CN110134148A - 一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法，涉及电网巡检技术领域，包括以下步骤：S1：控制安装有机载吊舱云台设备的直升机，调整云台姿态，对准被检测线路；S2：对可见光视频图像进行实时识别处理，得到被检测线路的输电线数据；S3：计算出两根输电线之间的重点位置；S4：将两根输电线之间的重点位置反馈给云台，控制云台的俯仰角度以及水平角度。

Description

一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法

技术领域

本发明涉及电网巡检技术领域，具体涉及一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法。

背景技术

为实现电网安全运营，需要对输电线路进行定期巡检。目前我国电网输电线路主要依赖人工巡检方式，不仅劳动强度大、工作条件艰苦，而且巡检效率低。

为了适应现代电网发展和安全运行的需要，逐渐开始使用直升机巡检来代替人工巡检,然而使用直升机搭载安装有云台的机载吊舱设备装进行巡检时，有可能会出现输电线路跑出数字相机拍摄范围的现象。这样会造成人力、物力的浪费，还具有严重的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法，能够防止直升机在进行输电线路的巡检时输电线不在数字相机拍摄范围内的问题。

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法，包括以下步骤：

S1：控制安装有机载吊舱云台设备的直升机，调整云台姿态，对准被检测线路。

S2：对可见光视频图像进行实时识别处理，得到被检测线路的输电线数据。

S3：计算出两根输电线之间的重点位置。

S4：将两根输电线之间的重点位置反馈给云台，控制云台的俯仰角度以及水平角度。

更进一步的技术方案是，步骤S1中机载吊舱云台设备装有红外激光雷达和数字相机，分别实时捕获红外图像和可见光图像，将捕获的每帧图像进行保存并通过网络上传。

更进一步的技术方案是，步骤S2图像处理具体包括：

S21：对直升机拍摄到的可见光视频序列首先进行高斯滤波，以降低背景噪声，得到平滑滤波后的图像序列。

S22：然后对平滑滤波后的图像序列进行帧间差分运算，并对差分图像进行二值化以提取输电线轮廓。

S23：利用Canny算子进行边缘检测，对输电线进行Hough变换再结斜率和截距得到图像中输电线的具体位置。

更进一步的技术方案是，步骤S3具体的为：对输电线在每帧图像中的位置进行定位，取两组输电线的中点位置即为重点位置

本发明的原理阐述：机载吊舱云台设备包括激光雷达系统、数字相机系统、GPS和IMU。机载吊舱设备装有红外和可见光两个镜头，分别实时捕获红外图像和可见光图像，将捕获的每帧图像进行保存，与此同时，对可见光视频图像进行实时识别处理。通过机载程序网传，实时视频序列图像的获取与转码。对直升机拍摄到的可见光视频序列首先进行高斯滤波，以降低背景噪声，对平滑滤波后的图像序列进行帧间差分运算，并对差分图像进行二值化以提取目标轮廓。接着，利用Canny算子进行边缘检测，由于输电线在图像中大多是平行的，利用这一特征对输电线进行Hough变换后合并斜率和截距在一定范围内浮动的直线。最后计算出两根输电线之间的重点位置并将其反馈给吊舱云台即可控制其对输电线进行实时跟踪，防止输电线出现在数字相机拍摄范围以外。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：采用直升机巡视斌进行实时跟踪有效的避免了输电线路不在数字相机拍摄范围内导致的漏检、错检的情况，提高了电力巡检的安全性和高效性。且无需人工操作，更加精准高效。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2图像空间和参数空间中点和线的对偶性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

实时视频序列图像处理

机载吊舱设备装有红外和可见光两个镜头，分别实时捕获红外图像和可见光图像，将捕获的每帧图像进行保存，与此同时，对可见光视频图像进行实时识别处理。

通过机载程序网传，实时视频序列图像的获取与转码。可见光相机采用的是海康相机，而海康相机的视频图像格式为YUV，不能直接用于图像处理，所以需要进行格式转换。对直升机拍摄到的可见光视频序列首先进行高斯滤波，以降低背景噪声，对平滑滤波后的图像序列进行帧间差分运算，并对差分图像进行二值化以提取目标轮廓。接着，利用Canny算子进行边缘检测，由于输电线在图像中大多是平行的，利用这一特征对输电线进行Hough变换后合并斜率和截距在一定范围内浮动的直线。最后计算出两根输电线之间的重点位置并将其反馈给吊舱即可控制其对输电线进行实时跟踪。

输电线路导线的识别

根据输电线一般具有以下特征：输电线比较长；输电线的像素宽度大致为一个像素；输电线由特定的金属材料制成，有特定的光谱属性；输电线在航空影像中通常类似于直线；输电线在高分辨率图像中的拓扑结构比较简单，基本贯穿整个图像，只有部分中间有杆塔分隔开；电力线之间基本是平行关系，两者之间不会相交，所以在航空影像中，电力线也基本是平行不相交；电力线背景是自然地物。可借助这些特征，通过识别平行线来识别导线；由第一步定位后摄像头开始采集图像，为了精准拍摄输电导线，需要在传输回的图像中识别出导线。

高斯滤波器

一般图像中的噪声多为高斯噪声，故采用高斯滤波器对图像进行滤波，抑制背景杂波和噪声的影响。高斯滤波器是一种线性、低通滤波器，主要用于消除高斯噪声，达到平滑图像的目的。高斯滤波就是对整幅图像进行加权平均的过程，具体操作为：用一个大小为n×n模板，或称卷积、掩模，遍历图像中的每一个像素，邻域内像素的加权平均灰度值替代模板中心像素点的值。

帧间差分

对于高斯滤波平滑后的可见光视频序列，采用帧间差分对其进行处理。帧间差分首先对视频序列中相邻两帧做差分运算，然后对差分图像进行二值化来获得运动目标的轮廓。第k帧和k+1帧图像f_k(x,y),f_k+1(x,y)之间的变化用一个二值差分图像D(x,y)可表示为:

式中，T为差分图像二值化的阈值。

帧差法实现简单，运算速度快，对于动态环境自适应性较强的，对光线的变化不是十分的敏感。利用这一特性，对视频图像序列进行处理，极大地缩短了运算的时间，有效地提高了算法的实时性。

Canny边缘检测

对图像进行高斯滤波之后，利用Canny算子对图像进行边缘检测。

为了对边缘检测的算法作出有效、合理的评价，John Canny于1986年研究出最优边缘检测效果的特征，给出了最佳边缘检测的三个准则：

(1)最大的输出信噪比

即信号与噪声的比率，非边缘点判定为边缘点和边缘点判定为非边缘点的概率都要低。

(2)精确的定位性能

极大可能地保证检测出的边缘点定位在实际边缘的中心。

(3)单边缘响应

最大程度地抑制虚假边缘响应，并且对于单一边缘仅有唯一的响应。

总的来说，就是要求一个好的边缘检测算法在提取边缘的同时，既可以提高对目标边缘的敏感度，又能最大程度地抑制噪声。

由Canny推导出的最优边缘检测器的形状类似于高斯函数的一阶导数，因此，可以用高斯函数很好地逼近。Canny算子实际上是先用高斯函数域图像卷积，然后求梯度，即先对图像进行平滑滤波消除噪声的影响，然后再对去噪后的图像进行锐化得到边缘细节。

二维高斯函数可表示为：

Canny算子的计算公式可表示为：

图像的边缘强度可表示为：

边缘方向可表示为：

根据在其梯度方向上的邻域的极大值为中心边缘点。满足以下条件的像素点即被认为是图像的边缘点：

(1)该点的边缘强度大于沿该点梯度方向的两个相邻像素点的边缘强度；

(2)与该点梯度方向上相邻两点的方向差小于某个阈值；

(3)以该点为中心的3×3邻域中的边缘强度极大值小于某个阈值。

条件(1)被称为非极大值抑制，条件(2)属于特征综合法。当同时满足条件(1)和条件(2)时，梯度方向上的两个相邻像素点就可以从候选的边缘点中排除。条件(3)是将区域梯度最大值构成的阈值图像与边缘点进行匹配，可消除许多虚假的边缘点。

Hough变换

在对图像进行边缘检测之后，利用Hough变换检测输电线。Hough变换(HoughTransform)是一种特种提取技术，主要用于直线检测。Hough变换是一种从图像空间到参数空间的映射关系，将图像空间中复杂的边缘特征信息映射为参数空间中的聚类检测问题。因此，这使Hough变换方法具有明了的几何解析性、很强的抗干扰能力和易于实现并行处理等优点。Hough变换最大的优点是抗干扰性强，即使曲线上有小的扰动、间隙，甚至虚线，经Hough变换后，仍能在参数空间中形成明显的峰点。它是从图像中识别几何形状的基本方法之一。

Hough变换的原理可通过点-线对偶性来解释。在图像空间中，所有过点(x，y)的直线都满足方程：

y＝px+q

式中，p为斜率，q为截距。如果对p和q建立一个参数空间PQ，则(p，q)表示参数空间PQ中的一个点。这个点和上式表示的直线是一一对应的，即图像空间中的一条直线对应参数空间PQ中的一个点。上式也可写成：

q＝-px+y

代表参数空间PQ中的一条直线，此时对应图像空间中的一个点(x，y)。

不难看出，图像空间过点(x_i，y_i)的通用直线方程按照上两个公式均可，表示在参数空间里的一条直线。同理可得到过点(x_j，y_j)的图像空间直线方程y_j＝px_j+q和参数空间的另一条直线q＝-px_j+y_j。设这两条直线在参数空间PQ里相交于点(p'，q')，该点表示图像空间中同时过点(x_i，y_i)和点(x_j，y_j)的一条直线，如图2所示。

由此可知在图像空间中共线的点对应在参数空间里相交的线。反过来，在参数空间里相交于同一个点的所有直线在图像空间都有共线的点与之对应。这就是点-线的对偶性。

Hough变换的检测步骤如下：

(1)对参数空间中参数p和q的可能取值范围进行量化，根据量化结果构造一个累加数组A(p_min:p_max,q_min:q_max)，并初始化为零；

(2)对每个图像空间中的的给定点让p取遍所有可能值，用式q＝-px+y计算出q，根据p和q的值累加A，即A(p，q)＝A(p，q)+1；

(3)根据累加后A中最大值所对应的p和q，由式y＝px+q定出图像空间中的一条直线，A中的最大值代表了在此直线上给定点的数目，满足直线方程的点就是共线的。

吊舱实时跟踪

利用Hough变换检测出输电线后，需要对斜率和截距相近的直线进行合并，并对其进行筛选和分组。然后对输电线在每帧图像中的位置进行定位，取两组输电线的中点位置，同时通过优化算法提高精确度，把误差控制在允许范围内。有了输电线的位置信息后，反馈给吊舱以控制俯仰角度以及水平角度，实现对输电线的跟踪。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种输电线路直升机巡视中输电线路沿线跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制安装有机载吊舱云台设备的直升机，调整云台姿态，对准被检测线路；

S2：对可见光视频图像进行实时识别处理，得到被检测线路的输电线数据；

S3：计算出两根输电线之间的重点位置；

S4：将两根输电线之间的重点位置反馈给云台，控制云台的俯仰角度以及水平角度。

2.根据权利要求1所述的输电线路直升机巡视中的沿线跟踪方法，其特征在于，步骤S1中机载吊舱云台设备装有红外激光雷达和数字相机，分别实时捕获红外图像和可见光图像，将捕获的每帧图像进行保存并通过网络上传。

3.根据权利要求2所述的输电线路直升机巡视中的沿线跟踪方法，其特征在于，步骤S2图像处理具体包括：

S21：对直升机拍摄到的可见光视频序列首先进行高斯滤波，以降低背景噪声，得到平滑滤波后的图像序列；

S22：然后对平滑滤波后的图像序列进行帧间差分运算，并对差分图像进行二值化以提取输电线轮廓；

S23：利用Canny算子进行边缘检测，对输电线进行Hough变换再结斜率和截距得到图像中输电线的具体位置。

4.根据权利要求3所述的输电线路直升机巡视中的沿线跟踪方法，其特征在于，步骤S3具体的为：对输电线在每帧图像中的位置进行定位，取两组输电线的中点位置即为重点位置。