基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，属于计算机视觉与输电线路巡检领域。

技术背景

国家对输电线路自身及周围地物之间的距离是有明确要求和标准的。国家电网有限公司近年来公布的运行数据表明，由于输电线路与被跨物间如竹木生长、地形地貌变化、大型施工机械等外部因素的净空距离过小(以下称交跨距离)导致线路跳闸率居高不下，给国民安全以及国民经济带来巨大的损失。所以，有必要定期对输电线的交跨距离进行检测，确保电力线下方一定范围内无危险交跨物。

目前，输电线路与下方被跨越物的交跨距离测量的方式主要包括人工目测、绳测、经纬仪和全站仪等，并且不同方式之间缺乏统一、客观的作业规范。除此之外，人工测量方式不仅依赖于巡检人员的状态和经验，而且检测效率与准确率都比较低。随着电网规模增大，人工测量方式已经无法满足电力线巡检的覆盖面与即时性要求，亟需一种有效的智能化手段代替人工测量方式。但目前有效、简单易行的智能化输电线路交跨区距离测量方式并不多。因此一种测量精度高，稳定性能好的输电线路交跨距离测量方法对测绘领域具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种输电线路交跨距离测量方法，实现对输电线路与下方交跨区域距离的准确测量，降低测绘人员工作强度与危险系数，提高工作效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，通过设计交互式测距软件，自动测量输电线路交跨距离，具体包括以下步骤：

1)利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；

2)对三目图像进行协同校正；

3)基于相机姿态确定用于电力线匹配的双目图像，定义为

4)在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标点

5)在右目图像中寻找所述交跨点集合K

6)根据空间先验知识从交跨点集合K

7)重复步骤4-6，得到电力线上所有点的交跨距离。

一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量系统，包括以下程序模块：

图像获取模块：利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；

校正模块：对三目图像进行协同校正；

电力线提取模块：基于相机姿态确定电力线匹配对，并提取与拟合线匹配对中所有的电力线；根据极线约束重建电力线的三维向量；

交跨点模块：在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标点

匹配点模块：在右目图像中寻找所述交跨点集合K

交跨距离计算模块：根据空间先验知识从交跨点集合K

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出将三目视觉应用在输电线立体匹配中，通过三目图像提供水平和竖直两个方向的视差信息，能大幅度提高在不同的相机姿态下电力线匹配的准确性和稳定性；

(2)本发明将空间先验知识应用在输电线路交跨距离测距中，根据先验信息，推导出不同相机姿态的几何模型，用于确定在相机姿态下快速、有效的定位交跨点。该方法适用于多种航拍拍摄姿态，降低了无人机检测过程的操作难度；

(3)本发明采用铅垂线跟踪算法代替二维平面搜索法，加快了不同摄像机姿态下交跨距离的计算。同时通过设计交互式测距软件，自动测量输电线路交跨距离，极大地方便了巡检工作人员，减少其工作量，提高巡检效率，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明具体实施例基于三目视觉与空间先验知识的输电线路交跨距离测量算法流程图；

图2为本发明具体实施例三目相机模型示意图；

图3为本发明具体实施例不同相机姿态的几何模型，其中(a)为BPS的几何模型，(b)为BTS的几何模型；(c)为OS的几何模型；(d)为MX的几何模型；

图4为本发明具体实施例不同相机姿态下铅垂线定位示意图，其中(a)为在BPS姿态下；(b)在BTS姿态下；(c)为在OS姿态下；

图5为本发明具体实施例双目相机的三角视差原理图；

图6为本发明具体实施例交互式测距界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案作进一步的详细说明。

实施例1

本发明的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法如图1所述，具体包括以下步骤：

1)图2为三目相机模型示意图，由三个规格相同的摄像机组成的垂直双基线三目相机模块1和水平仪2构成，垂直双基线三目相机模块包括左目相机、右目相机和上目相机，左目相机与右目相机水平设置，上目相机在左目相机的正上方，垂直双基线三目相机模块的下方连接有水平仪。首先利用三目相机拍摄目标输电线路图像，并将获取的三目图像信息{I

2)基于三目相机标定参数对三目图像{I

21)根据张氏标定法获得三目相机的标定参数，利用Bouguet算对获得的左目图像与右目图像信息{I

a.利用Bouguet算法获得左目相机的整体旋转矩阵R

b左目图像保持不变，右目图像围绕着右摄像机的光心旋转，旋转矩阵为

22)重复步骤21)对图像信息{I

23)初次校正后得到三目图像{I

{I

a.利用SURF算法获取校正后的三目图像{I

b.设顶摄像机的主点坐标为(c

c.以(c

3)基于三目视觉的电力线三维重构，具体步骤如下：

31)根据摄像机的拍摄角度确定用于电力线匹配的双目图像，定义为

32)基于航拍图像中电力线的特征提取双目图像Match

a.对校正后的左目图像进行预处理并获取边缘图I

b.在边缘图I

c.按照公式(1)计算二维矢量集V

其中，

d.根据线段投影法聚合线特征对二维矢量集二V

e.对二维矢量集三V

f.假设二维矢量

33)重复步骤31)提取与拟合

4.基于空间几何关系确定在不同的相机姿态下校正后的左目图像I

41)确定不同相机姿态下的铅垂线。本发明考虑了四种不同的相机姿态，包括基线平行拍摄姿态(BPS)，基线倾斜拍摄姿态(BTS)，俯视拍摄姿态(OS)和混合姿态(MX)。

规定世界坐标系为O

在BTS下，俯仰角θ

在MX下，俯仰角θ

a.俯仰角当θ

b.当相机倾斜拍摄时，即俯仰角θ

c.当相机俯视拍摄时，即θ

其中差值

设

f为相机的焦距，(u

由于俯拍时m

f为相机的焦距，b为左右双目相机的基线距离，左目图像的主点坐标为c(u

d.OS姿态下铅垂线与u'的夹角为

42)根据步骤41)的铅垂线轨迹法获得P

a.利用OSTU算法对左目校正图像I

b.根据步骤41)确定P

5.对于电力线下方交跨区域的立体匹配，左右目图像更具有优势，交跨点分布在电力线下方，因此以左目图像、上目图像构成的双目图像中的一些交跨点可能不在公共的视野范围内，而左右双目图像能提供更大的交跨点搜索区域，因此，在确定交跨点时，采用{I

其中，函数ρ(C,λ)用于控制每个变换结果的取值范围为

6.图3中，规定世界坐标系为O

61)双目相机的三角测量原理如图5所示，左目相机坐标系为O

同理，点K

62)根据公式(7-8)，可以得到在相机坐标系O

在BPS中，如3(a)所示，由于O

63)在BTS姿态下，如图3(b)所示，O

在相机坐标系O

当

64)在OS姿态下，如图3(c)所示，O

与BTS相同，在相机坐标系O

当

65)如图3(c)所示，MX姿态是BTS与OS的混合姿态，相机坐标系为O

在相机坐标系O

当

7.重复步骤4-6得到电力线上所有点的交跨点和对应的交跨距离。

一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量系统，包括以下程序模块：

图像获取模块：利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；

校正模块：对三目图像进行协同校正；

电力线提取模块：基于相机姿态确定用于电力线匹配的双目图像，定义为

交跨点模块：在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标

匹配点模块：在右目图像中寻找所述交跨点集合K

交跨距离计算模块：根据空间先验知识从交跨点集合K

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。