基于航拍图像的输电线路导线损伤识别技术_何英龙.pdf

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.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 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，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，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