CN111798476B - 一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法，包括：步骤1，采集、处理高压隔离开关导电臂完整图像数据；步骤2，计算高压隔离开关导电臂图像边缘直线方程；步骤3，计算光线切平面的法向量；步骤4，以对称平面相交确定导电臂轴线方向。本发明以近景摄影测量与图像识别技术为手段，实现了高压隔离开关导电臂轴线的自动提取，可为高压隔离开关导电臂夹角的带电非接触自动测量以及高压隔离开关合闸状态自动识别提供一种新的技术手段。

Description

一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法

技术领域

本发明涉及变电站技术领域，特别是涉及一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法。

背景技术

高压隔离开关由操动机构带动动触头实现与静触头的接触与分离。在室外运行时极易受环境影响，加上操动机构运维不及时，机构生锈、卡涩致使高压隔离开关合闸不到位，出现间隙，导致发热甚至放电，影响设备寿命，威胁电网安全运行。

现场运行经验表明，高压隔离开关合闸不到位是现场典型隐蔽且危害大的缺陷，理论研究，测量导电臂夹角可有效判断高压隔离开关合闸到位状态。根据导电臂夹角的定义，如何准去提取导电臂轴线是测量导电臂夹角，判断高压隔离开关是否合闸到位的关键步骤。

现有技术中，对于高压隔离开关的检测诊断技术缺乏，主要以经验判断为主，尚未有可行的高压隔离开关导电臂轴线提取方法，导致对高压隔离开关是否处于正常合闸状态完全依赖人员主观经验，容易引起误判。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法，以实现高压隔离开关导电臂轴线的自动提取，可为高压隔离开关导电臂夹角的带电非接触自动测量以及高压隔离开关合闸状态自动识别提供一种新的技术手段。

一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法，包括：

步骤1，采集、处理高压隔离开关导电臂完整图像数据；

步骤2，计算高压隔离开关导电臂图像边缘直线方程；

步骤3，计算光线切平面的法向量；

步骤4，以对称平面相交确定导电臂轴线方向。

此外，根据本发明提供的高压隔离开关导电臂轴线提取方法，还具有以下技术特征：

进一步的，步骤1具体包括：

步骤1.1，选定特征点，在高压隔离开关导电臂上或附近选择3个或3个以上合适的特征点，作为同名点，该同名点为物体上同一个点在不同影像上成的像点，以高压隔离开关设计图纸为参照选择易于识别、定位精确的点作为特征点，要求该特征点在高压隔离开关上的相对位置确定；

步骤1.2，选择拍摄位置，在高压隔离开关设备附近选择合适的拍摄点拍摄高压隔离开关导电臂的完整图像数据，要求导电臂不被遮挡，并包括选定的特征点；

步骤1.3，多次作业，在另外的角度、位置拍摄高压隔离开关导电臂，拍摄要求如同步骤1.2，对于同一导电臂至少需要两组图像数据，超过两组的数据可进行平差处理，减小误差；

步骤1.4，图像边缘检测，将图像转化为灰度图像，利用canny边缘检测算法将灰度图像进行处理，经过平滑滤波、计算梯度、非极大值抑制、边缘检测的步骤获取出所拍摄图像的边缘数据；

步骤1.5，筛选边缘图像，将与导电臂、特征点无关的边缘从图像中去除，分别保留出导电臂与特征点的边缘图像。

进一步的，步骤2具体包括：

步骤2.1，坐标系转换，将数字图像的像素坐标系转化为像平面坐标系；

步骤2.2，解算外方位元素，根据特征点位置信息以角锥法解算相应图像的外方位元素，包括图像的外方位线元素与外方位角元素；

步骤2.3，轮廓分离，根据导电臂边缘图像进行分离，分别计算导电臂两侧轮廓线的直线方程；

步骤2.4，计算导电臂边缘直线方程，以图像中的像素点坐标值为对象，利用最小二乘法分别拟合导电臂边缘图像的直线方程。

进一步的，步骤3具体包括：

步骤3.1，导电臂边缘图像像素点归算，根据拟合的直线方程与图像像素坐标值，对边缘直线的像素点坐标进行归算，得到新的边缘直线的像素点坐标；

步骤3.2，计算光线切平面法向量，分别以一条导电臂边缘直线为对象，在该直线上任取两个归算后的像素点坐标，计算两个光线切平面P₁、P₂的法向量；

步骤3.3，光线切平面法向量方向统一，比较光线切平面的朝向，以P₁、P₂其中任一平面的朝向为基准，若另一平面的朝向与基准平面的朝向相反，则该平面的法向量取反向。

进一步的，步骤4具体包括：

步骤4.1，计算对称平面的法向量，以步骤3中的得到的两个光线切平面法向量作为数据，计算导电臂轴线与拍摄点所在的对称平面P的法向量；

步骤4.2，计算另一组对称平面法向量，重新另取一组数据，重复步骤1、步骤2、步骤3，相应的得到该组导电臂轴线与拍摄点所在对称平面的法向量；

步骤4.3，计算导电臂轴线方向向量，根据两个平面的交线分别垂直于两个平面的法向量这一原理，根据步骤4.1与步骤4.2中所求出的对称平面法向量计算导电臂轴线方向向量，完成导电臂轴线提取。

根据本发明提供的高压隔离开关导电臂轴线提取方法，以近景摄影测量与图像识别技术为手段，实现了高压隔离开关导电臂轴线的自动提取，能成为高压隔离开关合闸状态快速检测技术有效的检测工具，该方法具有以下有效效果：

1)通过构建拍摄导电臂的物理模型，分析了光线切平面法向量、对称平面法向量、导电臂轴线方向向量三者之间的数学关系，提出以两个光线切平面法向量合成的方式计算对称平面法向量，进而以两个不同的对称平面法向量之间的向量积来提取导电臂圆柱轴线的方式；

2)以近景摄影测量、图像识别与边缘检测为手段，通过计算图像中导电臂边缘的直线方程，获取边缘图像的像素点坐标，确定了光线切平面的法向量，将虚拟的光线切平面法向量计算问题转化为现实的图像像素点坐标问题；

3)提出以高压隔离开关自身结构为基础提取特征点的方式，避免了在带电设备上添加标志带来的困难；

4)利用最小二乘法解决了数字图像像素点坐标阶跃性的问题，提高了精度。

附图说明

本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是物点、拍摄点、像点的关系示意图；

图2是拍摄导电臂的等效模型示意图；

图3是像素坐标系与像平面坐标系的示意图；

图4是数字图像中的直线的示意图；

图5是高压隔离开关导电臂轴线提取方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在对本发明的高压隔离开关导电臂轴线提取方法进行说明之前，首先介绍其技术原理。

共线条件方程式描述像点、投影中心点S、以及物方点应在同一直线上的条件方程式。近景摄影测量中绝大多数的解算方法都基于共线条件方程式，如式1所示。

其中，x，y是像平面坐标系中的像点坐标，像平面坐标系原点o为像主点，表现为拍摄点S到像平面的投影点，拍摄点S到像平面M’的距离f为主距，如图1所示。X,Y,Z为物方空间坐标系S-XYZ物方点的坐标，X_S,Y_S,Z_S为物方空间坐标系下的拍摄点S坐标，为外方位线元素，a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为坐标系旋转变换系数，为外方位角元素。

从拍摄点S拍摄圆柱导电臂可等效为一个点光源从S发射出一束光线覆盖照射在圆柱面上的物理模型。当以该物理模型中的圆柱轴线为Z轴，底面圆心为原点，底面为XOY平面建立世界坐标系。S为摄影中心点坐标为(X_S,Y_S,Z_S)，圆柱面为x²+y²＝r²。如图2所示，过点S的任一直线参数方程为：

则：

代入圆柱方程化简得：

(A²+B²)t²+2(AX_S+BY_S)t+X_S ²+Y_S ²-r²＝0 (4)

当该直线为圆柱的切线时，式4有唯一解，则：

则：

此为关于B/A的一元二次方程，因此B/A为定值。

则上述关于t的一元二次方程的根为：

带入求解x

因此，式8中x的值也为定值，同理y的值也为定值。而z的表达式中具有未知参数值C，即z的值不确定。因此，由点S拍摄到的圆柱轮廓边界为两条直线，记为l₁、l₂，且该两条直线均与Z轴平行，即与圆柱轴线平行。若将摄影点与导电臂轴线形成的平面记为平面P，则平面P为圆柱体的对称平面，且两条直线l₁、l₂关于对称平面P对称，两条切线即为从点S所能看到的圆柱轮廓边界。边界l₁、l₂经过点S在像平面上的投影分别为直线l'₁、l'₂，如图2所示。

数字图像是由一个个小方块像素组成，令一个像素的边长为d，像直线上的任一点由像素坐标系到像平面坐标系的计算方式为式9。

据此将数字图像的像素坐标系转化为像平面坐标系，如图3所示。其中(x'_d,y'_d)为像素坐标系下归算后的任一点像素坐标，(x_od,y_od)为像坐标系原点在像素坐标系下的像素坐标，(x,y)为像坐标系下相应点的坐标；

由于像素点本身是离散的，构成图像时存在阶跃性，如图4所示。当摄像机分辨率越高时，像素点的大小越小，越趋近于连续。因此为了提高图像解算精度，本发明使用最小二乘法对直线l'₁、l'₂的像素点坐标进行归算，使得数字图像中的像素点均位于同一直线，消除阶跃性。

以直线l'₁为例，计算方式为：y＝kx+b是以最小二乘法拟合得到的直线方程，(x_d,y_d)为像素坐标系下直线上的任一点像素坐标，(x'_d,y'_d)为归算后的该像素点坐标，坐标数值满足式10。

则基于共线方程的像直线上任一点坐标均有：

转化为：

上述式12方程为关于X、Y、Z的三元一次方程组，其几何意义为两个平面的交线。反映的是相应的像点、摄影点、物方点三点所在的直线。而单个方程的几何意义则是一个以x或y为参数的平面方程族，该方程族为过定点S。当像平面上的所有像点在一条直线上时，如以l'₁为对象，则描述的是位于同一个平面P₁上的光线束方程，而两条相交直线确定一个平面，因此在像直线l'₁上任取两个归算后的像素点在像平面的坐标(x″_1d,y″_1d)、(x″_2d,y″_2d)，即可确定平面P₁的法向量(法向量垂直于该两条直线的方向向量)。计算方法如式13所示。

其中，与/>分别为相应的方程族所代表平面的法向量，/>分别为像素点(x″_1d,y″_1d)、(x″_2d,y″_2d)与摄影点所在的直线。/>为该两直线所在的平面P₁的法向量。同理，可求出平面P₂的法向量/>此外，须保证平面P₁、P₂的法向量朝向一致。若不一致，则令任一平面的法向量取反向。

由于平面P₁、P₂关于平面P对称，且l₁、l₂相互平行，则平面P的法向量为：

则由两站拍摄点的数据分别求出对称平面P、P'的法向量。由于圆柱轴线的唯一性，两个对称平面P、P'的交线即为圆柱轴线，求解出圆柱轴线方向，计算方式为：

基于上述原理，请参阅图5，本实施例提出的高压隔离开关导电臂轴线提取方法，包括以下步骤：

步骤1，采集、处理高压隔离开关导电臂完整图像数据；

步骤2，计算高压隔离开关导电臂图像边缘直线方程；

步骤3，计算光线切平面的法向量；

步骤4，以对称平面相交确定导电臂轴线方向。

其中，步骤1具体包括：

步骤1.1，选定特征点，在高压隔离开关导电臂上或附近选择3个或3个以上合适的特征点，作为同名点，该同名点为物体上同一个点在不同影像上成的像点，以高压隔离开关设计图纸为参照选择边角点等易于识别、定位精确的点作为特征点，要求该特征点在高压隔离开关上的相对位置确定；

步骤1.2，选择拍摄位置，在高压隔离开关设备附近选择合适的拍摄点拍摄高压隔离开关导电臂的完整图像数据，要求导电臂不被遮挡，并包括选定的特征点；

步骤1.3，多次作业，在另外的角度、位置拍摄高压隔离开关导电臂，拍摄要求如同步骤1.2，对于同一导电臂至少需要两组图像数据，超过两组的数据可进行平差处理，减小误差；

步骤1.4，图像边缘检测，将图像转化为灰度图像，利用canny边缘检测算法将灰度图像进行处理，经过平滑滤波、计算梯度、非极大值抑制、边缘检测等步骤获取出所拍摄图像的边缘数据；

步骤1.5，筛选边缘图像，将与导电臂、特征点无关的边缘从图像中去除，分别保留出导电臂与特征点的边缘图像。

其中，步骤2具体包括：

步骤2.1，坐标系转换，将数字图像的像素坐标系转化为像平面坐标系；

步骤2.2，解算外方位元素，根据特征点位置信息以角锥法解算相应图像的外方位元素，包括图像的外方位线元素与外方位角元素；

步骤2.3，轮廓分离，根据导电臂边缘图像进行分离，分别计算导电臂两侧轮廓线的直线方程；

步骤2.4，计算导电臂边缘直线方程，以图像中的像素点坐标值为对象，利用最小二乘法分别拟合导电臂边缘图像的直线方程。

其中，步骤3具体包括：

步骤3.1，导电臂边缘图像像素点归算，根据拟合的直线方程与图像像素坐标值，具体将拟合的直线方程与图像像素坐标值代入式(10)，对边缘直线的像素点坐标进行归算，得到新的边缘直线的像素点坐标；

步骤3.2，计算光线切平面法向量，分别以一条导电臂边缘直线为对象，在该直线上任取两个归算后的像素点坐标，计算两个光线切平面P₁、P₂的法向量，具体代入式(13)计算两个光线切平面P₁、P₂的法向量；

步骤3.3，光线切平面法向量方向统一，比较光线切平面的朝向，以P₁、P₂其中任一平面的朝向为基准，若另一平面的朝向与基准平面的朝向相反，则该平面的法向量取反向。

其中，步骤4具体包括：

步骤4.1，计算对称平面的法向量，以步骤3中的得到的两个光线切平面法向量作为数据，计算导电臂轴线与拍摄点所在的对称平面P的法向量，具体根据式(14)计算导电臂轴线与拍摄点所在的对称平面P的法向量；

步骤4.2，计算另一组对称平面法向量，重新另取一组数据，重复步骤1、步骤2、步骤3，相应的得到该组导电臂轴线与拍摄点所在对称平面的法向量；

步骤4.3，计算导电臂轴线方向向量，根据两个平面的交线分别垂直于两个平面的法向量这一原理，根据步骤4.1与步骤4.2中所求出的对称平面法向量计算导电臂轴线方向向量，具体将步骤4.1与步骤4.2中所求出的对称平面法向量代入式(15)在计算导电臂轴线方向向量，完成导电臂轴线提取。

综上，根据本发明提供的高压隔离开关导电臂轴线提取方法，以近景摄影测量与图像识别技术为手段，实现了高压隔离开关导电臂轴线的自动提取，能成为高压隔离开关合闸状态快速检测技术有效的检测工具，该方法具有以下有效效果：

1)通过构建拍摄导电臂的物理模型，分析了光线切平面法向量、对称平面法向量、导电臂轴线方向向量三者之间的数学关系，提出以两个光线切平面法向量合成的方式计算对称平面法向量，进而以两个不同的对称平面法向量之间的向量积来提取导电臂圆柱轴线的方式；

2)以近景摄影测量、图像识别与边缘检测为手段，通过计算图像中导电臂边缘的直线方程，获取边缘图像的像素点坐标，确定了光线切平面的法向量，将虚拟的光线切平面法向量计算问题转化为现实的图像像素点坐标问题；

3)提出以高压隔离开关自身结构为基础提取特征点的方式，避免了在带电设备上添加标志带来的困难；

4)利用最小二乘法解决了数字图像像素点坐标阶跃性的问题，提高了精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种高压隔离开关导电臂轴线提取方法，其特征在于，包括：

步骤1，采集、处理高压隔离开关导电臂完整图像数据；

所述步骤1具体包括：

步骤1.1，选定特征点，在高压隔离开关导电臂上选择3个或3个以上特征点，作为同名点，该同名点为物体上同一个点在不同影像上成的像点，以高压隔离开关设计图纸为参照选择易于识别、定位精确的点作为特征点，要求该特征点在高压隔离开关上的相对位置确定；

步骤1.2，选择拍摄位置，在高压隔离开关设备附近选择合适的拍摄点拍摄高压隔离开关导电臂的完整图像数据，要求导电臂不被遮挡，并包括选定的特征点；

步骤1.3，多次作业，在另外的角度、位置拍摄高压隔离开关导电臂，拍摄要求如同步骤1.2，对于同一导电臂至少需要两组图像数据，超过两组的数据进行平差处理，减小误差；

步骤1.4，图像边缘检测，将图像转化为灰度图像，利用canny边缘检测算法将灰度图像进行处理，经过平滑滤波、计算梯度、非极大值抑制及边缘检测的步骤获取出所拍摄图像的边缘数据；

步骤1.5，筛选边缘图像，将与导电臂、特征点无关的边缘从图像中去除，分别保留出导电臂与特征点的边缘图像；

步骤2，计算高压隔离开关导电臂图像边缘直线方程；

所述步骤2具体包括：

步骤2.1，坐标系转换，将数字图像的像素坐标系转化为像平面坐标系；

步骤2.2，解算外方位元素，根据特征点位置信息以角锥法解算相应图像的外方位元素，包括图像的外方位线元素与外方位角元素；

步骤2.3，轮廓分离，根据导电臂边缘图像进行分离，分别计算导电臂两侧轮廓线的直线方程；

步骤2.4，计算导电臂边缘直线方程，以图像中的像素点坐标值为对象，利用最小二乘法分别拟合导电臂边缘图像的直线方程；

步骤3，计算光线切平面的法向量；

所述步骤3具体包括：

步骤3.1，导电臂边缘图像像素点归算，根据拟合的直线方程与图像像素坐标值，对边缘直线的像素点坐标进行归算，得到新的边缘直线的像素点坐标；

步骤3.2，计算光线切平面法向量，分别以一条导电臂边缘直线为对象，在该直线上任取两个归算后的像素点坐标，计算两个光线切平面P1、P2的法向量；

步骤3.3，光线切平面法向量方向统一，比较光线切平面的朝向，以P1、P2其中任一平面的朝向为基准，若另一平面的朝向与基准平面的朝向相反，则该平面的法向量取反向；

步骤4，以对称平面相交确定导电臂轴线方向；

所述步骤4具体包括：

步骤4.1，计算对称平面的法向量，以步骤3中的得到的两个光线切平面法向量作为数据，计算导电臂轴线与拍摄点所在的对称平面P的法向量；

步骤4.2，计算另一组对称平面法向量，重新另取一组数据，重复步骤1、步骤2、步骤3，相应的得到该组导电臂轴线与拍摄点所在对称平面的法向量；

步骤4.3，计算导电臂轴线方向向量，根据两个平面的交线分别垂直于两个平面的法向量这一原理，根据步骤4.1与步骤4.2中所求出的对称平面法向量计算导电臂轴线方向向量，完成导电臂轴线提取。