数可用如下K个三维高斯函数表示：

$P(X_t=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,t}\·\mathrm{\η}(X_t,{\mathrm{\μ}}_{i,t},{\mathrm{\Σ}}_{i,t})$

式中ω_i,t为第i个高斯分布在t时刻的权重，且有是t时刻的第i个高斯分布，其均值为μ_i,t，协方差为Σ_i,t。

$\mathrm{\η}(X_t,{\mathrm{\μ}}_{i,t},{\mathrm{\Σ}}_{i,t})=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^{\frac{n}{2}}{\left|{\mathrm{\Σ}}_{i,t}\right|}^{1/2}}{e}^{-\frac{1}{2}{(X_t-{\mathrm{\μ}}_{i,t})}^T{\mathrm{\Σ}}_{i,t}^{-1}(X_t-{\mathrm{\μ}}_{i,t})}$

式中，i＝1,…,K；n表示X_t的维数，为了降低计算量，通常认为R、G、B3个通道相互独立，并有相同的方差，则有表示方差，I表示单位阵。

背景图像生成后，需对当前帧中的运动目标进行提取。背景差分方法，其原理如下：首先设B_k为背景图像，f_k为当前帧图像，差分图像为D_k，则D_k(x,y)＝|f_x(x,y)-B_k-1(x,y)|，设R_k为差分后二值图像。对R_k进行连通性分析，当某一连通的区域的面积大于一定的阈值，则认为检测的目标出现，并认为这个连通的区域就是检测到的目标图像。

T为设定的二值化阈值。图2即为对视频图像进行背景建模及前景提取的过程。

如果运动区域具有烟雾、火焰的颜色，运动区域的烟雾、火焰形态分析，从而区分真正的烟雾、火焰的普通运动物体；利用区域增长和腐蚀的方法，对检测的结果进行改进。

(4)当事件发生后，启用摄像头拍摄图片，并采用激光测距模块测量当前图像中心位置，根据疑似灾害发生点在图片中的位置，计算出实际空间的坐标位置。

具体地，摄像头和激光测距模块装置按照平行光轴结构固定安装在云台上。

具体地，成像位于同一平面内，光轴互相平行，光轴间间隔距离为B(即OR，OL距离)，称为基线，两成像镜头的焦距为F。X平面和Z平面的映射，可以很容易找到空间中任一点P(X，Y，Z)与左右像点的对应关系。

具体地，设置摄像头、坐标图像坐标、实际坐标，图像坐标为摄像头所拍摄到的图像二维坐标，以XY轴像素为坐标，并换算成有单位的图像坐标。将XY坐标距离通过转换为激光云台角度，跟踪角度和实测距离就可以推算图片坐标。

本发明还提供了一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统的监测方法，如图3所示，其主要步骤如下：

(1)现场安装，根据标准定位系统将云台的水平坐标和竖直坐标进行校准，以便获得准确的位置信息；

(2)选择监测灾害类型(山火和山体滑坡之一)，摄像头开始工作，对监测范围的图像进行采集存储，获得标准图像信息和标志物(可能在山体滑坡灾害监测中用到)的位置信息；

其中，设备开始工作以后，首先要对系统进行初始化，初始化过程是根据预先设定的水平扫描角度和垂直扫描角度，对监测区域的图像进行采集和存储，作为基本信息；如果为山体滑坡灾害监测模式，需要对标志物进行图像采集存储；特别地，系统默认状态为山火监测状态，如果进行山体滑坡灾害监测，在系统初始化过程之前，需要通过功能切换按键进行切换；

(3)视频智能分析服务器将实时采集的图片信息与存储信息进行比较，发现可疑图片时立刻读取激光测距模块和云台方位角、俯仰角数据，计算出灾害发生点与输电线路杆塔的距离、蔓延到杆塔的时间；

(4)视频智能分析服务器将灾害信息与现场图片通过3G移动通信方式传输给远程客户端和工作人员的3G移动终端；

(5)工作人员根据现场的图片信息判断是否发生自然灾害，如果确认灾害已经发生，则根据灾害状态参数制定有效的抢修措施，减小灾害对输电线路的损害。

实验证明，本发明提供的系统具有精确、科学、准确、实时等特点，视频智能分析服务器对采集的现场照片进行了分析和综合，能基本准确判断山火或山体滑坡灾害的可能性，并将位置信息和灾害信息相结合，给出灾害对杆塔线路的危害性结论，具有高度的系统集成；视频智能分析服务器仅仅将重要的疑似图片传输给远程客户端，大大节省了3G通信传输的数据流量，节省了网络资源；本系统对山火和山体滑坡等自然灾害的监测具有稳定的可靠性，具有重要的现实相意义，可以在输电线系统、国土资源管理系统和其他相关领域推广应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，该系统包括高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器、云台和电源模块；其中所述高清摄像头与视频智能分析服务器相连，所述激光测距模块与视频智能分析服务器相连，所述云台与视频智能分析服务器相连，所述电源模块分别为高清摄像头、激光测距模块、视频智能分析服务器和云台供电。

2.如权利要求1所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，所述高清摄像头安装在球机中，采用具有1000米以上的拍摄距离的高清摄像头，所拍摄图像数据直接传输给视频智能分析服务器。

3.如权利要求1所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，所述激光测距模块用于准确测量摄像头拍摄画面的中心位置到杆塔的距离，数据直接传输给视频智能分析服务器；所述激光测距模块探头与摄像头平行，所述激光测距模块探头和摄像头固定安装在云台上。

4.如权利要求1所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，所述云台具备能够在水平方向上360度旋转，在垂直方向上180度旋转，采用伺服电机驱动，根据图像信息分析和反馈的编码器值调整旋转速度和角度；云台内置高分辨率数字编码器，编码器值通过串行方式传输给视频智能分析服务器准确分析当前方位角和俯仰角。

5.如权利要求1所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，所述视频智能分析服务器用于图像信息的处理，结合算法分析判断是否发生山火或者山体滑坡的自然灾害，如果判定为灾害发生，则通过激光测距数据、云台方位角和俯仰角数据分析计算灾害蔓延到杆塔的时间，将灾害发生时间、地点、发展态势信息和现场图片通过3G无线通信方式发送给远程客户端和相关工作人员的3G移动终端。

6.如权利要求1所述的一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统，其特征在于，所述电源模块采用太阳能光伏组件将太阳能转化成电能，并采用高容量的锂离子电池进行存储。

7.一种移动式输电线杆塔区域山火与山体滑坡灾害在线监测系统的监测方法，其步骤如下：

(1)现场安装，根据标准定位系统将云台的水平坐标和竖直坐标进行校准，以便获得准确的位置信息；

(2)选择监测灾害监测类型，即选择山火或山体滑坡灾害监测模式之一，摄像头开始工作，对监测范围的图像进行采集存储，获得标准图像信息和位置信息，对于山体滑坡，首先要获取用于山体滑坡灾害监测标志物的位置信息；

(3)视频智能分析服务器将实时采集的图片信息与存储信息进行比较，发现可疑图片时立刻读取激光测距模块、云台方位角和俯仰角数据，计算出灾害发生点与输电线路杆塔的距离、蔓延到杆塔的时间；

(4)视频智能分析服务器将灾害信息与现场图片通过3G移动通信方式传输给远程客户端和工作人员的3G移动终端。