直升機(jī)電力巡檢中的電力線自動提取方法

何磊

摘要：城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，在為人們的生活品質(zhì)提供基本保障的同時(shí)，也提升了高壓電力線的巡檢難度。通過直升機(jī)對高壓電力線進(jìn)行提取，能夠在一定程度上提高巡檢的效率，而當(dāng)前階段高空電力線提取的環(huán)境較為復(fù)雜，選擇合理的方式精確、高效的自動電力線提取技術(shù)成為目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：邊緣檢測；Ratio算子；圖像比值化

直升機(jī)的巡檢過程中相較于使用電力線的直線提取模式，更傾向于自動提取。但在具體的實(shí)行過程中，邊緣檢測是電力線提取的難點(diǎn)也是關(guān)鍵點(diǎn)。要想順利開展邊緣檢測環(huán)節(jié)，首先要適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境對檢測工作的干擾，然后在保證檢測標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，測出電力線的準(zhǔn)確像素。為此，對算子進(jìn)行合理的改進(jìn)，提升抗噪聲能力。在此基礎(chǔ)之上，現(xiàn)階段主要是使用Ratio算子對電力線進(jìn)行邊緣檢測的改進(jìn)。

一、電力線的檢測方式

邊緣檢測是電力線提取的前提，檢測結(jié)果的高低對電力線的后續(xù)提取步驟有著直接的影響。直升機(jī)的巡檢主要是通過航拍的方式收集信息，電力航拍拍攝方式?jīng)Q定了電力線的主要成像特點(diǎn)，即：電力線的排設(shè)長度大于一般電力線，能夠直接貫穿圖幅，具體表現(xiàn)為二次曲線。但在局部范圍內(nèi)可以近乎為直線；電力線通常以根為單位占據(jù)一個(gè)或兩個(gè)像素；流經(jīng)電壓較高的線路，四根構(gòu)成一組，同時(shí)利用間隔棒，將電線隔開，以提升電力線的使用效率。

（一）圖像比值化

Ratio算子主要是指在開展線檢測時(shí)，使用中間區(qū)域與相鄰兩個(gè)區(qū)域（灰度平均值）的對比數(shù)值來進(jìn)行檢測。Ratio算子的基本使用原理是圖像比值化，即：第一步，在圖像檢測窗口上，將某一像素點(diǎn)設(shè)置為待檢測點(diǎn)（通常情況下，檢測點(diǎn)的選擇為窗口的中心點(diǎn)）；第二步，對定向經(jīng)過檢查點(diǎn)的直線，對直線劃分的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的灰度平均值進(jìn)行計(jì)算。具體來講，將給定的區(qū)域設(shè)置為Ui（i=1，2，3），給定區(qū)域的像素為ni，像素的灰度表示為Pk，k代表像素的序號排列，i代表給定區(qū)域，灰度平均值的計(jì)算公式如下：

μi=1/ni×ΣkUiPk

將經(jīng)過中心的像素設(shè)置為X0，經(jīng)過還中心像素的區(qū)域?yàn)?（表示為U1），鄰近兩側(cè)的區(qū)域?yàn)?、3，計(jì)算區(qū)域的灰度平均值對比系數(shù)，可以有效的對電力線進(jìn)行邊緣檢測。

（二）Ratio算子在直升機(jī)巡檢過程中電力線自動提取的改進(jìn)

在實(shí)際邊緣檢測環(huán)節(jié)，根據(jù)直升機(jī)巡檢的具體情況，Ratio算子的應(yīng)用需要進(jìn)行適度的改進(jìn)。直升機(jī)的飛行方向與電力線的敷設(shè)方向一致，所以電力線的成像方向可以看作水平成像，一般占一個(gè)像素。因此，算子的中心1區(qū)同樣為一個(gè)像素，以此為標(biāo)準(zhǔn)可以對單個(gè)像素的直線寬度進(jìn)行有效檢測，將各項(xiàng)邊緣檢測干擾因素抑制到最低程度。算子模版的寬度應(yīng)根據(jù)檢測的需要設(shè)定，寬的檢測模版對應(yīng)寬的直線邊緣檢測，得出的數(shù)值較為精確，對窄的直線邊緣測試的結(jié)果較差。實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，寬度為7×7的檢測模版效果最為突出，中心區(qū)域的像素?cái)?shù)量為7，相鄰兩個(gè)區(qū)域的像素為21。

二、直升機(jī)電力線的提取技術(shù)

電力線的自動提取是在邊緣檢測后，將對邊緣鏈碼跟蹤而形成鏈碼有效的轉(zhuǎn)化為直線段，然后依照共線鏈編組，將轉(zhuǎn)化完成的直線段進(jìn)行連接、合并處理。短直線經(jīng)由共線鏈進(jìn)行編組以后，會得到一定的增長，與此同時(shí)，數(shù)量會相對減少。但由于在這一過程中會出現(xiàn)一些干擾直線段，因此，不能直接利用這些直線段來代表電力線。在產(chǎn)生的直線段中選取最具有代表性的線段來進(jìn)行電力線的擬合，是電力線提取技術(shù)的核心部分。為此，將隨機(jī)抽樣一致性算法和最小二乘曲線擬合相結(jié)合的電力線抽取技術(shù)，是當(dāng)前階段直升機(jī)巡檢過程中自動提取電力線的有效方式。將隨機(jī)抽樣一致性的計(jì)算方式應(yīng)用于電力線的提取中，需要隨機(jī)抽取能表達(dá)電力線的對象，并將這些擬合成為二次電力曲線，用以表達(dá)提取的電力線，該種二次電力曲線的計(jì)算模型主要包括六個(gè)參數(shù)，參數(shù)的主要獲取方式如下：首先是本點(diǎn)集U的獲取，取每條直線端點(diǎn)，并按照標(biāo)準(zhǔn)間隔進(jìn)行采樣，取得本點(diǎn)集U（X點(diǎn)）；其次，在本點(diǎn)集U中隨機(jī)抽取幾個(gè)點(diǎn)，根據(jù)模型中的參數(shù)數(shù)量（N），決定隨機(jī)抽取的點(diǎn)個(gè)數(shù)（N）；第三，將抽取的N點(diǎn)帶入最小二乘法，然后擬合出二次曲線§；第四步，計(jì)算本點(diǎn)集U的隨機(jī)取樣點(diǎn)到二次曲線的距離，對距離小于Dist閥值的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表示為ni；最后重復(fù)第二步到第四步的過程M次，選擇內(nèi)點(diǎn)最大的二次曲線，用以代表電力線。

三、電力線提取試驗(yàn)

為了驗(yàn)證Ratio算子檢測與隨機(jī)抽樣一致性算法、最小二乘曲線擬合提取方法的效果，這里利用直升機(jī)巡檢時(shí)航拍的影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對一張背景復(fù)雜的影像，利用經(jīng)典的、最優(yōu)算法的Canny算子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再利用本文的電力線邊緣檢測方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)檢測結(jié)果相比較，在背景復(fù)雜的條件下，Canny算子檢測時(shí)，受噪聲干擾大，線出現(xiàn)了斷裂；而Ratio算子能抗干擾，基本檢測出了電力線邊緣，剔除了很多干擾。為了驗(yàn)證本文的實(shí)用性，利用多張?jiān)诓煌尘跋碌碾娏€影像進(jìn)行電力線提取實(shí)驗(yàn)。常見的背景有田地、道路、樹林、河流和天空等，其中幾種航拍影像疊加提取的電力線影像結(jié)果較為清晰。影像中疊加的線為提取的電力線，“+”是Ransac進(jìn)行電力線抽取時(shí)抽樣得到的“內(nèi)點(diǎn)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法在不同復(fù)雜背景下，提取的電力線不僅完整，而且位置準(zhǔn)確、抗噪聲能力強(qiáng)，能滿足電力巡檢的要求。

四、結(jié)語

直升機(jī)巡檢技術(shù)的不斷深化應(yīng)用，對電力線的提取技術(shù)提出了較高的要求。為提升電力線邊緣檢測技術(shù)與電力線提取的技術(shù)水平，增強(qiáng)提取方案在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用程度，選擇合理地提取方案是十分必要的。相關(guān)工作人員通過研究Ratio算子的應(yīng)用原理并對其進(jìn)行合理的改進(jìn)，提升電力線像素的檢測水平，并通過試驗(yàn)環(huán)節(jié)，檢測該種方法的可操作性，證明了Ratio算子在直升機(jī)巡檢過程中能夠擬合提取出較為完整的電力線，有著較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王柯，蔡艷輝，彭向陽，等.用于電力線巡檢的大型無人直升機(jī)多傳感器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)[J].廣東電力，2016，29（2）.