图像处理技术在直升机巡检输电线路中的应用综述_仝卫国

第34卷第12期电网技术Vol.34No.122010年12月PowerSystemTechnologyDec.2010文章编号：1000-3673（2010）12-0204-05中图分类号：TM755文献标志码：A学科代码：470·4051图像处理技术在直升机巡检输电线路中的应用综述仝卫国，苑津莎，李宝树（华北电力大学，河北省保定市071003）ApplicationofImageProcessinginPatrolInspectionofOverheadTransmissionLinebyHelicopterTONGWeiguo,YUANJinsha,LIBaoshu(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,HebeiProvince,China)ABSTRACT:Duetoitsfeaturessuchashighefficiency,accuracyandsafety,patrolinspectionbyhelicopterevolvesasanimportantinspectionmannerforhighvoltageoverheadtransmissionlines.Throughtheprocessingandanalysisonlotsofaerialphotographsacquiredbypatrolinspectionwithhelicopter,thefaultsanddefectsoftransmissionlinescanbefound,sothereisagoodapplicationprospectofimageprocessingtechnologyinpatrolinspectionofoverheadtransmissionlines.Presentresearchsituationofapplyingimageprocessingtopatrolinspectionofoverheadtransmissionlinesbyhelicoptershomeandabroadisanalyzed,andmaintechnicalproblemstobesolvedinthefieldofapplyingimageprocessingtechnologytothisfieldareputforward,andpossiblesolutionsarediscussed.Finally,thedevelopmenttrendinthisfieldisprospected.KEYWORDS:imageprocessingtechnology;patrolinspectionofoverheadtransmissionlinebyhelicopter;imageextractionandrecognition;faultdiagnosis摘要：直升机巡检以其高效、准确和安全等特点逐渐成为高压输电线路巡检的重要方式。通过对直升机巡检采集到的大量航拍图像的处理和分析可以发现输电线路故障和缺陷，因此图像处理技术在电力线路巡检中具有良好的应用前景。分析了国内外直升机巡检输电线路图像处理技术的研究现状，提出了图像处理技术应用于该领域需要解决的几个主要技术问题，并探讨了可能的解决方案，昀后对输电线路巡检的发展方向进行了预测,并提出该领域将可能成为研究热点。关键词：图像处理技术；直升机巡检输电线路；图像提取与识别；故障诊断0引言直升机巡检输电线路具有高效、快捷、可靠、成本低、不受地域影响等优点，已成为我国输电线路巡检的重要方式[1-2]。“直升机巡视为主，人工巡视为辅”是我国高压、超高压线路巡检的发展方向。从20世纪50年代开始，欧美一些发达国家就开始了由直升机对架空线路进行例行巡检、维护、带电作业等方面的研究。我国从20世纪80年代开始进行直升机巡检和带电作业等方面的研究，目前，华中电网公司、华北电网公司、南方电网公司等相继开展了直升机电力作业的尝试，并取得了一些宝贵经验[3]。直升机巡检以目测为主，并与仪器观察和仪器自动检测相结合，可以完成杆塔、导地线及其金具、绝缘子等部件的运行状态的巡检。巡检内容包括：1）通道变化情况，包括污源分布变化情况，线路附近房屋及其他设施变化情况，塔基附近地形变化情况，保坎、护坡、排水沟是否完好等；2）标示牌、警示牌是否完好，铁塔塔材是否丢失、锈蚀，塔上是否有异物等；3）防震锤是否脱落或滑移，间隔棒是否倾斜或滑移，地线放电间隙变化情况；4）绝缘子是否破裂，绝缘子串是否倾斜，金具零件是否锈蚀和变形。此外，还可以进行接点过热、异常电晕、导地线内部损伤、接触电阻、绝缘距离等的测量和绝缘子质量判断。日常直升机巡检中，主要工作方式是目测，也可借助望远镜观察线路，或者事后观看摄影、摄像记录的图像来判断线路故障及隐患。显然以上方法效率低，检测结果受主客观因素影响大，检测精度难以保证。直升机巡检过程中，摄影、摄像设备记录了大量输电线路图像信息，包括数字图像信息、序列图像信息和红外图像信息等。这些图像包含了输电线路的基本特征及运行状态信息，通过对这些图像的处理可得到输电线路的基本状况，发现设备缺陷和故障隐患。如果能够实现对巡检图像的自动处理，不仅可克服人工方式的各种缺陷，提高工作效率和第34卷第12期电网技术205检测精度，而且能够提高线路巡检的自动化水平，减少巡检人员，提高直升机巡检的安全性和质量。图像处理技术和GPS技术在电力巡检领域中的应用[4]使直升机自动巡检成为可能，同时也为无人机在电力巡检中的应用奠定了基础。实现以上功能的关键是巡检图像处理，包括图像预处理、图像检测和模式识别等。目前，国内外关于电力巡检图像处理技术的研究还处于起步阶段，直升机巡检图像自动处理及故障自动诊断将成为直升机巡检研究的又一重要课题。本文将分析直升机巡检图像处理技术的研究现状和存在问题，以期为该领域图像处理技术研究提供参考。1国内外研究现状直升机巡检采集的图像存在不同程度的退化现象，即在成像过程中出现了畸变、模糊、失真或噪声混入，造成了图像质量的下降。造成图像退化的原因很多，主要包括：1）光学系统的像差、衍射、带宽有限等造成的图像失真；2）太阳辐射、云层遮挡、大气湍流的扰动效应等造成的遥感图像失真；3）成像器件的拍摄姿态、光电转换器件的非线性等引起的图像几何失真；4）成像系统与被拍摄景物的相对运动造成的图像运动模糊；5）图像在成像、数字化、采集和处理过程中引入了噪声等。其中，运动模糊和各种噪声的影响尤为严重。四季更替使输电走廊的自然环境和地貌不断变化，采集图像的背景会随环境的变化变得非常复杂，对比度降低，且干扰增多，同时其他自然地貌与人工建筑也使图像背景的复杂程度进一步加深。复杂自然背景下目标图像的提取与识别是输电线故障自动诊断的另一个主要技术瓶颈。输电线路巡检需要监测的设备种类多，故障类型也多，所以自动诊断过程需根据不同的设备和故障类型采用不同的检测方法，如数字图形学方法、神经网络技术和模糊逻辑算法等。国内外在直升机巡检图像处理技术方面的研究已取得一定成果：1）图像采集方面成果。直升机巡检过程中，目标物体的相对运动以及摄像设备的“振动”会引起图像的退化现象[5-6]。对于静态图像可以容忍的视场运动需在视场范围的1%~2%，一般应保证在1%以内；同时图像采集过程中视角的变化应小于10−4rad。为了补偿直升机运动造成的图像退化，文献[7]采用角点检测方法来配准图像固定点，从而实现相机调焦过程中能够调整检测范围以实现目标跟踪，并设计了摄像机自动控制系统以实现巡检图像的自动采集。2）目标提取与识别方面成果。巡检图像处理中，目标图像提取是关键。背景复杂性及其变化的多样性使目标图像和背景之间的差异很小，因此目标图像提取与背景去除是巡检图像处理中的瓶颈问题。在输电线提取与识别方面，国内外已有一些初步研究成果。文献[8]用Ratio算子提取电力线像素点，然后采用分段Radon变换提取并连接各分段电力线，再利用类卡尔曼滤波技术跟踪连接电力线的断裂部分，从而完成输电线的提取；文献[9]采用差分几何方法提取图像边缘，采用Hough变换和数字图形学方法提取输电线；文献[10]指出有学者采用雷达反射波极化统计方法提取和识别输电线；文献[11]采用神经网络法滤除背景噪声后提取输电线；文献[12]基于昀大熵阈值方法进行图像分割，应用连通区域方法对绝缘子串进行提取和识别。以上方法初步解决了输电线设备的提取和识别问题，但还有待进一步完善。3）输电线路故障诊断方面成果。文献[13]介绍了应用高精度图像分辨技术测量弧垂的装置，其将“聪明相机”固定安装在杆塔上，对准固定悬挂在导线上的标靶，通过装置内部的图像处理软件获取摄取图像中标靶的空间坐标，计算出导线的弧垂数据；文献[14]介绍了日本采用直升机巡检输电电缆的方法，通过图像处理软件检测电缆的亮度和形状，判断电缆的受损伤情况；文献[15]介绍了基于机器视觉原理的输电线弧垂测量方法，通过机器视觉方法确定输电线路上特征点(隔离棒)的空间坐标，进而应用曲线拟合方法实现弧垂的实时测量。华中电网公司研发了“机载多角度电力巡线系统”[16]，该系统利用多角度图像数据和线路高度数据提取特定目标信息，对目标进行三维重建，可方便获取高压线路走廊周围物体与电力线的距离，进行距离测量和危险点定位，该项目的软硬件系统已开发完毕，并已完成实验样机且进行了飞行实验。2直升机巡检图像处理技术存在的问题2.1图像处理技术巡检图像处理流程如图1所示。CCD(chargecoupleddevice)包括：可见光数码相机、数码摄像机206仝卫国等：图像处理技术在直升机巡检输电线路中的应用综述Vol.34No.12图像采集图像预处理图像识别状态监测与故障诊断CCDDGPS图1图像处理流程Fig.1Flowchartofimageprocess以及红外照相机；差分全球定位系统(differenceglobalpositioningsystem，DGPS)设备安装在直升机内部，提供直升机的方位信息，并应用差分动态定位技术进行定位，平面定位误差可达2cm，高程误差为5cm。由于我国电力公司用于巡检的直升机多为临时租用，因此人工摄像和固定摄像为常用的图像采集方式。目前，图像处理技术在电力巡检中的应用历史还很短，国内外研究成果还不多，国外研究成果主要集中在图像采集的稳定性和图像质量的改善上，主要应用于摄像机的智能控制方面，输电线路故障的识别与定位方面却很少涉及。直升机激光三维空间扫描技术可应用于输电走廊的三维信息采集，但成本高不适用于日常电力巡检。国内外在输电线路提取与识别、弧垂测量、电缆状态监测等方面已有初步研究成果，但其精度和实用性方面还有待进一步提高，而杆塔、绝缘子等重要输电设备图像监测方法的相关研究才刚刚起步。图像处理技术在电力巡检领域具有良好的应用前景，但还存在一些关键技术需要解决。2.2图像采集目前，直升机巡检的图像采集主要是有限目标(即输电线路及杆塔等)的图像采集，目标物始终在有效视场内。但直升机是运动的，只有在发现故障或缺陷时才悬停飞行，因此直升机巡检中的图像采集主要是动态图像的采集。摄像机采集动态图像主要有2种方式：1）摄像机转动跟踪目标，主要有人工摄像和智能系统跟踪摄像2种途径，人工手持摄像机采集图像有一定危险，且要求摄像人员有一定的拍摄技巧，该方法在直升机巡检工作初期采用。智能系统跟踪摄像需要智能控制系统调节摄像机的焦距和视角以跟踪目标，同时需配备相应的支持软件，该套系统技术难度较大且软硬件成本较高，需要前期有一定投入。2）摄像机相对直升机固定，目标随直升机的运动而运动，通过连续抓拍的序列图像来分析目标状态。该方法采集的图像序列中，不仅目标个数变化，目标姿态也在变化，图像处理难度较大，但硬件成本昀低。建立准确的摄像机成像几何模型是进行图像检测的前提。成像几何模型只与三维物体点的空间位置、相机焦距、物体或相机相对位置参数有关，与二维图像的强度信息无关。成像几何