CN104807449A - 一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统，所述系统包括相机控制模块、校验模块和数据处理模块；所述相机控制模块用于控制双目系统中两部立体相机同步拍摄图像，并将所拍摄图像导出到设定目录；所述校验模块完成标靶的量测、双目系统的校验并将校验获得的参数保存在文件中；数据处理模块用于量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离。本发明所述的系统测量测距达到50-100米时；测量精度达到1/1000；该系统能实现全自动和半自动同名点的选择，能准确进行点的定位；该系统能自动计算不同点之间的距离、点与输电线以及输电线与输电线之间的最小距离，减少了操作人员的工作量。

Description

一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统

技术领域

本发明涉及输电线交叉跨越测量技术领域，特别涉及一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统。

背景技术

随着技术的进步，许多新的技术被逐步运用到输电线路交叉跨越测量的过程中，基于现代交通运载技术、图像处理与模式识别技术、计算机等技术的新一代输电线巡检管理系统是输电线巡检技术发展的必然趋势。将现代的测绘技术用于输电线路交叉跨越测量，保证输电线路的安全也正是顺应了这一发展趋势，将超声波、全站仪、手持GPS等测量技术应用到电力测量中。全站仪测量可以精确的获得输电线路的距离，但是全站仪需要专业人员操作，测量的效率比较低，不利于大规模普及。

机载激光扫描是近年兴起的一种先进的三维探测技术，该技术是将三维激光扫描仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术，具有作业速度快，外业工作量小、测量精度高、获取数据量大、自动化程度高、最大限度真实地反映地表情况等特点，可用于快速生成数字高程模型、数字表面模型和数字正射影像。该技术具有方便、快捷、较强的可重复性，但是这种方法成本高，不适合在山区作业。

摄影测量技术作为一种成熟的测图技术，可以通过影像获得地面的三维信息和地物信息。使用摄影测量技术完成输电线路交叉跨越测量过程，通常在直升机上搭载立体相机的方法，该方法受安全、天气因素影响较大，不够灵活。

发明内容

基于此，本发明公开了一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统；

所述系统包括相机控制模块、校验模块和数据处理模块；

所述相机控制模块用于控制双目系统中两部立体相机同步拍摄图像，并将所拍摄图像导出到设定目录中；

所述校验模块首先在测量场景中布置一定数量的标靶，使用双目系统中两部立体相机同步在该场景中拍摄，其次测量标靶的三维坐标和标靶在图像中二维坐标；最后利用测量得到的标靶的三维和二维坐标解算测量系统的参数，并将所述参数发送给数据处理模块；

所述数据处理模块根据获得的测量系统的参数量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离。

附图说明

图1为一个实施例双目系统示意图；其中，C₁为左边相机，C₂为右边相机，O为左相机的中心，定义以O为原点的，X轴为基线方向Z轴竖直向上的右手坐标系；

图2为一个实施例双目立体几何关系；其中p为左图像上的一个待测量点，M是p对应的实际三维坐标，p’是p在右图像上待匹配的点；直线L1L2是p在右图像上的核线，该直线是平面OO₂M与右图像平面的交线。R₁，T₁，R₂，T₂是点M变换到图像上的点p和p”的旋转矩阵和平移向量，其中R为3x3矩阵，T为3x1的向量；

图3为一个实施例核线和输电线交会精度；

图4为一个实施例双边缘现象；

图5为一个实施例核线与输电线交点；其中(a)为核线约束；(b)为核线和输电线的交点；

图6为一个实施例使用的相位一致性算法使用流程。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明提出了一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统；

所述系统包括相机控制模块、校验模块和数据处理模块；

所述相机控制模块用于控制双目系统中两部立体相机同步拍摄图像，并将所拍摄图像导出到设定目录；

所述校验模块首先在场景中布置一定数量的标靶，使用双目系统中两部立体相机同步在该场景中拍摄，然后测量标靶的三维坐标和标靶在图像中二维坐标；最后利用测量得到的标靶的三维和二维坐标解算测量系统的参数，并将所述参数发送给数据处理模块；

所述数据处理模块根据获得的测量系统的参数量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离。

在本实施例中，其中相机控制模块和系统校验模块为整个测量系统的基础，为数据处理模块提供基础基本参数，包括图像，相机内参数(焦距，主点，图像畸变参数)以及立体相机之间的相对位置关系；数据处理模块为则是使用以上基础信息测量完成输电线测量；所述校验模块完成标靶的量测、双目系统的校验并将校验获得的参数自动保存在文件中；数据处理模块用于量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离，完成输电线路交叉跨越测量工作。本实施例所述的系统能自动计算不同点之间的距离、点与输电线以及输电线与输电线之间的最小距离，减少了操作人员的工作量。

在一个实施例中，所述相机控制模块用于同时控制双目系统中的两部立体相机的快门并同时获得两部相机拍摄的不同角度的图像，并将它们进行保存。

本实施例所述相机控制程序用于同时控制两部相机的快门并同时获得相机拍摄的影像，并将影像进行保存。所述相机控制模块是指在计算机上完成控制相机拍摄、取景、参数设置等功能。该模块能实时显示双目相机所拍摄的场景，方便调整拍摄的角度和位置；相机的快门也通过该模块控制，完成同步拍摄，最后自动地将数据保存在计算机上。

在一个实施例中，在所述场景中布置的标靶数量不少于6个且这些标靶不能分布在同一个平面内，并保证在距离标靶最近距离为15m到20m时拍摄的图像上均匀分布至少6个标靶

在一个实施例中，所述校验模块的校验流程包括首先手动或者半自动的完成标靶点二维坐标的量测，使用全站仪完成标靶点三维坐标的量测，从而获得双目系统的内外方位元素；然后对双目系统的内外方位元素进行校验；最后将所述校验后的内外方位元素提供给数据处理模块。

具体的每个功能为：

(1)量测靶点

手动选择拍摄的图像上的标靶点，其中高精度的标靶点半自动提取，对于量测的点，可输入每个点的点号。

(2)控制点导入及解算

导入测量的三维控制点，标定中使用的三维控制点是通过全站仪测量标定场中的标靶中心获得，三维控制点同一存储于文本文件中，文件的每一行为一个控制点信息，每一行中依次为控制点的编号，然后是X，Y，Z坐标。从文件中批量读入固定格式的控制点坐标。使用整体平差的方法求相机的内方位元素参数及两部相机之间的相对位置关系，即两个相机的内方位元素、畸变参数、相机之间的相对位置关系和相对姿态。

检校的流程是，首先在影像上选取控制点对应的标靶的像点坐标，再导入控制点坐标，最后平差获得双目系统内、外方位元素。

完成双目系统的检校或者已知双目系统分的内、外方位元素之后，则能够完成测量工作。测量的目标是量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离，完成输电线路交叉跨越测量工作。测量模块的主要功能是能准确测量输电线和物体点的坐标。具体的功能有输电线的精确定位和拟合，核线的生成，点的三维坐标的计算，距离的量测。

在一个实施例中，所述双目系统内外方位元素的校验分为单目序列影像相机校验和双目区域影像整体平差校验；

所述单目序列影像相机校验首先使用直接线性变换计算相机的内外方位元素初值，然后根据共线方程对相机内外方位元素使用最小二乘法进行优化；

所述双目区域影像整体平差校验具体包括将两部相机拍摄的不同图像作为一个区域利用共线方程进行整体平差，获得两部相机之间的相对外方位元素。

本实施例中双目系统的检校是为了获得两部相机各自的内方位元素和它们之间的相对外方位元素。其中内方位元素是指相机的像主点位置x₀，y₀，主距f以及像片的畸变参数K₁，K₂，P₁，P₂；相对外方位元素定义为，以某一部相机的图像空间坐标系为参考坐标系，另一部相机相对于参考坐标系的空间位置和姿态，相机的位置和姿态分别通过线元素Xs，Ys，Zs和角元素ω，κ来表示。

如图1所示，C1相机的像空间坐标系为参考坐标系。此时，相机C1的六个外方位元素全部为0，C2的外方位元素即相对外方位元素，可以根据两部相机获得的相片间的同名点约束获得。

双目系统检校分为两步：1、单目序列影像相机检校；2、双目区域影像整体平差。

单目检校首先使用直接线性变换(DLT)计算相机内、外方位元素初值，然后根据严格的共线方程进行最小二乘迭代最优化。共线方程如公式(1)所示，方程左边的像点坐标x，y为观测的原始像点坐标，未经过相片畸变改正。

$x-x_0+\mathrm{\Δx}=-f\frac{a_1(X-\mathrm{Xs})+b_1(Y-\mathrm{Ys})+c_1(Z-\mathrm{Zs})}{a_3(X-\mathrm{Xs})+b_3(Y-\mathrm{Ys})+c_3(Z-\mathrm{Zs})}$

    (1)

$y-y_0+\mathrm{\Δy}=-f\frac{a_2(X-\mathrm{Xs})+b_2(Y-\mathrm{Ys})+c_2(Z-\mathrm{Zs})}{a_3(X-\mathrm{Xs})+b_3(Y-\mathrm{Ys})+c_3(Z-\mathrm{Zs})}$

其中：

x₀，y₀为图像的主点位置，

a_i，b_i，c_i(i＝1，2，3)对应3X3旋转矩阵，

Xs，Ys，Zs为相机成像中心的三维坐标。X，Y，Z为测量点的三维坐标。

f为焦距，Δx，Δy为像点的畸变。

直接通过单目检校获得相机外方位元素的过程没有考虑到两部相机之间的同名点约束，因此相对外方位元素不准确，导致核线的位置不准确，直接影响测量的精度。所以为了保证双目相机相对位置和姿态计算的准确性，将双目相机拍摄的所有照片作为一个区域利用共线方程进行整体平差，获得精确的相对外方位元素。其共线方程如式(2)，方程左边的像点x，y坐标已经进行了像片畸变改正。

$x=-f\frac{a_1(X-\mathrm{Xs})+b_1(Y-\mathrm{Ys})+c_1(Z-\mathrm{Zs})}{a_3(X-\mathrm{Xs})+b_3(Y-\mathrm{Ys})+c_3(Z-\mathrm{Zs})}$

   (2)

$y=-f\frac{a_2(X-\mathrm{Xs})+b_2(Y-\mathrm{Ys})+c_2(Z-\mathrm{Zs})}{a_3(X-\mathrm{Xs})+b_3(Y-\mathrm{Ys})+c_3(Z-\mathrm{Zs})}$

通过控制场所测定的外方位元素(Xs，Ys，Zs，ω，κ)均与物方空间坐标系有关。因此要转化到图1所示的相对坐标系中，该过程需要做几何变换。设共线条件方程可以表示成如下形式：

X＝Rx+t   (3)

其中X^T＝[X，Y，Z]，x^T＝[x，y，-f]，t^T＝[Xs，Ys，Zs]。

则C₁、C₂相机满足的共线条件是：

X_a＝R₁x₁+t₁   (4)

X_a＝R₂x₂+t₂

则C2相机相对于C1相机的外方位元素计算公式为：

R＝R₁ ^-1R₂   (5)

t＝R₁ ^-1B

其中B为基线向量，R₁为C1像机的旋转矩阵，R₂为C2像机的旋转矩阵。通过分解旋转矩阵可以获得外方位元素的3个角元素。

在一个实施例中，所述数据处理模块具体的功能包括输电线的定位和拟合、核线的确定、点的三维坐标的计算、输电线距离的量测；输电线距离的量测分为以下三种：测量图像上任意选取的两个点之间的实际距离，测量任意一点(可为输电线上任意选取的一点或者其他物体上的一点)到所选输电线实际最短距离，测量两条输电线之间的实际最短距离。其设计的主要核心技术包含基于核线的立体相机图像匹配技术，图像中输电线提取与拟合技术，以及输电线即测量点的三维坐标重建技术。

如图2所示，物方点P和O₁、O₂组成的平面与像平面的交线分别为两张影像的核线，根据核线的性质，点P₁在右影像上的同名点一定在该点对应的核线l₁l₂上。

已知左像片上一点P点，其对应与右片的核线方程通过共面条件计算获得，其中共面条件见下式6：

B＝-B_yf-B_zy_p   (6)

如图3所示：由于输电线影像纹理单一，很难通过灰度匹配寻找其对应的同名点，因此需要使用新的同名点选取策略。本系统采用核线和输电线的交点作为同名点。

在一个实施例中，保证核线和输电线的交会角度为60°到120°。

由于核线方程存在一定误差，设其平面误差为m_x，则核线和输电线的交会误差为：

m_p＝m_x/sinθ   (7)

通常情况下输电线在影像中的走向是水平方向，采用水平基线摄影，核线与输电线的交会角θ非常小，则会放大误差。由式7可以看出当交会角为90°时交会精度最高。因此在输电线测量中使用竖直基线测量方法，保证核线和输电线的交会角度。

在一个实施例中，核线方程为：

Ax+By+C＝0，

其中：

A＝-B_yf-B_zy_p

B＝B_xf+B_zx_p

C＝f(B_yx_p+B_xy_p)

x_p、y_p为在立体相机拍摄图像选选取的测量点坐标，x，y为x_p、y_p对应的核线方程自变量。B_x、B_y、B_z为基线向量的在XYZ坐标系下的三个分量，即两个相机中心之间的平移向量，f为图像的主距。

在一个实施例中，利用最小二乘法进行输电线上任选一点和其他物体上的一点到输电线的最短距离或者两条输电线之间的实际最短距离的测量。

在一个实施例中，利用基于局部能量和相位一致性的边缘检测方法进行输电线的定位，对定位的点进行拟合，求解出核线和输电线的交点。以获得输电线在图像坐标系下的方程；联合核线方程，进而求解出核线和输电线的交点，交点的坐标则为在立体相机拍摄图像中的一副图像上选取的待测量的点在另外一幅图像上对应的匹配点。通过这一对匹配点可以计算出该测量点在实际三维坐标，进而可以计算出点与点、点与线之间的实际距离。

要确定地物距离输电线之间的高度，因此对于输电线也要进行提取，但是由于拍摄距离较远，输电线在影像上成像就比较细，不是很清楚，这位输电线的准确提取带来了很大的困难。

传统的边缘提取算法在提取输电线时会存在双边缘，这是因为基于灰度梯度的边缘提取算法主要是针对阶跃状边缘，而输电线的灰度分布呈“屋脊”状，则会提取出双边缘，如图4：

Morrone等人提出的基于局部能量和相位一致性的边缘检测方法则同时适用于阶跃形和屋脊形两类边缘的检测。其基本原理是将图像傅里叶分量相位最一致的点作为特征点。它是一个无量纲的量，因此不受图像亮度或对比度变化的影响。使用相位一致型的重要特点是无需对波形进行任何假设，只是在傅立叶变换域简单的按相位一致寻找特征点。

Morrone等人提出的基于局部能量和相位一致性的边缘检测方法则同时适用于阶跃形和屋脊形两类边缘的检测。其基本原理是将图像傅里叶分量相位最一致的点作为特征点。它是一个无量纲的量，因此不受图像亮度或对比度变化的影响。使用相位一致型的重要特点是无需对波形进行任何假设，只是在傅立叶变换域简单的按相位一致寻找特征点。

如图5(a)的核线约束，在核线与输电线的周围手动点击之后，会自动的提取输电线和核线的精确交点，提取结果如图5(b)。图中可以看出使用相位一致性提输电线，提取的是输电线的中心线，此方法不会产生双边缘现象。

该算法成功的解决了传统算法提取输电线产生的断裂、双边缘等问题。在本发明中相位一致性算法使用流程如图6；

量测物方两个点之间的距离，首先需要计算两个点在物方的坐标。得到从不同方向拍摄的同一空间点的两幅图像后，即可以依据该对应关系反推出实际空间点的立体位置。

由共线方程可以看出，已知一个像点的坐标可以列出2个方程，将共线方程整理成X，Y，Z为自变量的形式：

l₁X+l₂Y+l₃Z-l_x＝0   (8)

l₄X+l₅Y+l₆Z-l_y＝0

由式8可以看出，一对同名点的像点坐标可以列出4个方程，而求解未知数个数为3，故可以用最小二乘求解。通过空间两点之间的距离公式很容易计算目标点之间的距离。

本发明所述的系统具有以下优点：

1)、该系统的测量测距达到50-100米时，测量精度能满足要求；

2)、该系统的测量精度达到1/1000；

3)、该系统能实现全自动和半自动同名点的选择，能准确进行点的定位；

4)、该系统能自动计算不同点之间的距离、点与输电线以及输电线与输电线之间的最小距离，减少了操作人员的工作量。

Claims (10)

1.一种基于立体摄影测量的输电线路交叉跨越测量系统，其特征在于：

所述系统包括相机控制模块、校验模块和数据处理模块；

所述相机控制模块用于控制双目系统中两部立体相机同步拍摄图像，并将所拍摄图像导出到设定目录中；

所述校验模块首先在测量场景中布置一定数量的标靶，使用双目系统中两部立体相机同步在该场景中拍摄，其次测量场景中标靶的三维坐标和标靶在图像中二维坐标；最后利用测量得到的标靶的三维和二维坐标解算测量系统的参数，并将所述参数发送给数据处理模块；

所述数据处理模块根据获得的测量系统的参数量测拍摄的输电线之间或者是输电线和其他被交跨物体之间的距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：优选的，所述相机控制模块用于控制双目系统中的两部立体相机的快门并同时获得两部相机拍摄的不同角度的图像，并将它们进行保存。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述场景中布置的标靶数量不少于6个且这些标靶不能分布在同一个平面内，并保证在距离标靶最近距离为15m到20m时拍摄的图像上均匀分布至少6个标靶。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述校验模块的校验流程包括：首先，手动或者半自动的完成标靶点二维坐标的量测，使用全站仪完成标靶点三维坐标的量测，从而获得双目系统的内外方位元素；

其次，对双目系统的内外方位元素进行校验；

最后，将所述校验后的内外方位元素提供给数据处理模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述双目系统内外方位元素的校验分为单目序列影像相机校验和双目区域影像整体平差校验；

所述单目序列影像相机校验首先使用直接线性变换计算相机的内外方位元素初值，然后根据共线方程对相机内外方位元素使用最小二乘法进行优化；

所述双目区域影像整体平差校验包括将两部相机拍摄的不同图像作为一个区域利用共线方程进行整体平差，获得两部相机之间的相对外方位元素。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据处理模块的功能包括输电线的定位、核线的确定、输电线上任选一点和其他物体上的一点到输电线的最短距离或者两条输电线之间的最短距离的测量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：保证核线和输电线的交会角为60°到120°之间。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：利用基于局部能量和相位一致性的边缘检测方法进行输电线的定位，并对定位的点进行拟合，以获得输电线在图像坐标系下的方程；联合核线方程，求解出核线和输电线的交点，进而进行输电线上任选一点和其他物体上的一点到输电线的最短距离或者两条输电线之间的实际最短距离的测量。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述核线方程为：

Ax+By+C＝0，

其中A，B，C表示核线的直线方程的三个参数，其具体的表达式是：

A＝-B_yf-B_zy_p

B＝B_xf+B_zx_p

C＝f(B_yx_p+B_xy_p)

x_p、y_p为在立体相机拍摄图像选取的测量点坐标，x，y为x_p、y_p对应的核线方程自变量，B_x、B_y、B_z为基线向量的在XYZ坐标系下的三个分量，即两个相机中心之间的平移向量，f为图像的主距。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：利用最小二乘法进行输电线上任选一点和其他物体上的一点到输电线的最短距离或者两条输电线之间的实际最短距离的测量。