一种电力线的测距方法.pdf

本发明公开一种电力线的测距方法，包括如下步骤：(1)获取电力线及其下方交跨物的序列影像，构成立体像对；(2)在前述立体像对中提取像方电力线；(3)确定电力线点的空间坐标；(4)利用铅垂线轨迹法搜索前述电力线点下方一定距离内有无交跨物，并在有交跨物时计算其坐标；(5)根据交跨物与电力线点的坐标，计算二者的垂直距离。此方法可准确识别影像中的电力线并测量其空间坐标，自动判别电力线下安全距离内是否有交跨物，并实时测量电力线到下方交跨物之间的垂直距离，发现安全隐患，保障供电线路的畅通和安全。

1、  一种电力线的测距方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)获取电力线及其下方交跨物的序列影像，构成立体像对；
(2)在前述立体像对中提取像方电力线；
(3)确定电力线点的空间坐标；
(4)利用铅垂线轨迹法搜索前述电力线点下方一定距离内有无交跨物，并在有交跨物时计算其坐标；
(5)根据交跨物与电力线点的坐标，计算二者的垂直距离，判断是否安全。

2、  如权利要求1所述的一种电力线的测距方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用直升机携带全景观测仪、GPS及姿态仪，沿电力线延伸方向以倾斜30～45度的方向采集数据。

3、  如权利要求1所述的一种电力线的测距方法，其特征在于：所述步骤(2)中，包括如下步骤：
(a)边缘检测电力线的像素点；
(b)对前述像素点进行边缘跟踪形成链码；
(c)进行链码分裂处理，形成短的直线段；
(d)对前述直线段建立连接矩阵，生成连接链，再进行直线段拟合，进行共线链编组，形成较长的直线段。

4、  如权利要求1所述的一种电力线的测距方法，其特征在于：所述步骤(3)中，假设左右影像上提取出来的电力线为m′及m″，且电力线点的平面坐标为(X，Y)，而铅垂线上的一点为，(X₀，Y₀，Z₀)，在铅垂线上n_x＝n_y＝0，则所述电力线点所在的铅垂线的参数方程为：
X＝X₀+n_xt
Y＝Y₀+n_yt
Z＝Z₀+n_zt
当t的值使物方点对应的左右像点到m′及m″的距离之和最短时，此时所对应的空间坐标(X，Y，Z)即为所求的电力线点。

5、  如权利要求1所述的一种电力线的测距方法，其特征在于：所述步骤(4)中，具体包括如下步骤：
(a)选择电力线上一点P，设其平面坐标为(X，Y)，得到其高程值Z_P；
(b)将点(X_P，Y_P，Z_P)投影到左右两幅影像上，开始匹配，计算影像位置(x′_L，y′_L)以及(x″_L，y″_L)的相似性测度；
(c)沿着铅垂线以合适的间距Δz向下搜索，将物方点(X_P，Y_P，Z_P-□z*n)投影到两幅影像上重新计算其相似性测度；
(d)重复步骤(c)直至搜索到较低点(X_P，Y_P，Z_L)为止；
(e)分析在每一步中获得的相似性测度，当相似性测度小于一定阈值时，说明该电力线点下无交跨物，此处电力线安全；而当相似性测度大于一定阈值时，计算最大值以确定同名位置；相似性测度最大的点，即为搜索到的交跨物上的点。

6、  如权利要求5所述的一种电力线的测距方法，其特征在于：所述阈值为0.5～0.7。

一种电力线的测距方法
技术领域
本发明涉及视觉测量方法，特别涉及一种测量电力线到危险交跨物之间的距离的实时测量方法，属于图像处理、计算机视觉领域，也属于测绘科学领域。
背景技术
目前电力线的布设纵横交错，特别是用于长距离供电的高压线，其安全性关乎供电线路的稳定工作和高压线附近居民及建筑物的安全，因此，必须保证电力线下方一定范围内不能存在危险交跨物。目前检测电力线到危险交跨物之间的距离，通常都使用视觉测量方法，以下将对该方法进行简要说明。
摄影测量和计算机视觉在内的视觉测量是通过获取和处理二维影像实现三维空间的测量和认知。
视觉测量的基本过程如图1所示，它包括摄影和测量两个主要步骤，首先获取被测物体的影像，然后对影像进行解析获取三维空间的位置等几何信息。
视觉测量，其基本原理如图2所示。它基于物方(空间)点、像点、相机中心三点共线的成像模型，根据两张或两张以上影像上的同名点，进行交会得到空间点三维坐标，最终实现三维空间的测量与认知。三点共线的原理可以用下面的公式描述：
x-x0=-fa1(XA-XS)+b1(YA-YS)+c1(ZA-ZS)a3(XA-XS)+b3(YA-YS)+c3(ZA-ZS)]]>
y-y0=-fa2(XA-XS)+b2(YA-YS)+c2(ZA-ZS)a3(XA-XS)+b3(YA-YS)+c3(ZA-ZS)]]>
这就是一般地区中心投影的构像方程——共线方程。也是视觉测量所基于的基本模型。
根据视觉测量的原理，我们可以知道要进行测量，必须解决好两个问题：(1)准确恢复两张影像的位置关系以及三维空间位置计算；(2)快速确定两张影像上的同名点。
对于第一个问题中的影像位置关系，通过高精度的GPS和姿态仪解决，三维空间位置计算，根据视觉测量基本原理进行；第二个问题通过影像匹配方法解决。影像匹配是一个病态问题，稳定可靠的影像匹配需要加入约束条件。
视觉测量一般过程包括以下几个阶段：
(1)数据获取；
(2)解析处理：该阶段包括影像预处理、特征点提取、影像匹配、空中三角测量、地表模型生成等。
不同的飞行方案会产生不同的摄影几何。对于导线测距，请参考图3和图4所示，其分别为沿导线单航带和沿导线多航带的摄影几何，对于导线多航带而言，需要安装2台摄像机，且二者之间的相对位置要固定，然而由于直升机上负载有限，且有较严格的安装限制，很多情况下只安装单台摄像机；对于沿导线单航带的摄影几何，导线在影像上的成像基于与核线平行，很难实现导线点的对应，因此给导线的测量带来很大的困难。因此，对于这种方案，要求导线的悬垂曲线已知。然后在已知的导线悬垂曲线的基础上，向下搜索交跨物，最后计算导线到交跨物的距离，判断安全与否。
有鉴于上述分析，本发明人针对目前的电力线测量方法进行研究改进，本案由此产生。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种电力线的测距方法，其可准确识别影像中的电力线并测量其空间坐标，自动判别电力线下在安全距离内是否有交跨物，并实时测量电力线到下方交跨物之间的垂直距离，发现安全隐患，保障供电线路的畅通和安全。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种电力线的测距方法，包括如下步骤：(1)获取电力线及其下方交跨物的序列影像，构成立体像对；(2)在前述立体像对中提取像方电力线；(3)确定电力线点的空间坐标；(4)利用铅垂线轨迹法搜索前述电力线点下方一定距离内有无交跨物，并在有交跨物时计算其坐标；(5)根据交跨物与电力线点的坐标，计算二者的垂直距离，判断是否安全。
上述步骤(1)中，采用直升机携带全景观测仪、GPS及姿态仪，沿电力线延伸方向以倾斜30～45度的方向采集数据。
上述步骤(2)中，包括如下步骤：(a)边缘检测电力线的像素点；(b)对前述像素点进行边缘跟踪形成链码；(c)进行链码分裂处理，形成短的直线段；(d)对前述直线段建立连接矩阵，生成连接链，再进行直线段拟合，进行共线链编组，形成较长的直线段。
上述步骤(3)中，假设左右影像上提取出来的电力线为m′及m″，且电力线点的平面坐标为(X，Y)，而铅垂线上的一点为，(X₀，Y₀，Z₀)，在铅垂线上n_x＝n_y＝0，则所述电力线点所在的铅垂线的参数方程为：
X＝X₀+n_xt
Y＝Y₀+n_yt
Z＝Z₀+n_zt
当t的值使物方点对应的左右像点到m′及m″的距离之和最短时，此时所对应的空间坐标(X，Y，Z)即为所求的电力线点。
上述步骤(4)中，具体包括如下步骤：(a)选择电力线上一点P，设其平面坐标为(X，Y)，得到其高程值Z_p；(b)将点(X_P，Y_P，Z_P)投影到左右两幅影像上，开始匹配，计算影像位置(x′_L，y′_L)以及(x″_L，y″_L)的相似性测度；(c)沿着铅垂线以合适的间距Δz向下搜索，将物方点(X_P，Y_P，Z_P-□z*n)投影到两幅影像上重新计算其相似性测度；(d)重复步骤(c)直至搜索到较低点(X_P，Y_P，Z_L)为止；(e)分析在每一步中获得的相似性测度，当相似性测度小于一定阈值时，说明该电力线点下无交跨物，此处电力线安全；而当相似性测度大于一定阈值时，计算最大值以确定同名位置；相似性测度最大的点，即为搜索到的交跨物上的点。
上述阈值为0.5～0.7。
采用上述方法后，本发明通过集成影像的特征提取、立体测量技术，并巧妙地利用空间约束关系进行电力线的识别和交跨物的距离检测，首先利用直升机实时采集电力线及其下方的交跨物的影像数据，并利用形成的立体像对，在铅垂线约束下确定电力线点的空间坐标，再利用铅垂线轨迹法识别有无交跨物，并在有交跨物时计算其空间坐标，再与电力线点的空间坐标进行比较，计算获得悬垂距离，判断电力线是否安全，从而可确保电力传输及周边环境的安全性，保证电力传输的稳定性。
附图说明
图1是视觉测量的基本过程示意图；
图2是视觉测量的基本原理示意图；
图3是沿导线单航带的摄影几何示意图；
图4是沿导线多航带的摄影几何示意图；
图5是本发明中测量环境的俯视图；
图6是本发明中测量环境的断面图；
图7是本发明中铅垂线轨迹法的概念示意图；
图8是铅垂线轨迹法的一种实现思想示意图；
图9是本发明中确定电力线点位置的原理图；
图10是本发明的实现过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理及具体内容进行详细说明。
参考图10所示，本发明是一种电力线的测距方法，包含以下步骤：
(1)获取电力线及其下方交跨物的序列影像，构成立体像对；
直升机携带全景观测仪、GPS及姿态仪，沿电力线延伸方向飞行，且在飞行过程中以倾斜30～45度的方向获取导线以及下方交跨物的序列影像，前后影像构成立体像对，可参考图5及图6所示，是本实施例中进行影像采集的测量环境。
(2)在前述立体像对中提取像方电力线；
针对步骤(1)中直升机对电力线的拍摄方式，直升机是沿电力线的延伸方向飞行，属于单航带的摄影方式，难以直接利用同名特征的方式对导线进行测量，因此，本发明中利用铅垂线的物方约束和电力线在影像上的观测结果相结合，对电力线进行准确的提取和量测。
(a)边缘提取与细化
由于电力线所处的环境，要将电力线检测出来，要求边缘提取算子抗噪声强、定位精度高、真正的边缘点必须检测到。这里检测的过程包括利用高斯函数进行低通滤波、计算梯度的方向与幅值、对梯度幅值进行非最大值抑制、检测及边缘连接等，此为公知技术，在此不再赘述。
(b)边缘跟踪
利用前述边缘检测得到的像素点进行边缘跟踪形成链码，本实施例中采用Freeman编码的方法。
(c)直线段形成
边缘跟踪形成的链码，还没有生成直线段，还需要进行链码分裂处理。本实施例中采用的是道格拉斯-普克法(Douglas--Poiker)法，利用链码生成短的直线段。
(d)直线合并
链码分裂时形成了较多短的初始直线段。为了得到较理想的电力线提取结果，必须对这些短直线段进行连接合并。通过建立连接矩阵，生成连接链，再进行直线段拟合，进行共线链编组，形成较长的直线段。
(3)确定电力线点的空间坐标；
参考图9所示，设直线UL是步骤(2)中所得到的直线段，其中，U是所估计的电力线点的上界，而L是下界，直线UL在左右影像中的投影分别为L′、U′以及L″、U″，它们之间的距离分别记为v′、v″，则两幅影像中的同名实体限制在两条线v′及v″上，v′、v″为通过投影中心c′及c″，近似最低高程点L以及近似最高高程点U组成的两个三角形分别与两幅影像的交线。由于三角形在一个平面内，它包含了从透视中心出发的铅垂线，铅垂线在两幅影像上的投影是过像底点的射线。而且，L′和L″、U′和U″都在对应的核线上。
假设左右影像上提取出来的电力线均为折线(如图9的m′及m″)，对平面坐标为(X，Y)的电力线点进行检测，这样可以得到这个电力线点所在的铅垂线的参数方程为(在铅垂线上n_x＝n_y＝0，(X₀，Y₀，Z₀)为铅垂线上的一点)：
X＝X₀+n_xt
Y＝Y₀+n_yt
Z＝Z₀+n_zt
随着t的不断变化，相应的物方点在垂线上不断变化(见图9)，同时物方点在左右影像上的像也分别沿L′L″、U′U″移动，当物方点变化到电力线上时，相应的像点也同时移动到L′L″、U′U″与提取出来的电力线的交点上，这时的(X，Y，Z)就是电力线点的坐标。
由于要考虑到电力线点的提取会有一定的误差，实际中左右影像中的像点并不会同时移动到L′L″、U′U″与提取出来的电力线的交点上，故需要估计按一定的准则去估计电力线点的最佳位置，在本实施例中，通过选取适当的t使物方点对应的左右像点到m′和m″的距离之和最短。
将铅垂线的方程X＝X₀+n_xt，Y＝Y₀+n_yt，Z＝Z₀+n_zt代入共线方程，设整理得到：
x-x0=-fM1+V1tM3+V3t]]>
y-y0=-fM2+V2tM3+V3t]]>
设与该铅垂线相交的提取出来的电力线折线段方程为：
ax+by+c＝0
联立以上的方程可以整理得到一个关于t的方程，设为：
mt＝n
对于实时测距系统，每一次处理的是至少一个像对，故至少可以列出两个以上关于的方程，记为：
m_it＝n_i
利用最小二乘法，并取权矩阵为单位矩阵，则有t的估计值为：
t^=ΣminiΣmi2]]>
由即可求出电力线点的最佳估计值。
综合前述说明，具体求取电力线点的空间坐标的步骤是：
①由电力线的平面坐标(X，Y)投影到各影像上，并判断它与提取的电力线的哪一段相交；
②按上面的公式计算各个m和n；
③计算并由计算出电力线点的坐标(X，Y，Z)。
(4)利用铅垂线轨迹法搜索前述电力线点下方一定距离内(以安全距离为准)有无交跨物，并在有交跨物时计算其坐标；
参考图7所示，设P是物方空间中交跨物位置的估计值，Δz是初始估计值的不确定范围。同时估计交跨物高度的上界U与下界L，其上界可以确定为电力线点的位置，因为交跨物高度一般不会超过电力线。交跨物的上界和下界在左右影像的投影为L′、U′以及L″、U″，它们之间的距离分别记为v′、v″。两幅影像中的同名实体限制在两条线v′及v″上，v′、v″为通过投影中心c′及c″，近似最低高程点L以及近似最高高程点U组成的两个三角形分别与两幅影像的交线。由于三角形在一个平面内，它包含了从透视中心出发的铅垂线，铅垂线在两幅影像上的投影是过像底点的射线。而且，L′和L″、U′和U″都在对应的核线上。
再请参考图8所示，是一种实现铅垂线轨迹的方法，匹配从近似最低高程点开始，此时，模板和匹配窗口分别以L′和L″为中心。对L和U之间的所有的点循环执行整个匹配过程。在匹配过程涉及的所有位置，只有对应着最大相似性测度的位置才是交跨物S的正确位置。
实现铅垂线轨迹方法进行导线测距的一般步骤如下：
(a)选择电力线上一点P，设其平面坐标为(X，Y)，得到其高程值Z_p；
(b)将点(X_P，Y_P，Z_P)投影到左右两幅影像上，开始匹配，计算影像位置(x′_L，y′_L)以及(x″_L，y″_L)的相似性测度；
(c)沿着铅垂线以合适的间距Δz(根据电力线实际检测的要求，在0.1米至0.5米之间)向下搜索，将物方点(X_P，Y_P，Z_P-□z*n)投影到两幅影像上重新计算其相似性测度；
(d)重复步骤(c)直至搜索到较低点(X_P，Y_P，Z_L)为止；
(e)分析在每一步中获得的相似性测度，当相似性测度小于一定阈值(阈值可以依据当地的地形地貌确定，根据实验统计一般可以取0.5~0.7)时，说明该电力线点下无交跨物，此处电力线安全；而当相似性测度大于一定阈值时，计算最大值以确定同名位置；一般相似性测度最大的点，即为搜索到的交跨物上的点。
(5)根据交跨物的高度与电力线点的悬垂高度，计算二者的垂直距离，可判断该电力线是否安全。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。