基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法技术

本发明专利技术实施例提供的基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，通过对带有GPS绝对定位信息的单目相机序列影像进行GPS辅助空中三角测量，基于空三结果获取电力线下方地物密集三维点云和立体量测导线矢量模型，结合导线矢量模型和电力线下方地物密集三维点云，实现电力线下方地物安全距离检测，实现了快速自动高精度的电力线下方地物安全距离检测，解决了现有的电力线下方地物距离检测方法需要较高的测量条件才能测量准确或依然需要人工辅助测量的技术问题。此外，本发明专利技术实施例还提供有基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测装置。

The power line of UAV monocular image sequence detection method based on distance below the ground

The embodiment of the invention provides a power line UAV monocular image sequence based on the ground below the distance detection method for GPS assisted aerial triangulation by monocular camera image sequence absolute positioning information of the GPS with three, based on the results of obtaining power line below ground dense 3D point clouds and three-dimensional measurement vector model combined with wire, wire vector model and power line below ground dense 3D point cloud, the realization of power line below ground safety distance detection, to achieve a rapid automatic high precision power line below the ground safe distance detection, solves the measurement conditions to measure the existing power line below the ground distance detection method needs high accuracy or technical problems still need artificial auxiliary measurement. In addition, the embodiment of the invention also provides a device for detecting the distance of the ground object under the power line based on the monocular sequence image of the uav.

【技术实现步骤摘要】
基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法
本专利技术涉及无人机检测
，尤其涉及基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法。
技术介绍
我国电网现行高压电力线路结构复杂、规模庞大，线路通道环境十分复杂，异物缠挂、线路下方树木、违规施工、违章建筑等易导致线路安全距离不足而发生短路事故。事故一旦发生，后果严重，巨大的电流可能造成人员严重伤害，故障造成线路设备损坏，跳闸停运，对电网运行造成冲击，同时，故障对城市区域供电造成影响，扰乱企业和居民的正常生产生活秩序，带来重大经济损失。对于电力线路安全距离的检测，目前常用的方式是电力工人巡线过程中，对线路段进行人工目视判断或全站仪量测，但线路安全距离不足的多发点通常在人迹难至之地，这些测量方式由于树木、建筑等遮挡以及视觉透视偏差，难以对疑似超限点得出准确有效的判断，不能适应现代化电网的发展和安全运行需要，超、特高压电网急需高效、先进、科学的电力线路安全检测方式。有人直升机及大型无人直升机携带激光扫描系统电力线路通道巡检技术，已在我国电网巡检中逐渐得到应用，能一次飞行获取全线三维数据并事后得出安全距离分析诊断，但其巡检成本像对较高，空域申请周期长，数据处理量大，不适宜对于区域性安全距离黑点特巡，且其操作难度大，资质获取要求高，设备的高价值为操控人员带来心理和技术上的压力，难以在基层巡线人员中得到普及应用，还不能完全满足电网电力线路常规化作业的要求。小型多旋翼无人机技术的发展，为电网巡检技术的发展提供了一条新的发展手段。其具有设备廉价、易操控的特点，且其资质获取易、飞行高度低、法律风险低、一线人员接受程度高，已逐渐普及到基层巡线班组日常巡检应用中。但目前多旋翼无人机的日常巡检主要使用可见光、红外传感器对线路设备进行拍摄及人工分析，对于安全距离测量仍是通过操作无人机平飞近线路进行目视观察，仍未能对线路弧垂、安全距离等做准确测量和判断。基于可见光影像的电力线路安全检测先采用摄影测量方法进行导线三维重建和交跨物三维测量。摄影测量的基本原理是基于物方(空间)点、像点、相机中心3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。在基于单目相机的无人机导线巡检中，为了恢复带绝对尺度的导线及其下方物体三维信息，需要知道每个曝光时刻相机的位置和姿态信息，并在序列影像间进行同名点匹配及导线提取。相机的位置和姿态信息可以通过搭载在无人机上的较高精度GPS和惯导获取；导线及其下方交跨物的空间信息获取依赖于影像上同名特征的获取，通过影像匹配方法解决。但影像匹配是一个病态问题,特别对于导线这种特征目标而言，难以实现稳定可靠的影像匹配。为了解决这种病态匹配问题，一些研究学者提出带约束条件的导线配准方法。武汉大学郑顺义等人提出了基于铅垂线约束和铅垂线轨迹法的导线测距方法。为了解决导线上同名点难以匹配的问题，他们提出利用导线两端的杆塔信息，引入导线一定在两端杆塔所确定的铅垂面内的约束条件，实现导线点的对应。其具体做法为：根据导线两端的杆塔信息，确定导线的平面位置，对于导线上的每一个点的平面位置(X0,Y0)，可以画出一条铅垂线，该铅垂线投影到左、右影像上，和影像上提取的导线的交点一定是同名点。然后通过前方交汇即可算出该导线点的三维坐标。通过多个导线点，即可拟合出导线的整体三维模型。这种方法的缺点在于需要确保同一张影像上面同时包含有首尾两个杆塔，而在实际作业中，往往达不到这样的要求。北京师范大学张吴明等人提出采用核线约束进行电力线路三维重建。他们先采用自动或半自动的手段从图像中提取出电力线路中的间隔棒，然后根据同名点必位于核线这一约束在左右相片中寻找同名间隔棒，然后计算每个间隔棒的三维坐标，再利用间隔棒对导线做三维重建。其缺点在于对于间隔棒这一特定目标的依赖。也有学者研究单目距离测算法来判断电力线路周边环境是否符合安全要求。上海大学邵志一等人提出利用透视投影关系中的交比不变性，在获取参考距离和相应消失线等条件下，对未知距离进行测量。他们首先对可见光图像进行预处理，使用地平线检测算法得到地平线在图像中的位置。然后人工辅助选取参考距离和测量距离，并使用单目测量算法得到其实际距离的测量值，最后与故障检测判决规则数据库中的阈值比较，判断线缆间的距离是否在正常范围内。叶润等人提出了基于伪像距的单目量距方法。这两种方法的缺点在于需要事先知道参照物的尺寸，这依赖于人的估计，而人的估计往往包含有较大的误差。现有的电力线下方地物距离检测方法有的需要较高的测量条件才能测量准确，有的依然需要人工辅助测量。因此，需提出一种新的电力线下方地物距离检测方法以解决上述的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，实现了快速自动高精度的电力线下方地物安全距离检测，解决了现有的电力线下方地物距离检测方法需要较高的测量条件才能测量准确或依然需要人工辅助测量的技术问题。本专利技术实施例提供的一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，包括：S1：获取单目相机序列影像；S2：对单目相机序列影像提取特征点，并进行二维影像匹配，获得同名核线和同名像点；S3：根据单目相机序列影像、同名像点、同名核线执行GPS辅助空中三角测量算法，确定目标点位和像片方位元素，获得空中三角测量绝对定向结果；S4：根据空中三角测量绝对定向结果生成立体像对；S5：根据立体像对对电力线进行立体量测，获取同一条电力线三个以上节点的三维绝对坐标，并进行电力线拟合获得电力线弧垂矢量模型；所述步骤S3之后，步骤S6之前还包括：X：根据空中三角测量绝对定向结果自动生成电力线下方地物密集三维点云；S6：根据电力线弧垂矢量模型计算电力线在铅垂线上与电力线下方地物密集三维点云的安全距离，将安全距离与预设的阈值比较，获得安全检测结果。优选地，所述步骤S2具体包括：采用SIFT特征匹配算法对单目相机序列影像自动选取不同影像的同名特征点，实现像点坐标的自动量测；根据单目相机序列影像和像点坐标确定同名核线；在同名核线上搜索同名像点。优选地，所述根据单目相机序列影像和像点坐标确定同名核线具体包括：从左右影像中的左影像中选取一个像点a(xa，ya)，确定经过像点a的核线l以及对应的右影像中的同名核线l‘；从过像点a(xa，ya)的核线l上选取像点b(xb，yb)，从右影像中的同名核线l‘上选取像点a′(x'a，y'a)和像点b′(x'b，y'b)；根据第一公式、预设的像点b的横坐标xb和像点a的坐标a(xa，ya)计算获得像点b的坐标b(xb，yb)，所述第一公式为：其中，va，ua，wa和vb，ub，wb分别为像点a和像点b相对于单独像对的像空间辅助坐标系的坐标；a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3九个方向余弦为左像片相对定向元素的函数；根据像点a的坐标a(xa，ya)和像点b的坐标b(xb，yb)计算获得过像点a(xa，ya)的核线l的直线方程；计算右影像中的同名核线l‘的直线方程。优选地，所述步骤S3具体包括：获取无人机相机记录的包含曝光时刻的相机GPS信息，并作为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，用于代替地面控制点；以每一张像片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，包括：S1：获取单目相机序列影像；S2：对单目相机序列影像提取特征点，并进行二维影像匹配，获得同名核线和同名像点；S3：根据单目相机序列影像、同名像点、同名核线执行GPS辅助空中三角测量算法，确定目标点位和像片方位元素，获得空中三角测量绝对定向结果；S4：根据空中三角测量绝对定向结果生成立体像对；S5：根据立体像对对电力线进行立体量测，获取同一条电力线三个以上节点的三维绝对坐标，并进行电力线拟合获得电力线弧垂矢量模型；所述步骤S3之后，步骤S6之前还包括：X：根据空中三角测量绝对定向结果自动生成电力线下方地物密集三维点云；S6：根据电力线弧垂矢量模型计算电力线在铅垂线上与电力线下方地物密集三维点云的安全距离，将安全距离与预设的阈值比较，获得安全检测结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，包括：S1：获取单目相机序列影像；S2：对单目相机序列影像提取特征点，并进行二维影像匹配，获得同名核线和同名像点；S3：根据单目相机序列影像、同名像点、同名核线执行GPS辅助空中三角测量算法，确定目标点位和像片方位元素，获得空中三角测量绝对定向结果；S4：根据空中三角测量绝对定向结果生成立体像对；S5：根据立体像对对电力线进行立体量测，获取同一条电力线三个以上节点的三维绝对坐标，并进行电力线拟合获得电力线弧垂矢量模型；所述步骤S3之后，步骤S6之前还包括：X：根据空中三角测量绝对定向结果自动生成电力线下方地物密集三维点云；S6：根据电力线弧垂矢量模型计算电力线在铅垂线上与电力线下方地物密集三维点云的安全距离，将安全距离与预设的阈值比较，获得安全检测结果。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：采用SIFT特征匹配算法对单目相机序列影像自动选取不同影像的同名特征点，实现像点坐标的自动量测；根据单目相机序列影像和像点坐标确定同名核线；在同名核线上搜索同名像点。3.根据权利要求2所述的一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，所述根据单目相机序列影像和像点坐标确定同名核线具体包括：从左右影像中的左影像中选取一个像点a(xa，ya)，确定经过像点a的核线l以及对应的右影像中的同名核线l‘；从过像点a(xa，ya)的核线l上选取像点b(xb，yb)，从右影像中的同名核线l‘上选取像点a(x'a，y'a)和像点b(x'b，y'b)；根据第一公式、预设的像点b的横坐标xb和像点a的坐标a(xa，ya)计算获得像点b的坐标b(xb，yb)，所述第一公式为：其中，va，ua，wa和vb，ub，wb分别为像点a和像点b相对于单独像对的像空间辅助坐标系的坐标；a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3九个方向余弦为左像片相对定向元素的函数；根据像点a的坐标a(xa，ya)和像点b的坐标b(xb，yb)计算获得过像点a(xa，ya)的核线l的直线方程；计算右影像中的同名核线l‘的直线方程。4.根据权利要求1所述的一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：获取无人机相机记录的包含曝光时刻的相机GPS信息，并作为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，用于代替地面控制点；以每一张像片所组成的一束光线作为平差的基本单元，以共线条件方程作为平差的基础方程，通过各个光束在空中的旋转和平移，实现模型之间公共点的光线交会，建立全区统一的误差方程式，所述误差方程式具体为：其中，V＝[vxvy]T为坐标误差，为外方位元素，X＝[ΔXΔYΔZ]T，L＝[lxly]T为常数项；对每个像点列出误差方程式，获得相应法方程为：确定像片外方位元素求解公式：确定绝对定向基本关系式：其中，(X，Y，Z)为模型的地面摄影测量坐标，λ为模型缩放比例因子，(a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3)为方向余弦，(U，V，W)为模型点在像空间辅助坐标系中的坐标，(Xs，Ys，Zs)为坐标原点的平移量；整体求解全区区域内每张像片的六个外方位元素以及所有待求点的地面坐标。5.根据权利要求1所述的一种基于无人机单目序列影像的电力线下方地物距离检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：将空中三角测量绝对定向...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦晓明，谭金，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44