CN111504274B - 一种输电线路三跨区段的精确航测方法 - Google Patents

一种输电线路三跨区段的精确航测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及输电线测量技术领域，具体是一种输电线路三跨区段的精确航测方法，通过无人机测量三跨区段输电线缆的各个关键点，并根据这些关键点建立理想的虚拟模型，得出最低弧垂点的理想坐标，然后通过无人机倾斜向下地对三跨区段的多条输电线缆进行普通拍摄和热成像拍摄，得到特地角度下的输电线缆的弧线模型，经过计算将倾斜视角下的弧线模型还原成标准的弧线模型后，在根据比例得到实际的最低弧垂点的坐标值，最后通过对比最低弧垂点的理想坐标和实际坐标差值幅度判断该条输电线缆的状态。

Description

一种输电线路三跨区段的精确航测方法
技术领域
本发明涉及输电线测量技术领域，具体是一种输电线路三跨区段的精确航测方法。
背景技术
“三跨”段为架空输电线路跨越高速铁路、高速公路和重要输电通道的区段，由于“三跨”段输电线揽跨度长，也十分高，并且所处位置的环境也十分复杂，如果从地面对“三跨”区段输电线缆进行拍摄和测量，测量仪器和摄像器将会受到环境遮挡的制约，并且由于“三跨”区段输电线缆的跨度太大，而测量者处于地面时无法由于距离限制无法直接测量整体的输电线缆，因此现有的测量“三跨”区段输电线很多都是通过无人机进行航拍测量，但是现有无人机对“三跨”区段输电线进行航拍测量存在以下缺陷：(1)当无人机输电线的上方向下拍摄时，得到的图像受到复杂的背景纹理影响较大，常提取不到完整的边缘轮廓；(2)当无人机从输电线的上方向上拍摄时，得到的图像受到背光的影响较大，难以获得输电线缆的清晰图像；(3)当无人机从输电线缆的水平位置进行拍摄时，由于不止一根输电线缆，获得的图像很难分清每一根输电线缆，从而难以从获得的图像上对输电线缆的弧度进行测量；(4)在测得弧度后需要通过工作人员的经验对输电线缆弧度是否正常进行判断，不适用于经验缺乏的工作人员。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种输电线路三跨区段的精确航测方法，能够利用无人机在三跨区段的每一根输电线缆进行弧度测量。
本发明的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，包括步骤；
步骤S101，测量三跨区段每一根输电线缆的两个端点A、B,并根据A点和B点的坐标计算出输电线缆最低弧垂点C的坐标；
步骤S10101，将无人机飞至与电缆端点齐平处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点对准电缆端点，利用无人机的海拔高度仪读出点A和B的海拔高度，分别为ha和hb；
步骤S10102，将无人机飞至输电线缆的正上方的最外侧的一条电缆的端点A1处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点与端点A1对准，并在通过无人机读出此刻卫星定位的经纬度作为端点A1的二维坐标(x1,y1)，相同步骤获得端点B1的二维坐标(x2,y2)，从而计算出端点A1和B1的在平面上的直线距离
Figure GDA0003380768070000021
同理测出平行的输电线缆之间的距离d；
步骤S10103，根据测得的参数建立各条输电线缆的虚拟模型，并计算出最低弧垂点的坐标；
步骤S102，无人机飞行至所有输电线缆的斜上方，沿一条与端点A和B的连线的水平投影直线平行的直线飞行，对所有的输电线缆进行分段的图像拍摄和热成像拍摄，拍摄方向与水平线的夹角为α；
步骤S103，将获得的普通图像和热成像图像进行合并，获得该视角下各条输电线缆的轮廓图像；
步骤S104，提取各条输电线缆的轮廓，并还原出在拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下各条输电线缆的轮廓，并提取出实际拍摄的最低弧垂点坐标，与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，计算步骤如下：
步骤S201，在采集的图像上以端点A为零点，以端点A和B连线的水平投影线为X轴，以竖直方向为Y轴建立坐标，并且按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值；
步骤S202，将该视角下输电线缆的轮廓的坐标值进行还原，还原公式为:x＝x',
Figure GDA0003380768070000022
其中，x和y为拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下输电线缆的轮廓上的坐标值，x’和y’为按照比例的实际标注值；
步骤S203，找到y值最小的一个点，并将该点的x值与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，得到误差值△X，并根据误差值△X判断该条输电线缆的状态。
进一步，虚拟模型的建立步骤包括：
步骤S301，以A1为零点，以AB的连线为X轴建立坐标，同时根据多条输电线缆之间的间距d，从而获得An和Bn的二维坐标为:An(0,(n-1)d)，Bn(l,(n-1)d)；
步骤S302，根据测得的端点A和B的高度和坐标值以及最低弧垂点C的高度计算出最低弧垂点C的二维坐标(xc,(n-1)d)，计算公式如下：
Figure GDA0003380768070000031
其中σ0为输电线缆的最低点应力，
Figure GDA0003380768070000032
为端点A和B的连线与水平线的夹角，g为导线自重比载。
进一步，在对普通图像和热成像图像的合并时，热成像图像根据颜色只保留带有输电线缆的区域，并将该区域合并至普通图像中。
进一步，拍摄方向与水平线的夹角α的范围为30-60°
进一步，在按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值时，赋值的点为无人机在分段拍摄时获得图像正中心的点。
本发明的有益效果是：本发明的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，通过无人机测量三跨区段输电线缆的各个关键点，并根据这些关键点建立理想的虚拟模型，得出最低弧垂点的理想坐标，然后通过无人机倾斜向下地对三跨区段的多条输电线缆进行普通拍摄和热成像拍摄，得到特地角度下的输电线缆的弧线模型，经过计算将倾斜视角下的弧线模型还原成标准的弧线模型后，在根据比例得到实际的最低弧垂点的坐标值，最后通过对比最低弧垂点的理想坐标和实际坐标差值幅度判断该条输电线缆的状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的对比方法流程图；
图3为本发明的虚拟模型建立步骤的流程图。
具体实施方式
如图1所示：本实施例的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，包括步骤；
步骤S101，测量三跨区段每一根输电线缆的两个端点A、B,并根据A点和B点的坐标计算出输电线缆最低弧垂点C的坐标，具体如何测得A、B和C点的坐标如步骤S10101-S10103所述。
步骤S10101，将无人机飞至与电缆端点齐平处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点对准电缆端点，利用无人机的海拔高度仪读出点A和B的海拔高度，分别为ha和hb；测量高度时，统一以海拔高度作为参考系，并且由于多条输电线缆的两端基本都是固定在铁塔或者电线杆的一条横担上，因此，将同一条横担上的所有输电线缆的端点高度视作是相等的，因此只需要测量最外侧的一条输电线缆的两端的高度即可，不同横担上固定的输电线缆需要采用多次测量的方法进行判断。
步骤S10102，将无人机飞至输电线缆的正上方的最外侧的一条电缆的端点A1处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点与端点A1对准，并在通过无人机读出此刻卫星定位的经纬度作为端点A1的二维坐标(x1,y1)，相同步骤获得端点B1的二维坐标(x2,y2)，从而计算出端点A1和B1的在平面上的直线距离
Figure GDA0003380768070000041
同理测出平行的输电线缆之间的距离d，根据电力施工规范，同一条横担上所有的输电线缆的间距是一致的，因此无人机在测量d值时，控制无人机测量横担两端的输电线缆端点的经纬度，算出总距离后除以总段数即可；
步骤S10103，根据测得的参数建立各条输电线缆的虚拟模型，并计算出最低弧垂点的坐标，本实施例中，虚拟模型的建立步骤包括：
步骤S301，以A1为零点，以AB的连线为X轴建立坐标，同时根据多条输电线缆之间的间距d，从而获得An和Bn的二维坐标为:An(0,(n-1)d)，Bn(l,(n-1)d)；
步骤S302，根据测得的端点A和B的高度和坐标值以及最低弧垂点C的高度计算出最低弧垂点C的二维坐标(xc,(n-1)d)，计算公式如下：
Figure GDA0003380768070000051
其中σ0为输电线缆的最低点应力，
Figure GDA0003380768070000052
为端点A和B的连线与水平线的夹角，g为导线自重比载，由此可见，输电线缆的最低弧垂点的位置只与输电线缆在设计施工时的最低点应力σ0相关，但是一般来说最低点应力σ0都是可以通过查询相关人员得到，或者在标准模型下是一个特定的值，因此即便是没有经验的测量人员也能够通过公式计算得到参考标准，便于测量人员建立一个参考值对输电线缆进行准确地判断。
测量人员在遥控无人机时，一般都是通过无人机自带的摄像头对无人机的所处位置进行一个简单的判断，因此测量人员在测量时同样以无人机上的摄像头作为第一人称的视角替代人眼视角，同时，由于摄像头在采集图像时会有一定的边缘畸变效应，因此本发明中所有的点测量均以无人机摄像头采集图像的正中心作为有效点，同时，在测量时为了减小边缘畸变带来的影响，无人机尽量地远离三跨区段的输电线缆进行拍摄和测量。
采集完相关参数，并且建立虚拟模型和最低弧垂点的标准坐标后，需要实际测量三跨区段的输电线缆的具体参数，并与标准模型进行对比，得到最终结果，实际测量步骤如S102-S104所示：
步骤S102，无人机飞行至所有输电线缆的斜上方，沿一条与端点A和B的连线的水平投影直线平行的直线飞行，对所有的输电线缆进行分段的图像拍摄和热成像拍摄，拍摄方向与水平线的夹角为α，夹角α的范围为：30-60°，在这个范围内能够拍摄的输电线缆既能够拍下所有的输电线缆，不受多条输电线缆之间的相互遮挡的影响，又能够使得排出的输电线缆能够呈现一定的弧度，在还原标准视角下的弧度时，减小误差。
步骤S103，将获得的普通图像和热成像图像进行合并，获得该视角下各条输电线缆的轮廓图像，以斜向下角度拍摄输电线缆时得到的图像受到复杂的背景纹理影响较大，常提取不到完整的边缘轮廓，因此本发明中在无人机上增加一个远距离热成像仪，利用输电线缆的发热进行热成像，避免背景带来的影响，从而获得完整清晰的输电线缆轮廓，同时利用颜色的分离技术，很容易就能够将红色或者粉色状态的输电线缆热成像图像合并至普通图像中，由于无人机是分段拍摄的，因此需要将热成像图像合并至普通图像中便于建立坐标，并且利用背景中的参考物体进行比例计算，从而赋值，例如，在背景图像的背景中出现的铁塔的横担或者钢条，利用横担或者钢条的实际长度和出现在图像正中心或者靠近正中心的横担或者钢条的在图像上的长度，可以轻松地得到图像的比例，从而得到图像中输电线缆的实际长度，从而建立实际坐标。
步骤S104，提取各条输电线缆的轮廓，并还原出在拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下各条输电线缆的轮廓，并提取出实际拍摄的最低弧垂点坐标，与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，计算步骤如下：
步骤S201，在采集的图像上以端点A为零点，以端点A和B连线的水平投影线为X轴，以竖直方向为Y轴建立坐标，并且按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值；
步骤S202，将该视角下输电线缆的轮廓的坐标值进行还原，还原公式为:x＝x',
Figure GDA0003380768070000061
其中，x和y为拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下输电线缆的轮廓上的坐标值，x’和y’为按照比例的实际标注值，由于输电线缆为一个向下弯折的弧线段，无人机在拍摄时飞行轨迹是沿一条从A到B的水平直线飞行的；因此，该坐标中的X轴的值不变与标准视角下值一致，只需要还原处Y轴上的值因为视角产生的缩短即可，通过光路可逆原则很容易便能通过公式
Figure GDA0003380768070000062
得到标准视角下输电线缆曲线轮廓上所有点的对应值。
步骤S203，找到y值最小的一个点，并将该点的x值与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，得到误差值△X，并根据误差值△X判断该条输电线缆的状态，如果误差过大，说明输电线缆的产生了一定的畸变或者输电线缆的质量分布不均，需要进行排查，如果相差不大，则可以大致判断输电线缆的状态正常。
本实施例中，在对普通图像和热成像图像的合并时，热成像图像根据颜色只保留带有输电线缆的区域，并将该区域合并至普通图像中，通过计算机颜色提取可以直接将热成像图像中的输电线缆轮廓提取出。
本实施例中，在按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值时，赋值的点为无人机在分段拍摄时获得图像正中心的点，从而避免摄像头的边缘畸变带来的影响。
本发明的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，通过无人机测量三跨区段输电线缆的各个关键点，并根据这些关键点建立理想的虚拟模型，得出最低弧垂点的理想坐标，然后通过无人机倾斜向下地对三跨区段的多条输电线缆进行普通拍摄和热成像拍摄，得到特地角度下的输电线缆的弧线模型，经过计算将倾斜视角下的弧线模型还原成标准的弧线模型后，在根据比例得到实际的最低弧垂点的坐标值，最后通过对比最低弧垂点的理想坐标和实际坐标差值幅度判断该条输电线缆的状态。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种输电线路三跨区段的精确航测方法，其特征在于：包括步骤：
步骤S101，测量三跨区段每一根输电线缆的两个端点A、B,并根据A点和B点的坐标计算出输电线缆最低弧垂点C的坐标；
步骤S10101，将无人机飞至与电缆端点齐平处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点对准电缆端点，利用无人机的海拔高度仪读出点A和B的海拔高度，分别为ha和hb；
步骤S10102，将无人机飞至输电线缆的正上方的最外侧的一条电缆的端点A1处，将无人机上的摄像头获得图像的中心点与端点A1对准，并在通过无人机读出此刻卫星定位的经纬度作为端点A1的二维坐标(x1,y1)，相同步骤获得端点B1的二维坐标(x2,y2)，从而计算出端点A1和B1的在平面上的直线距离
Figure FDA0003380768060000011
同理测出平行的输电线缆之间的距离d；
步骤S10103，根据测得的参数建立各条输电线缆的虚拟模型，并计算出最低弧垂点的坐标；
步骤S102，无人机飞行至所有输电线缆的斜上方，沿一条与端点A和B的连线的水平投影直线平行的直线飞行，对所有的输电线缆进行分段的图像拍摄和热成像拍摄，拍摄方向与水平线的夹角为α；
步骤S103，将获得的普通图像和热成像图像进行合并，获得该视角下各条输电线缆的轮廓图像；
步骤S104，提取各条输电线缆的轮廓，并还原出在拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下各条输电线缆的轮廓，并提取出实际拍摄的最低弧垂点坐标，与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，计算步骤如下：
步骤S201，在采集的图像上以端点A为零点，以端点A和B连线的水平投影线为X轴，以竖直方向为Y轴建立坐标，并且按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值；
步骤S202，将该视角下输电线缆的轮廓的坐标值进行还原，还原公式为:x＝x',
Figure FDA0003380768060000021
其中，x和y为拍摄方向与水平线的夹角为0°的条件下输电线缆的轮廓上的坐标值，x’和y’为按照比例的实际标注值；
步骤S203，找到y值最小的一个点，并将该点的x值与计算出的最低弧垂点坐标的X轴值进行对比，得到误差值△X，并根据误差值△X判断该条输电线缆的状态。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，其特征在于：虚拟模型的建立步骤包括：
步骤S301，以A1为零点，以AB的连线为X轴建立坐标，同时根据多条输电线缆之间的间距d，从而获得An和Bn的二维坐标为:An(0,(n-1)d)，Bn(l,(n-1)d)；
步骤S302，根据测得的端点A和B的高度和坐标值以及最低弧垂点C的高度计算出最低弧垂点C的二维坐标(xc,(n-1)d)，计算公式如下：
Figure FDA0003380768060000022
其中σ0为输电线缆的最低点应力，
Figure FDA0003380768060000023
为端点A和B的连线与水平线的夹角，g为导线自重比载。
3.根据权利要求1所述的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，其特征在于：在对普通图像和热成像图像的合并时，热成像图像根据颜色只保留带有输电线缆的区域，并将该区域合并至普通图像中。
4.根据权利要求1所述的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，其特征在于：拍摄方向与水平线的夹角α的范围为30-60°。
5.根据权利要求1所述的一种输电线路三跨区段的精确航测方法，其特征在于：在按照比例对输电线缆的轮廓进行坐标赋值时，赋值的点为无人机在分段拍摄时获得图像正中心的点。
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