一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法及系统与流程

本发明涉及输电线路覆冰监测领域，尤其涉及一种提基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法及系统。

背景技术：

输电线路覆冰是电网安全运行的重大威胁，严重的覆冰将造成巨大的经济损失，故必须做好覆冰地区输电线路覆冰雪的监测和预警工作，将覆冰事故消除在萌芽状态，保障覆冰区线路安全运行。目前人工观冰作为线路覆冰监测的主要手段在防冰抗冰工作中发挥重要作用，但在实际应用中，人工观冰存在以下4个方面问题：

(1)现场能见度低影响人工观冰结果。北方寒冷空气南下与南方暖湿气流相遇形成冷锋，在空气中将形成大量的冰晶、雪花，造成周围环境能见度明显下降，此时正是输电线路覆冰增长速度最快的时段。但是由于现场能见度低，防冰人员在人工观冰过程中普遍反映无法看清杆塔高处的导地线的覆冰情况，只能采取估算的方式，而地面附近因地面植被保温及地热的作用，基本观测不到覆冰，造成人工观冰存在困难。

(2)模拟导线观冰厚度与高处导地线覆冰有差异。主要原因是一是模拟导线处于地面附近，气象环境与高处不同。空气在地面附近流动过程中，受到地面摩擦阻力的作用，越靠近地面的风速越小；同时地面由于地热、植被保温等作用，地面附近气温较高。二是模拟导线无电流通过，无热效应。一般情况下模拟导线的型号同杆塔导线型号一致，然而运行中的导线由于通有电流会产生热效应，覆冰过程可能同模拟导线有所差异。

(3)杆塔高处与塔脚温差较大。人工观冰的范围主要在观测塔塔脚附近，而实际导地线处于杆塔高处。杆塔高处与塔脚的气温差异会明显影响到各自的覆冰过程。据经验表明，一般情况下寒潮经过时，杆塔高处先出现覆冰，塔脚出现覆冰将延迟1～2天；寒潮消退时，杆塔高处的融冰脱冰较为迅速，而塔脚的自然融冰需经过更长时间。这种现象对人工观冰的带来了一定的困难。

(4)掉落冰样测冰不规范。同模拟导线观冰、塔材观冰及现场估算冰厚等方式相比，杆塔导地线掉落冰样测冰结果具有较高的准确性。但是，在掉落冰样测冰的过程中，由于尚缺乏相关技术规范书的指导，测量方法存在一定的误区。如将掉落冰样仍以长短径法或称重法测冰厚的方式计算冰厚，导致测冰结果偏小；直接用游标卡尺测冰厚过程中，未多次测量取平均值，导致测冰结果不具代表性；掉落冰样测冰不及时，在冰样掉落后1～2天后才进行测量等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法及系统，可提高覆冰厚度测量的准确性。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法，包括如下步骤：

步骤1，获取包括输电线路导线与地线的实时图像；

步骤2，测量同一场景的实时图像中导线与地线的厚度比值，初步判断地线的覆冰程度；

步骤3，根据输电线路导线与地线的直径规格及实测厚度比值，采用改进型标准冰厚计算模型得到覆冰厚度。

进一步，所述步骤2还包括如下步骤：

步骤21，判断实时图像中导线、地线各自线路的覆冰类型，所述覆冰类型包括线路未覆冰、线路覆冰为雾凇或混合淞、线路覆冰为雨淞；

步骤22，当判断线路覆冰类型为雾凇或混合淞，则采用平均值法、最小值法或者过滤毛刺法，对该覆冰类型的线路图像的边界做平滑处理；

步骤23，在上述步骤21、22的基础上，分别测量导线、地线图像的线路直径，以此获得覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值。

进一步，所述步骤3的导线、地线的厚度相对值的计算，采用改进型标准冰厚计算模型。

进一步，所述改进型标准冰厚计算模型如下：

其中,k—ρ冰与ρ标的比值，ρ冰为地线的覆冰密度，根据覆冰类型或现场计算取得，不同覆冰类型的密度范围：雨凇0.7～0.9；雾凇0.1～0.3；混合淞0.2～0.6；湿雪0.2～0.4，单位g/cm³，ρ标取0.9g/cm³；R为导线半径，单位为mm；r为地线半径，单位为mm；B为标准冰厚，单位为mm；α为覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值。

进一步，所述覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值α表达式如下：

其中B0为初步判断地线的覆冰程度；R为导线半径；r为地线半径。

进一步，所述步骤21对线路覆冰的判断是：先对线路图像的边缘进行对比度处理，判断边缘的是否为毛刺，是则对应线路覆冰为雾凇或混合淞。

本发明还公开一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算系统，其包括有：

图像采集模块，用于拍摄输电线路的导线与地线的实时图像；

图像处理模块，用于对所拍摄线路的实时图像做对比度处理、边缘平滑处理；

厚度测量模块，采用图形化的游标卡尺测量经过图像处理模块优化后的线路图像；

覆冰分析模块，用于通过改进型标准冰厚计算模型获取覆冰厚度值。

进一步，所述图像处理模块还用于对所拍摄线路的实时图像做覆冰预判，当判断线路图像的边缘为毛刺时，则对线路图像进行边缘平滑处理，所述边缘平滑处理包括：平均值法、最小值法或者过滤毛刺法。

进一步，所述厚度测量模块的图形化游标卡尺具有两级标尺，图形化游标卡尺的卡尺部采用人工与线路图像边缘对齐，其对线路的测量采用抽样算法对线路进行多次采样测量取平均值。

进一步，所述覆冰分析模块采用的改进型标准冰厚计算模型如下：

其中,k—ρ冰与ρ标的比值，ρ冰为地线的覆冰密度，根据覆冰类型或现场计算取得，不同覆冰类型的密度范围：雨凇0.7～0.9；雾凇0.1～0.3；混合淞0.2～0.6；湿雪0.2～0.4，单位g/cm³，ρ标取0.9g/cm³；R为导线半径，单位为mm；r为地线半径，单位为mm；B为标准冰厚，单位为mm；α为覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值，其表达式为B0为初步判断地线的覆冰程度。

本发明的系统还包括有存储模块，用以数据库形式存储图像采集模块、图像处理模块及覆冰分析模块各自数据，以供结果查询及导出。

本发明的一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法及系统的有益效果是：完善了人工观冰的结果，减小人工观冰结果同实际覆冰情况之间的误差，可提高人工观冰的准确性，为融冰决策提供更准确的信息支撑。

附图说明

图1为本发明的一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法的流程示意图。

图2为输电线路导线和地线的覆冰截面示意图。

图3为本发明的一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算系统的结构框图。

图4为本发明图3实施例的图像处理模块的结构框图。

图5为本发明图3实施例的厚度测量模块的结构示意图。

图6为图5的厚度测量模块的5次采样检测结果示意图。

图7为本发明实施例的覆冰地线宽度测量示意图。

图8为采用本发明方法和系统的覆冰厚度示意图。

图9为人工观冰厚度的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

由于人工观冰的结果直接影响线路融冰决策，因此，必须对人工观冰采集的各项数据进行深度挖掘，研究一种基于人工观冰拍摄的高清图像分析覆冰厚度的方法完善人工观冰的结果，减小人工观冰结果同实际覆冰情况之间的误差，为融冰决策提供更准确的信息支撑。本专利利用人工观冰时拍摄的高清图像开展输电线路覆冰厚度识别方法研究，研究基于高清图像的输电线路覆冰计算模型，并以此为理论依据，开发一套基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法和系统，利用改方法和系统可提高人工观冰的准确性。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法，利用图像处理技术完成人工观冰拍摄的高清线路照片中覆冰线路区域边界与未覆冰线路区域边界的物理数据采集，结合寒潮期间输电线路导线与地线覆冰特性，通过对比技术及改进型标准冰厚计算模型，完成覆冰线路的标准冰厚计算，本发明方法具体包括如下步骤：

步骤1，获取包括输电线路导线与地线的实时图像；

步骤2，测量同一场景的实时图像中导线与地线的厚度比值，初步判断地线的覆冰程度；

步骤3，根据输电线路导线与地线的直径规格及实测厚度比值，采用改进型标准冰厚计算模型得到覆冰厚度。

作为上述步骤的具体实施如下。

步骤1采用装设在输电塔架或地面固定台的高清摄像装置，将输电线路的导线和地线拍入同一取景框，以保证实时图像中的导线与地线图形比例一致；由于导线输送容量大、发热比较严重，时常出现导线未覆冰或覆冰程度很轻，而地线覆冰很严重的情况，通过对比同一场景下导线与地线的直径，可初步判断地线的覆冰程度；

步骤2包括如下步骤：

步骤21，判断实时图像中导线、地线各自线路的覆冰类型，所述覆冰类型包括线路未覆冰、线路覆冰为雾凇或混合淞、线路覆冰为雨淞；上述覆冰类型中，线路未覆冰、线路覆冰为雨凇，对应的线路图像边界平滑或比较平滑；而线路覆冰为雾凇或混合淞，对应的线路图像边界有大量毛刺；

步骤22，当判断线路覆冰类型为雾凇或混合淞，则采用平均值法、最小值法或者过滤毛刺法，对该覆冰类型的线路图像的边界做平滑处理；

步骤23，在上述步骤21、22的基础上，分别测量导线、地线图像的线路直径，以此获得覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值。

参看图2，D1为导线结构、D2为地线覆冰结构，所述步骤3采用的改进型标准冰厚计算模型如下：

其中,k—ρ冰与ρ标的比值，ρ冰为地线的覆冰密度，根据覆冰类型或现场计算取得，不同覆冰类型的密度范围：雨凇0.7～0.9；雾凇0.1～0.3；混合淞0.2～0.6；湿雪0.2～0.4，单位g/cm³，ρ标取0.9g/cm³；R为导线半径，单位为mm；r为地线半径，单位为mm；B为标准冰厚，单位为mm；α为覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值，其表达式为B0为初步判断地线的覆冰程度。

参看图3至图5，本发明还公开一种基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算系统，采用上述方法，包括有如下模块：

图像采集模块1，用于拍摄输电线路的导线与地线的实时图像，其中导线与地线处于同一取景范围内；

图像处理模块2，用于对所拍摄线路的实时图像做对比度处理、边缘平滑处理；

厚度测量模块3，采用图形化的游标卡尺测量经过图像处理模块优化后的线路图像；

覆冰分析模块4，用于通过改进型标准冰厚计算模型获取覆冰厚度值。

所述覆冰分析模块4采用的改进型标准冰厚计算模型如下：

其中,k—ρ冰与ρ标的比值，ρ冰为地线的覆冰密度，根据覆冰类型或现场计算取得，不同覆冰类型的密度范围：雨凇0.7～0.9；雾凇0.1～0.3；混合淞0.2～0.6；湿雪0.2～0.4，单位g/cm³，ρ标取0.9g/cm³；R为导线半径，单位为mm；r为地线半径，单位为mm；B为标准冰厚，单位为mm；α为覆冰地线区域与未覆冰导线区域比值，其表达式为B0为初步判断地线的覆冰程度。

参看图4，所述图像处理模块2还对所拍摄线路的实时图像做覆冰预判，当判断线路图像的边缘为毛刺时，则对线路图像进行边缘平滑处理，所述边缘平滑处理包括：平均值法、最小值法或者过滤毛刺法；图像处理模块2还可将实时图像进行放大、缩小、旋转及复位操作，以便对图像中的导线、地线图形的测量，其中旋转可实现360°操作。

参看图5，所述厚度测量模块3的图形化游标卡尺具有两级标尺，两极标尺有利于提高测量精度。图形化游标卡尺的卡尺部采用人工与线路图像边缘对齐，其对线路的测量采用抽样算法对线路进行多次采样测量。图形化游标卡尺包括有卡尺部松紧按钮，人工设置图形化游标卡尺于导线、地线图形上，将卡尺部对齐图形边界，通过卡尺部松紧按钮可实现卡尺部与图形边界的对齐；图形化游标卡尺在对齐图形边界后，通过设置的抽样算法多次采样测量取平均值后，实时显示测量宽度数值，参看图6。在本实施例中，可设置最多能够进行99次采样工作，最终获取多次采样的平均值。

本发明的系统还包括有存储模块(未图示)，用以数据库形式存储图像采集模块、图像处理模块及覆冰分析模块各自数据，以供结果查询及导出。

本发明的系统还包括有结果输出模块(未图示)，设置覆冰厚度计算按钮和计算结果查询，并通过对话框形式用以完善计算结果的信息，比如对当前覆冰厚度计算后补充覆冰线路的站点信息。

下面以计算实例说明。

参看图7，验证照片采用2014年12月15日10时XX局防冰人员拍摄的 XX乙线260#塔覆冰照片。该线路的导线型号是JLHA2X/G1A-1035/75，导线直径39.5mm，地线型号是LBGJ-240-20AC，地线直径20mm。

通过本发明的输电线路覆冰厚度识别计算方法及系统，可计算出图中右侧的覆冰地线边界区域宽度，与图中左侧的未覆冰导线边界区域宽度的比值为4.12，即改进型标准冰厚计算模型中的α为4.12，详情如图9所示，从图中可以明显观察出地线的覆冰类型为雾凇，根据经验取地线覆冰密度为0.1 g/cm3，利用改进型标准冰厚计算模型的覆冰厚度可计算XX乙线260#塔地线覆冰厚度为18.7mm，计算如下：

参看图8和图9，覆冰预警系统连续档模型计算的2014年1月15日10 时XX乙线260#塔地线覆冰厚度为20.3mm。XX乙线260#塔地线人工观冰结果为16mm。基于高清图像计算的XX乙线260#塔地线覆冰厚度为18.7mm，与覆冰预警系统连续档模型计算的结果对比，误差小于2mm；与人工观冰结果对比，误差为2.7mm，考虑到人工观冰测量的是塔脚处模拟导线的冰厚，人工观冰结果与高空中地线覆冰情况相比必定有一定差距。因此，综合来看，本专利采用的基于高清图像的输电线路覆冰厚度计算方法是可行且准确的，在日后的防冰特巡中可以应用此方法分析线路覆冰厚度，对人工观冰结果进行验证，以提高人工观冰水平及观冰准确性。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。