基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法与流程

本发明属于输电线路故障检测技术领域，具体涉及一种基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法。

背景技术：

输电导线作为电力系统的重要组成部分，担负着输送和分配电能的重要职责，是输电线路的大动脉。随着电力系统不断发展，架设的大容量、远距离输电线路越来越多，但由于输电线路常架设在野外，不仅要承受自身机械载荷的作用，还会受到风力作用产生微风振动和舞动，同时也会遭受各种环境因素的影响，甚至施工破坏，这些因素都有可能导致输电导线发生散股或断股。这种输电导线损伤、断股，轻则降低载流量，重则造成断线事故，从而影响输电线路的安全运行。因此，对输电线路定期进行巡检与故障诊断方法的研究具有十分重要的意义。

对于输电线路巡检常用的方式主要有人工巡检、直升机巡检、机器人巡检以及现在大力发展的无人机巡检。通过搭载可见光摄像机、红外/紫外摄像机等设备进行输电线路图像采集，再进一步处理图像；红外图像易于发现热缺陷，紫外图像又易于发现电晕缺陷，随着可见光设备分辨率的提高，可见光图像可最大化地反映了线路的宏观概况，对各类型的故障诊断和处理方法能提供有效的信息。

为了提高线路巡检的智能化水平，数字图像处理技术在输电线路识别和状态检测的应用研究也越来越多，能极大地提高输电线路故障诊断检测效率。但是，目前利用数字图像处理技术对输电导线散股进行检测的研究还很少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法，能够更直观准确定位出输电导线散股位置。

本发明采用的技术方案是，基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用巡检机器人搭载高清云台摄像机进行输电导线图像采集；

步骤2、对步骤1中采集到的输电导线图像依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，去除干扰噪声，增强图像对比度，以突出目标导线；

步骤3、对经步骤2处理后得到的图像进行图像分割处理，同时结合输电导线特有的纹理特征，将输电导线从背景中分离，从而确定导线区域，并将该区域作为感兴趣区域进行后续处理；

步骤4、对步骤3中获得的导线区域依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，再提取该区域导线表面各股的亚像素边缘xld；

步骤5、由于输电导线表面各股之间有序缠绕且呈平行排列，对步骤4中提取的亚像素边缘xld先统计其共线的边缘轮廓，再进行初步筛选，排除非输电导线表面的边缘轮廓，从而保留输电导线表面各股的边缘轮廓；

步骤6、对步骤5中获得的符合条件的输电导线表面各股的边缘轮廓进行分类排序并进行标号，表示为l1，l2，l3…；

步骤7、对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…，计算相邻两边缘轮廓线之间的距离，然后求取其平均值，将该值作为输电导线无散股故障时股与股之间的平均距离；

步骤8、待步骤7完成后，对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取其方向角和圆度特征，将差异较大的方向角和圆度特征所在的轮廓线标记为可疑散股线，通过求取二者交集散股线，确定最终散股线；

步骤9、根据步骤8中确定的最终可疑散股线，计算这些可疑散股线与它们两侧相邻股的轮廓线之间的距离，然后与经步骤7得到的平均距离进行对比：若有一侧距离大于平均距离的1.5倍，则定义为散股故障。

本发明的特点还在于：

步骤1中：通过不断调节高清云台摄像机的拍摄角度来确定最佳拍摄焦距，从而保证巡检机器人在巡检过程中采集到输电导线的轮廓和表面各股纹路信息清晰。

在步骤6中：对输电导线表面各股的边缘轮廓线进行分类排序并进行标号，主要根据每一条轮廓线的外接矩形的左上角的坐标按列坐标升序排列进行标号的。

步骤7中输电线路导线无散股故障时股与股之间的平均距离，具体按照以下方法获得：

输电线路根据不同的电压等级，选择的输电线路导线型号不同，而且不同型号的输电导线对应的结构也会不同，通过查找相关型号输电导线的设计规范，输电导线各股直径基本在1mm～5mm之间；在提取各输电导线表面边缘时会发现，其直径的大小决定了一股导线近似成一条细线还是两条平行的细线，这样各股之间必然会出现一定距离，但是各股之间距离相同；为了更准确且符合实际情况，对比不同输电导线的提取边缘的结果，将输电导线各股直径定义如下：

若输电导线型号的结构各根直径d>2.5mm，则表明导线表面各股比较粗；

若输电导线型号的结构各根直径d≤2.5mm，则表明导线表面各股比较细；

对于输电导线表面各股比较粗的情况，提取的各股边缘线的轮廓近似为两条平行的细线，计算其股与股之间轮廓线的距离，将变成两种距离：一种是输电导线每一股之间的距离，也相当于各股的线宽；另一种是每一股与相邻下一股之间的距离，才相当于股与股之间的距离，即为判断散股时所用的距离参数；

对于输电导线表面各股比较细的情况，提取的各股边缘线的轮廓为一条近似直线，因此计算其股与股之间轮廓线的距离就只有一种情况，直接将两相邻轮廓边缘线之间的距离近似为股与股之间的距离。

步骤8具体按照以下步骤实施：

步骤8.1、对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取其方向角θ(与水平方向的夹角，逆时针旋转方向为正)，由于输电导线表面各股纹路基本按一定顺序平行缠绕，其方向角基本上相似，若出现散股，散股处的方向角就会发生变化，所以判断各方向角，将差异较大的方向角所在的轮廓线第一次标记为可疑散股线；

其中，若方向角θ＝0°，θ＝90°或者比较接近这两个角度，则认为该边缘轮廓线为导线区域的四个边界，进行排除，不再进行后续步骤的处理；

步骤8.2、待步骤8.1完成后，再对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取弯曲度特征，由于输电导线表面各股纹路基本呈现为具有斜率的直线，若出现散股，散股处的轮廓线会凸起且有较明显的弯曲度，所以判断所有轮廓线的弯曲度特征，将差异较大的圆度所在的轮廓线第二次标记为可疑散股线；

步骤8.3、将经步骤8.1和步骤8.2两次标记的可疑散股线求交集，确定最终可疑散股线。

本发明的有益效果在于：

(1)与现有的红外图像检测方法、紫外图像检测方法相比，本发明的输电导线散股缺陷检测方法，提出利用巡检机器人搭载高清云台摄像机来采集可见光图像，通过图像处理技术检测输电导线散股缺陷，可以更直观准确定位出输电导线散股位置，为现代输电导线状态检修的提供了一种有效方式；

(2)本发明的输电导线散股缺陷检测方法，是在分析导线表面各股之间排列特征与分布关系的基础上，提出基于数字图像处理技术的输电导线散股自动检测方法，该方法原理简单、直观易行，能为输电线路的安全稳定运行提供一种新的检测思路。

附图说明

图1是本发明基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法的流程图；

图2是利用ansys软件仿真的输电导线结构模型图；

图3是本发明基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法中涉及的输电导线表面提取的各股边缘轮廓标记图；

图4是本发明基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法中涉及的输电导线表面正常与散股结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法，其流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、利用巡检机器人搭载高清云台摄像机进行输电导线图像采集(即拍摄出可见光输电导线图像)；

其中，通过不断调节高清云台摄像机的拍摄角度来确定最佳拍摄焦距，从而保证巡检机器人在巡检过程中采集到输电导线的轮廓和表面各股纹路信息清晰。

步骤2、对步骤1中采集到的输电导线图像依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，去除干扰噪声，增强图像对比度，以突出目标导线。

步骤3、对经步骤2处理后得到的图像进行图像分割处理，同时结合输电导线特有的纹理特征，将输电导线从背景中分离，从而确定导线区域，并将该区域作为感兴趣区域进行后续处理。

步骤4、对步骤3中获得的导线区域依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，再提取该区域导线表面各股的亚像素边缘xld。

步骤5、由于输电导线表面各股之间有序缠绕且呈平行排列，对步骤4中提取的亚像素边缘xld先统计其共线的边缘轮廓，再进行初步筛选，排除非输电导线表面的边缘轮廓，从而保留输电导线表面各股的边缘轮廓；

如图2所示，其中展示的是输电导线的结构图，可以看出有一条突出的白色弯曲线，它代表其中一股输电导线缠绕的方式，其两侧出现的灰色曲线，则代表其相邻两侧的输电导线。

步骤6、对步骤5中获得的符合条件的输电导线表面各股的边缘轮廓进行分类排序并进行标号，表示为l1，l2，l3…；

图3为经过处理后输电导线表面各股的边缘轮廓线的标记图，如图3所示：(a)为正常情况的轮廓线标记图，(b)为出现散股情况的轮廓线标记图；其中，输电导线表面各股的边缘轮廓线进行分类排序并进行标号，主要根据每一条轮廓线的外接矩形的左上角的坐标按列坐标升序排列进行标号的，这也为后面按序号寻找相邻两股轮廓并计算其之间的距离奠定基础。

步骤7、对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…，计算相邻两边缘轮廓线之间的距离，然后求取其平均值，将该值作为输电导线无散股故障时股与股之间的平均距离；

输电线路根据不同的电压等级，选择的输电导线型号(例如常见的型号有lg、lgj、lgjg)不同，而且不同型号的输电导线对应的结构(根数和直径)也会不同，通过查找相关型号输电导线的设计规范，输电导线各股直径基本在1mm～5mm之间；本发明的输电导线散股缺陷检测方法中，在提取各输电导线表面边缘时会发现，其直径的大小决定了一股输电导线近似成一条细线还是两条平行的细线，这样各股之间必然会出现一定距离，但是各股之间距离相同；因此，为了更准确且符合实际情况，对比不同输电导线的提取边缘的结果，将输电导线各股直径定义如下：

若输电导线型号的结构各根直径d>2.5mm，则表明输电导线表面各股比较粗；

若输电导线型号的结构各根直径d≤2.5mm，则表明输电导线表面各股比较细；

对于输电导线表面各股比较粗的情况，提取的各股边缘线的轮廓近似为两条平行的细线，计算其股与股之间轮廓线的距离，将变成两种距离：一种是输电导线每一股之间的距离，也相当于各股的线宽；另一种是每一股与相邻下一股之间的距离，才相当于股与股之间的距离，即为判断散股时所用的距离参数；

对于输电导线表面各股比较细的情况，提取的各股边缘线的轮廓为一条近似直线，因此计算其股与股之间轮廓线的距离就只有一种情况，直接将两相邻轮廓边缘线之间的距离近似为股与股之间的距离。

步骤8、待步骤7完成后，对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取其方向角和圆度特征，将差异较大的方向角和圆度特征所在的轮廓线标记为可疑散股线，通过求取二者交集散股线，确定最终散股线，具体按照以下方法实施：

步骤8.1、对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取其方向角θ(与水平方向的夹角，逆时针旋转方向为正)，由于输电导线表面各股纹路基本按一定顺序平行缠绕，其方向角基本上相似，若出现散股，散股处的方向角就会发生变化，所以判断各方向角，将差异较大的方向角所在的轮廓线第一次标记为可疑散股线；

其中，若方向角θ＝0°，θ＝90°或者比较接近这两个角度，则认为该边缘轮廓线为导线区域的四个边界，进行排除，不再进行后续步骤的处理；

步骤8.2、待步骤8.1完成后，再对步骤6中的输电导线表面各股边缘轮廓线l1，l2，l3…依次提取弯曲度特征，由于输电导线表面各股纹路基本呈现为具有斜率的直线，若出现散股，散股处的轮廓线会凸起且有较明显的弯曲度，所以判断所有轮廓线的弯曲度特征，将差异较大的圆度所在的轮廓线第二次标记为可疑散股线；

步骤8.3、将经步骤8.1和步骤8.2两次标记的可疑散股线求交集，确定最终可疑散股线。

步骤9、根据步骤8中确定的最终可疑散股线，计算这些可疑散股线与它们两侧相邻股的轮廓线之间的距离，然后与经步骤7得到的平均距离进行对比：若有一侧距离大于平均距离的1.5倍，则定义为散股故障；

如图4所示，其中表示的是模拟的正常输电导线各股与散股之间距离示意图；这里模拟的输电导线表面边缘属于上述步骤7中描述的各股比较粗的情况；所以，提取的输电导线表面各股边缘线的轮廓被近似为两条平行的细线，这样就会出现两种距离，一种是输电导线各股的宽度，一种是相邻股之间的距离，且每股输电导线的这两种距离大小近似相等。当输电导线出现散股时，散股处与其相邻的输电导线之间的距离会明显增大，因此，根据这个距离和股与股之间的平均距离对比，就可以确定散股位置。

本发明基于可见光图像的输电导线散股缺陷检测方法，其原理简单易行，能有效检测输电导线情况，为输电线路安全运行提供了一种新思路。