基于航拍图像的输电线路导线损伤识别技术_何英龙.pdf

1、 基 于 航 拍 图 像 的 输 电 线 路 导 线 损 伤 识 别 技 术何 英 龙 谢 依 霖 王 廷 廷 晏 丽 芬 杨 珂（云 南 电 网 有 限 责 任 公 司 昆 明 供 电 局）摘 要：铝 丝 的 断 裂 和 表 面 的 损 伤 会 逐 步 演 变 成 不 可 逆 的 破 坏，从 而 造 成 电 力 系 统 大 范 围 的 断 电。为了 发 现 可 能 发 生 的 断 股、损 伤，避 免 其 进 一 步 恶 化，本 文 提 出 一 种 利 用 无 人 机 进 行 导 线 断 线 和 表 面 缺陷 的 自 动 识 别 技 术。然 后，利 用 灰 度 方 差 规 格 化（）进 行 自

2、 适 应 阈 值 分 割，并 对 其 进 行 了 提 取。用 法 对 导 线 断 裂 进 行 了 灰 度 分 布 曲 线 的 分 析，同 时，通 过 对 引 线 区 域 图 像 的 投 射 方法，对 导 线 表 面 缺 陷 进 行 了 识 别。最 后，对 断 股 数 量 进 行 了 分 析，筛 选 出 疑 似 缺 陷，并 对 其 进 行 了 故障 诊 断。通 过 一 系 列 的 试 验，验 证 了 本 文 提 出 的 算 法 的 可 行 性。关 键 词：输 电 线 路；缺 陷 识 别；图 像 处 理；传 输 线；无 人 机 检 验 识 别 导 线 断 裂 和 表 面 缺 陷 的 分 析 算 法

3、.导 线 提 取航 空 传 输 线 的 影 像 以 为 主。为 降 低 待 处 理的 数 据 量，提 高 工 作 效 率，使 线 路 区 域 更 好 地 显 示，必 须 对 航 拍 影 像 进 行 色 彩 模 式 变 换 或 灰 度 处 理。在 航空 摄 影 中，由 于 自 动 光 线 的 作 用，导 致 了 航 空 摄 影 中的 线 段 的 表 面 色 彩 呈 现 出 灰 暗 的 现 象。另 外，航 空 影像 中 的 线 段 的 清 晰 度 比 背 景 中 的 树 木、建 筑 物 和 道 路要 高，也 就 是 线 段 的 灰 度 分 布 比 较 高。本 文 介 绍 了 利用 对 航 空 影

4、像 进 行 灰 度 处 理 的 方 法，算 法把 传 统 的 对 各 个 像 素 进 行 直 接 处 理 的 思 想 转 换 成 了 像素 的 离 散 度-。在 公 式（）中 表 示 的 特 定 的计 算 步 骤：（）（）式 中，为 模 板 中 各 像 素 的 平 均 灰 度；代 表 在模 板 中 第 像 素 的 灰 度 值，接 着，各 处 理 单 位 的 灰 度值 变 化 可 由 公 式（）来 计 算：（）（）式 中，为 在 模 板 中 具 有 阴 影 色 彩 的 中 央 像 素 的灰 度 改 变。通 过 对 整 幅 图 像 的 遍 历，可 以 得 到 与 原 图像 相 对 应 的 完 整

5、灰 度 方 差 图。另 外，如 公 式（）中所 示，将 各 像 素 的 灰 度 方 差 标 准 化：（，）（，）（）式 中，（，）为 在 坐 标（，）上 的 标 准 化 灰 度值；轴 为 最 大 灰 度 值；为 最 小 灰 度 值；（，）为灰 度 方 差 图 中 的 灰 度 值。方 法 具 有 较 高 的 背 景纯 度 和 较 高 的 反 差，能 够 提 高 图 像 的 清 晰 度 和 健 壮性。根 据 的 结 果，对 线 路 进 行 了 分 区，提 出 了一 种 基 于 形 态 学 处 理 的 自 适 应 阈 值 分 割 算 法。与 传 统的 灰 度 和 增 强 的 图 像 分 割 方 法

6、相 比，本 文 提 出 的 方 法具 有 更 好 的 分 割 效 果。根 据 灰 度 和 加 强 处 理 的 图 像，在 第 三 栏 中 出 现 了 分 割 的 结 果，但 仍 存 在 着 一 定 的 背景 噪 声 和 部 分 空 洞，有 些 分 割 效 果 不 完 全。另 外，利用 图 像 进 行 八 个 图 像 的 分 割，取 得 了 较 好 的 效果，能 较 好 地 避 开 外 界 的 干 扰。.导 线 断 裂 检 测通 过 对 线 路 进 行 分 区，可 以 不 受 背 景 干 扰，对 线路 进 行 重 点 分 析。由 于 在 引 线 区 域 图 像 上 的 灰度 分 布 是 导 线

7、断 裂 检 测 的 基 础 参 数，因 此 提 取 的 引 线面 积 必 须 要 映 射 到 图 像。本 节 通 过 图 所 示 的图 片，对 电 线 断 裂 检 测 算 法 进 行 了 较 为 详 细 的 分 析。在 断 线 检 测 中，有 三 个 关 键 环 节：灰 度 值 分 布 的 抽取；方 波 变 换；断 线 识 别。铝 绞 线 外 缘 的 灰 度 分 布 是金 属 丝 表 面 完 整 性 的 重 要 指 标，而 则 是 其 灰 度分 布 的 周 期 性 特 征。最 后，对 各 采 集 的 型 波 形 进 行了 分 析，得 出 了 传 输 线 的 断 股 量。图 导 线 区 域 的

8、图 像 电 气 技 术 与 经 济 技 术 与 应 用.灰 度 值 分 布 的 提 取从 图 可 以 看 出，每 个 铝 绞 线 表 面 的 灰 度 值 高 于它 们 之 间 的 边 缝，而 外 部 的 铝 绞 线 具 有 周 期 性 的 结 构特 征，从 而 在 未 破 裂 金 属 丝 表 面 上 的 灰 度 分 布 显 示 出周 期 性 特 征。由 于 线 路 长 期 处 于 暴 露 状 态，且 受 到 多种 噪 音 的 干 扰，在 高 灰 度 区 内，经 常 会 产 生 较 低 的 灰度 值。.为 了 更 好 的 描 述 灰 度 分 布 的 周 期 特 征，本 文 给 出了 法。在 此

9、基 础 上，利 用 门 限 对 图 所 得 到 的波 形 进 行 二 值 化，从 而 达 到 方 波 转 换 的 目 的。公 式 中，是 在 图 中 得 到 的 波 形 上 的 任 何 一 点上 的 灰 度 值，其 中 是 最 大 值，是 最 小 值，是二 进 制 过 程 的 结 果。此 外，单 一 型 波 形 的 宽 度 可 以用 来 描 述 单 一 铝 丝 的 宽 度。图 灰 度 分 布 波 形 图.断 股 的 识 别为 清 晰 描 述 各 型 波 形 的 宽 度 改 变，必 须 对 各 型 波 形 的 宽 度 进 行 统 计 分 析。座 标 代 表 各 型 波形 的 标 记，座 标 为

10、各 型 波 形 的 像 素 的 宽 度。大 多数 型 波 形 的 宽 度 都 很 相 近，而 且 都 是 一 条 完 整 的 铝绞 线。通 过 对 相 机 的 校 准，可 以 计 算 出 单 根 铝 线 的 直径 所 需 要 的 像 素 数 量。另 外，众 所 周 知，外 铝 丝 被 卷成 一 个 固 定 的 角 度 a（此 处 将 不 考 虑 它 的 细 微 改 变）。这 样，可 以 用 圆 形（）来 表 示 单 个 铝 丝 的 横向 宽 度。基 于 以 上 的 分 析，采 用 圆（）为 基准，并 按 实 际 需 求 选 取 了 相 应 的 测 量 精 度（以 像 素为 单 位）。若 型 波

11、 形 的 宽 度 满 足-（-），则 该 型 波 形 被 认 为 是 一 种 典 型 的 波 形，该 波 形 代 表 了 整 个 单 根 铝 绞 线 的 宽 度。若 型 波 形 的宽 度 符 合-（），则 该 波 形 被 认 为 是一 种 不 正 常 的 波 形，认 定 为 断 裂 的 铝 绞 线。.导 线 缺 陷 识 别通 过 对 导 线 区 域 进 行 分 割，将 所 抽 取 的 导 线 区 域与 图 像 进 行 对 应。结 果 表 明，与 导 体 区 图像 相 比，表 面 缺 陷 的 灰 度 值 较 高，且 缺 陷 点 较 多。所以，当 列 有 瑕 疵 时，在 列 方 向 上 的 标 准

12、 化 灰 度 方 差 总和 会 很 大。同 样，当 行 有 缺 陷 时，局 部 区 域 的 线 方 向之 和 也 很 大，所 以 算 法 被 提 出。算 法 由垂 直 投 影、局 部 水 平 投 影 和 缺 陷 识 别 三 大 部 分 组 成。.垂 直 投 影导 线 区 域 的 图 像，其 垂 直 投 影 的 具 体 计 算过 程 如 式（）所 示：（，）（）式 中，（，）是 在 坐 标（，）上 的 标 准 化灰 度 方 差；表 示 各 列 中（，）之 和。为 突 出缺 陷 的 可 疑 部 位，垂 直 投 影 的 结 果 必 须 用 阈 值 来 进 行处 理，其 中，将 阈 值 设 定 成 竖

13、 向 投 影 中 最 大 和 最 小的 灰 度 值 的 平 均 值，用（）来 表 示。若 比 大，它 与 临 界 点 之 差，反 之 为。另 外，必 须 用 高 通 滤 波 器 对 其 进 行 滤 波，并 且 设 置 单 股 铝 线半 径 的 滤 波 器 窗 尺 寸。如 果 在 水 平 方 向 上 峰 值 的 像素 范 围 比 小，那 么 它 就 会 被 过 滤 掉，否 则 就 会 保 留原 来 的 值。.局 部 水 平 投 影局 部 水 平 投 影 与 竖 向 投 影 相 似，不 同 的 是：水 平投 影 是 通 过 对 由 上 面 所 述 的 竖 向 投 影 所 决 定 的 各 分 块的

14、标 准 灰 度 方 差 的 总 和 进 行 的。首 先，举 例 说 明 一 个局 部 子 图 像，它 的 水 平 投 影 的 具 体 计 算 步 骤 如 下：公式（）：（，）是 在 座 标（，）上 的 标 准 化 灰度 方 差，是 各 线 中（，）的 和。还 用 中 值 滤 电 气 技 术 与 经 济 技 术 与 应 用 波 对 进 行 平 滑 处 理。采 用 阈 值 处 理，高 通 滤波，以 及 故 障 标 志 序 列 处 理。最 后，利 用 高 通 滤 波 器所 获 得 的 横 向 坐 标，求 出 了 疑 似 缺 陷 的 起 始 线 和 终 点线。（，）（）.缺 陷 识 别按 照 输 电

15、线 路 的 操 作 规 程，当 导 线 的 缺 陷 深 度 超出 了 的 单 股 铝 导 线 时，就 必 须 进 行 维 修。这 样，单 根 铝 线 厚 度 的 的 参 量 长 度 作 为 阈 值，也 就 是。在 此 基 础 上，假 定 单 根 铝 线 的 边 切 线 与 水 平 线 之间 的 角 度 为 a，给 出 了 传 输 线 路 的 具 体 结 构 模 式。为了 对 所 得 到 的 疑 似 缺 陷 进 行 进 一 步 的 筛 选，我 们 希 望将 疑 似 缺 陷 区 的 长 度 和 直 径 长 度 相 比 较。现 场 试 验 结 果 和 分 析.现 场 安 装在 上 安 装 图 像 采

16、 集 设 备 的 方 法，在 很 多 架空 输 电 线 路 的 日 常 巡 视 中 得 到 了 广 泛 的 应 用。它 的 背景 软 件 包 括 读 取 图 像、提 取 导 线、断 线 检 测；主 要 功能 模 块 包 括：金 属 丝 表 面 缺 陷 的 探 测。.导 线 断 线 检 测 算 法 的 性 能 测 试.算 法 验 证为 对 该 方 法 的 可 行 性 和 实 用 性 进 行 了 较 系 统 的 检验，通 过 对 两 个 现 场 图 像 的 数 据 进 行 了 处 理 与 分 析，其 中 一 张 是 三 股 铝 线 断 裂 的 电 线 和 一 张 完 好 的 电 线。结 果 表 明

17、，在 整 个 线 轴 上，灰 度 分 布 呈 现 出 良 好 的 周期 性 循 环 特 征。对 断 开 的 金 属 丝，若 其 局 部 未 受 损伤，其 灰 度 仍 有 一 定 的 周 期 分 布；它 的 周 期 灰 度 分 布将 会 受 到 影 响。的 结 果 表 明，在 未 破 裂 的 电 线 图像 中，形 波 形 的 宽 度 基 本 上 是 一 样 的，而 与 断 开 的铝 绞 线 部 分 相 对 应 的 型 波 形 的 宽 度 是 局 部 突 然 增 大或 者 是 连 续 地 减 少。从 型 波 形 宽 度 叠 加 的 最 大 值 可以 看 出，断 裂 的 金 属 丝 中 有 三 条

18、断 裂 的 铝 丝，这 一 点与 实 际 情 况 相 符。.现 场 数 据 集 验 证为 了 验 证 该 方 法 的 正 确 性 和 鲁 棒 性，采 用 无 人 机拍 摄 了 张 简 单 背 景 的 场 像 和 张 复 合 背 景 下的 场 像。结 果 显 示，在 简 单 情 况 下，其 测 量 准 确 率 比在 复 杂 情 况 下 要 高，总 体 平 均 准 确 率 达 到.，能 够 对 输 电 线 路 中 的 断 线 进 行 有 效 的 检 测。.导 线 表 面 缺 陷 检 测 算 法 的 性 能 测 试.算 法 验 证通 过 对 包 含 多 个 表 面 缺 陷 的 场 像 进 行 了 检

19、 验，证明 了 该 方 法 的 正 确 性 和 可 行 性。采 用 垂 直 投 影 法 和 高通 滤 波 技 术，对 存 在 横 向 缺 陷 的 疑 似 行 进 行 了 突 出，从 而 有 效 地 减 少 了 疑 似 线 缺 陷 的 探 测 范 围，并 对 其 进行 了 列 分 割，从 而 获 得 了 三 幅 含 有 缺 陷 的 子 图 像。该方 法 与 竖 向 投 影 法 一 样，先 对 各 子 图 象 进 行 局 部 水 平投 影，然 后 利 用 中 值 滤 波、阈 值 处 理、高 通 滤 波 等 方法 对 各 投 影 结 果 进 行 连 续 处 理。然 后 对 各 子 图 像 进 行行

20、划 分，从 而 确 定 了 疑 似 缺 陷 的 所 在。最 后，依 据 筛选 原 理，筛 选 出 较 小 的 干 扰 区 域。.现 场 数 据 集 验 证通 过 对 张 简 单 背 景 下 的 航 空 影 像 和 张复 杂 背 景 下 的 航 空 影 像 进 行 分 析，验 证 了 该 方 法 的 正确 性 和 鲁 棒 性。试 验 结 果 显 示，在 简 单 情 况 下，其 测量 准 确 率 比 在 复 杂 情 况 下 要 高，总 体 平 均 准 确 率 达 到.。结 束 语本 文 中 给 出 了 一 种 利 用 航 空 影 像 进 行 导 线 断 裂 与表 面 损 伤 的 方 法，并 对 其

21、 进 行 了 试 验 研 究，结 果 表 明该 方 法 具 有 较 好 的 鲁 棒 性 和 实 用 价 值。（）对 引 线 区 域 图 像 进 行 灰 度 分 布 的 分 析，对 线 路 断 点 进 行 识 别 与 定 位。同 时，利 用 导 体 区 图 像 的 纵 向 投 影 和 横 向 投 影，可 以 对 导 线 表 面的 缺 陷 进 行 识 别 和 定 位。（）采 用 本 文 提 出 的 方 法 进 行 线 路 断 裂 识 别，其 故 障 诊 断 的 准 确 率 分 别 为.和.。本方 法 可 用 于 输 电 线 路 上 的 无 人 机 巡 视。另 外，由 于 飞机 航 拍 的 缘 故，

22、对 于 导 线 底 部 或 特 殊 角 度 的 微 小 缺陷，不 能 用 摄 影 技 术 来 反 映，这 也 是 我 们 今 后 的 工 作重 点。参 考 文 献 曾 军，赵 子 根，刘 景 立，等 输 电 线 路 导 线 断 股 和表 面 损 伤 识 别 技 术 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报，（）：-沙 伟 燕，何 宁 辉，丁 培，胡 伟，李 秀 广，周 秀 基于 无 人 机 图 像 处 理 的 输 电 线 路 提 取 技 术 研 究 电 测 与 仪 表，（）：-黄 广 龙 基 于 无 人 机 图 像 识 别 技 术 的 水 利 工 程 输 电线 路 缺 陷 检 测 方 法 水 利 科 技 与 经 济，（）：-黄 晓 胤，李 宁，邱 鹏，等 航 拍 图 像 在 输 电 线 路 识别 与 状 态 检 测 中 的 应 用 研 究 科 技 与 创 新，（）：-（收 稿 日 期：-）电 气 技 术 与 经 济 技 术 与 应 用