视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法技术

本申请对实地拍摄到的输电线摆动视频进行解析,为实现对摆动信息的提取,选取输电线上具有标志性的设备间隔棒作为判别摆动信息的目标物，提出改进的Harris角点检测方法实现对间隔棒的自动判别，所做改进集中于动态调整角点检测临界值以及排除错误检出的角点，使得改进的方法自动判别图中所有间隔棒；将求得的间隔棒摆动坐标的时间队列进行频谱分析和三角函数拟合,获取输电线摆动的频率和幅值，本申请方法更简单易实现，精度满足要求且效率高，将本申请方法应用于输电线视频监测及图像处理可实时快速获取摆动基本信息,为后续输电线摆动预警系统的设计和防止摆动措施提供数据支持。据支持。据支持。

【技术实现步骤摘要】
视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法


[0001]本申请涉及一种视频高压输电线摆动鉴别方法，特别涉及一种视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法，属于输电线摆动鉴别


技术介绍

[0002]高压输电线路往往暴露在野外，所处环境恶劣，又缺乏人力监管，在运行过程中，由于某些自然条件和人为因素，容易发生事故，其中容易引起事故造成损失的因素有输电线摆动、覆冰等问题。输电线覆冰会导致架空导线断线、输电中断等事故，覆冰的导线更易发生输电线摆动，而输电线摆动又会导致金具损坏、杆塔倒塌甚至电网瘫痪断电等严重事故，这些问题对电力系统的安全运行极为不利。
[0003]近些年来，先后出现多种输电线路远程监测装置，可以通过这些设备装置，对输电线路的运行状态进行监测，通过后台软件对接收到的数据进行处理，必要时发出报警。输电线远程监控装置一般采用多种传感器,获取运动加速度的加速度传感器、位移传感器、获取输电杆塔所受应力变化的应力传感器、温度传感器等,对传感器发回的数据进行单独或者综合分析,来判断导线实时运行状态或预测下一时刻运行轨迹。目前，监测系统一般都装有视频图像监控模块，但大多数并未对视频流实时分析和处理,只作为系统的辅助手段，而且往往在事后查看，没有有效利用监控视频采集到的丰富信息。相比于传感器监测手段，视频监测有其独特优势，视频监测设备能全天、多角度的进行工作区的影像监测，节省了很多的人力物力。同时，将采集到的视频转换为图像后可利用软件实时处理分析，进一步建立预警系统,对灾害的发生进行实时或者提前预警，以将各种危害和损失降至最小。
[0004]冬季时输电线由于空气湿度大和雨雪天气等原因产生覆冰，覆冰使得导线断面由圆形变为非圆形。当风以一定角度和速度吹到这样的输电线时，会改变输电线周边的空气动力，在一定条件下，这种上升气动力会使导线发生摆动。摆动一般为低频(0.1
‑
3Hz)，幅度为大振幅(导线直径的5
‑
300倍)，覆冰使导线的截面变成D形的非圆截面，当风以一定角度吹向覆冰导线、在合适条件下会发生输电线的摆动。
[0005]为正确判别视频中输电线的摆动状况,需要在输电线上选择一个或者多个单元作为判别目标。该目标需具备以下特征：与输电线摆动具有相同特征，如频率和振幅；对于不同段的输电线都有代表性；清晰易判别。间隔棒是输电线路上，限制子导线之间相对运动以及为确保各分裂子导线之间保持一定金属距离而装设的支撑件，这些支撑件在输电线上每相隔固定距离布设一个，随导线分裂数不同而具有不同几何形状。由于间隔棒与输电线固连，几何形状特殊，清晰易判别，适合作为判别导线弧垂和摆动等状态信息的特征物。因为间隔棒与输电线固连在一起，其摆动状况与其所处位置处导线摆动状况一致，因此，以输电线路中的间隔棒为判别目标，对其位置信息进行提取可获取输电线路的状态信息，并为后续预警系统提供数据支持。
[0006]输电线路监测或摆动信息提取按照仪器或技术可分为经纬仪测量、遥感影像测量、地面激光雷达和图像处理技术等，由于图像处理可获取丰富的信息并且准确度和效率
高，因而具有很大优势。
[0007]现有技术间隔棒的判别主要是基于匹配方法实现，应用最多的是模板匹配，这种方法简单易实现，缺点是需要全图搜索，效率低，而且只能处理单幅或者有限数量的图片,当对视频处理时,图像数量往往较大,模板匹配便不再适用。另一类方法是首先借助一些信息减小搜索范围或者限定目标范围。
[0008]针对直方图匹配存在的效率高但准确性差,以及归一化匹配方法精度高但速度慢的问题,现有技术提出结合直方图和归一化两种方法的匹配方法，以提高方法的效率。该方法先利用输电线区域梯度方向连续的特点锁定输电导线区域，缩小匹配区域从而减小计算复杂度，然后用基于直方图匹配的方法对该目标区域内的像素点进行匹配，并且设定欧式距离和相交函数双临界值，最终实现间隔棒的定位。根据方法结果划定线下安全范围，实现对线下特定范围内生长物的判别监测。但该方法无法解决同一图像内有多个间隔棒的检测问题，故也存在一定局限性。
[0009]现有技术的模板匹配存在计算速度慢、效率低的缺陷,相关的优化方案都是从匹配方法、搜索方法和基元选取等方面对传统方法进行改进。采用数字图像的方法，对其强度和特性(振幅、频率、跳闸率等)的预测往往不能达到较高的精度。
[0010]在摆动发生的机理方面，现有技术存在四种激发机理，分别是垂直激发机理：如果风对导线产生的气动升力大于导线上下振动的气动阻力则导线摆动；扭转发生机理：由于导线本身结构的影响，当不满足垂直激发机理时，导线自身的扭振会加剧导线上下振动的空气负阻尼效应；偏心惯性耦合机理及稳定性激发机理。但没有哪一机理可以完全解释所有摆动发生原因，并且有一些机理已被证实不适应于某些现象，关于摆动发生的机理还在不断发展中。
[0011]综上所述，现有技术的输电线摆动鉴别还存在许多不足，本申请的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：
[0012]第一，高压输电线在恶劣气候条件下易发生覆冰和摆动，可能导致金具损坏、相间短路、导线断裂、输电杆塔倒塌等严重事故,由于输电线摆动应变小、位移大，其非线性特征明显且动力学特征十分复杂,现有技术不能完整的揭示摆动发生的机理和动力学特征，缺少对拍摄到的输电线摆动视频进行解析的方法,无法获取包括频率和幅度的摆动信息，现有技术的输电线摆动鉴别方法复杂不容易实现，精度无法满足要求且效率低，无法实时快速获取摆动基本信息,阻碍后续输电线摆动预警系统的设计，无法为防止摆动措施提供数据支持；
[0013]第二，现有技术缺少选取输电线上具有标志性的设备作为判别摆动信息目标物的明确规则，缺少解析输电线路摆动监测视频的相关思路，缺少对比分析制定视频拍摄方法和条件，没有一套明确合适的满足成像清晰、角度合适、拍摄时长合理、背景简单、参照物明显的输电线摆动视频采集标准，由于缺少可靠的输电线摆动视频采集标准，造成采集的输电线视频质量参差不齐，缺少权威的技术指导，给后续输电线路摆动监测视频的标准化处理带来较大障碍；
[0014]第三，现有技术缺少提高图像质量，减少运算量的高效视频转换前置处理方法，现有技术的Harris角点检测方法无法实现对间隔棒的自动判别，无法动态调整角点检测临界值以及排除错误检出的角点，无法自动判别图中所有间隔棒，对后续求得的间隔棒摆动坐
标的时间队列进行频谱分析和三角函数拟合造成较大障碍,无法准确获取输电线摆动的频率和幅值，高压输电线摆动识别精度低且效率低。

技术实现思路

[0015]为提取摆动信息的特征物间隔棒的坐标,本申请将视频转换为一帧帧的图像并对图像进行前置处理，前置处理包括彩色图像灰度化、图像去噪和直方图均衡化，实现对图像的优化；结合实际应用场景，对Harris角点检测方法做出改进，实现间隔棒的自动判别，确定多个间隔棒在每帧图像中的坐标，得到其时间队列，对间隔棒位移的时间队列进行频谱分析和函数拟合，求得其频率和幅值，两种方法的结果互为校检；本申请的视频监测有其独本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法，其特征在于，选取输电线上具有标志性的设备间隔棒作为判别摆动信息的目标物，制定输电线摆动视频采集标准，实地采集输电线的摆动视频，将视频转换为一帧帧的图像并对图像进行前置处理，前置处理包括彩色图像灰度化、图像去噪和直方图均衡化，提高图像质量，减少运算量；结合实际应用场景，对Harris角点检测方法做出改进，实现对间隔棒的自动判别，本申请所做改进集中于动态调整角点检测临界值以及排除错误检出的角点，使得改进的方法自动判别图中所有间隔棒，确定多个间隔棒在每帧图像中的坐标，得到其时间队列；最后，将求得的间隔棒摆动坐标的时间队列进行频谱分析和三角函数拟合，获取输电线摆动的频率和幅值，两种方法的结果互为校检；第一，解析输电线路摆动监测视频，在此基础上对比分析制定视频拍摄方法和条件，即满足成像清晰、角度合适、拍摄时长合理、背景简单、参照物明显的输电线摆动视频采集标准，并以该标准进行实地摆动视频拍摄；第二，将视频转换为图像，对图像进行去噪及增强，采用高斯滤波去噪，对图像进行直方图均衡化，突出目标与背景差异；第三，对前置处理后的图像进行角点检测，采用改进Harris角点检测方法，得到n个间隔棒在250帧图像中坐标的时间队列；第四，采用频谱分析和三角函数拟合法，分别求出间隔棒摆动的频率和幅值并进行比较。2.根据权利要求1所述的视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法，其特征在于，输电线摆动视频采集标准：标准一：调整拍摄设备焦距，使图像中目标显示清晰，且与背景对比明显，分辨率尽量高，但以不过多增加运算量为限；标准二：因输电线摆动周期可能较短，为了能反应间隔棒更多时刻的运动状况，视频的帧速率不应过低，每秒24至30帧；标准三：输电线往往在野外，背景受树木等植被干扰，如果在地面拍摄则以天空为背景，既增加目标与背景的对比度，又减少干扰，提高图像处理效率；标准四：输电线的摆动往往变化较大，仅仅短时间内的拍摄难以准确反应其运动状态，但拍摄时间过长又会导致数据量剧增，拍摄时间60至90秒；标准五：为求像素的实际大小，视频包含长度已知的物件如输电杆塔作为参照物。为正确判别输电线摆动信息，选取与其固连的间隔棒作为判别目标，跟踪识别间隔棒的位置，即求取间隔棒的位置信息，进而求取输电线摆动的频率和幅值信息。3.根据权利要求1所述的视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法，其特征在于，改进的Harris角点提取方法：减少参加角点响应函数值计算的备选点数目，在提取角点前，设定角点灰度相似临界值r，计算对象点(x，y)与其8邻域范围内各像素点的灰度值之差
△
J，并统计
△
J在[
‑
r，r]内的像素点数量行，最后通过m值的取值范围判断对象点是否为备选角点，规定0＜m＜2的对象点为噪声点，2≤m＜6的对象点为备选角点，6＜m＜8的对象点为平滑区域点；本申请改进Harris角点提取方法，对经过前置处理的图像进行Harris检测，根据经验给定初始临界值，对检测到的所有点进行解析，首先排除位于图像边缘周边的点，设置距离
上下左右四边20个像素以内的为错检边界点；其次，视频中的间隔棒与导线存在多个交点，故会检出多个角点，为获取间隔棒中心位置，将距离不超过一定范围内的点都归为一组，认定它们属于一个间隔棒的角点，设定欧式距离为10像素，否则新建一组，对所有检出的角点进行如上分组并求平均值后，对每组按x坐标大小排序然后输出到新建txt文件。4.根据权利要求1所述的视频图像自判别的高压输电线摆动鉴别方法，其特征在于，改进的H...

【专利技术属性】
技术研发人员：王程，
申请(专利权)人：荆门汇易佳信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：