一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输电线路巡检领域，涉及到数字图像处理技术和模式识别技术，特别 是涉及一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法和系统。
【背景技术】
[0002] 对于架空输电线路，由于长期暴露在自然环境中，存在人为或自然的破坏和线路 老化问题，还要经受污秽、雷击、风雪、洪水和鸟害等外界因素的侵害。W上因素会促使线 路上设备老化，如果不及时发现和消除该些隐患就有可能引发各种故障甚至出现事故，会 影响电网的安全运行和电力系统稳定。架空输电线路上的覆冰，已经给世界上许多地方的 架空输电线路带来了很多影响。近几年来，我国也同样遭受到了大范围的冰灾事故。覆冰 对架空输电线路会造成绝缘子损坏、断线、杆培倒塌等严重危害。通过输电线路在线监测系 统，工作人员可W及时了解输电线路的现场状况，W便在输电线路上覆冰过厚时，及时采取 除冰措施，避免重大事故的发生，为电力系统的安全运行提供保障。但是工作人员需要长时 间坚守在监视器前，造成人力资源的浪费，而且容易由人为因素导致险情不能及时被发现。 传统的输电线路覆冰监测方法大多数采用模拟检测法技术，模拟检测法的优点是取材 很简单、安装方便，只需要靠近输电线路放置，但是该种方法的缺点是获得摸拟材料的覆冰 数据很难。名称为"一种基于模糊逻辑的覆冰厚度预测方法"的专利公开一种根据输电线 路现场温度、湿度、风速及导线温度数据，从而综合得出输电线路覆冰厚度的方法。所述方 法采用拉力测量方式，但是拉力传感器本身材质的特点使得串接绝缘子施工难度高，会影 响到绝缘子，对线路安全存在影响。 近些年来，随着计算机技术和图像处理技术的快速发展，研究人员开始逐步采用基于 图像的覆冰检测技术，从而促使架空输电线路覆冰检测的准确率和可靠性在一定程度上得 到提高。名称为"架空线路覆冰厚度的视觉检测方法"的专利公开的方法是：首先进行图像 分割，获得图像输电线路的所在区域，然后基于Ma化onen模型对输电线路进行覆冰载荷、 覆冰厚度、杆培受力及导线受力进行实时监控和监测，通过统计输电线路区域与整幅图像 的像素比例来计算覆冰的厚度，但是该方法在分割图像获得输电线路所在区域时，分割效 果不理想；名称为"输电线路图像采集装置及输电线路覆冰厚度检测系统"的专利公开了一 种检测系统，所述的系统通过将摄像部件设置在输电线路上直接对导线及覆冰导线厚度进 行测量，实现了固定输电线路图像采集装置与输电线路的相对位置，该系统获得的图像较 稳定，不用做图像去抖、去噪操作，但是该装置在复杂条件下，如大风、沙尘天气，摄像部件 工作不稳定。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法和系统，该检 测方法无论从检测时间还是检测效果上都取得了显著的成果，能满足实际复杂环境应用需 要。 为实现上述目的，本发明提供一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法， 其特征在于包括下列步骤： 1、 从视频监控终端或视频录像中提取相邻峽图像； 2、 对提取相邻峽图像进行图像的预处理； 3、 利用基于聚类分析理论，对输电线路图像进行图像分割； 4、 与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰； 5、 根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线路的位置。 所述的对提取相邻峽图像进行图像的预处理，首先检测出图像中和输电线路有关的 关键区域，然后将关键区域的图像进行灰度化，得到灰度图； 庙巧々，点=0.29M(z，。/) + 0.587 巧! J) + 0.1M公(2 J) (〇 其中为图像中像素点坐标，1這z<?，m为图像高度，l<J<K，n为图像宽度， 巧U)，G(U)，S片/)分别为像素点坐标为(U)的红、绿、蓝通道的像素值，〇3y(U)为 像素点坐标片乃的灰度值，灰度化图像后再对关键区域的图像进行图像平滑，过滤噪声， 图像平滑采用中值滤波的方法。 所述的基于聚类分析理论对输电线路图像进行图像分割，采用一种改进的模糊C-均 值聚类算法，设样本集尤属于公维欧式空间，即友*， i=i,2,L,n .首 先将样本集X分成不同的类，即C个互不相交的子集合^={V一、L，Vf}，其中C为类别数， 每一个类内反映在图像的特征上有很强的内聚性，而类与类之间有较大的类间差，即
【主权项】
1. 一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于包括下列步骤： (1) 从视频监控终端或视频录像中提取相邻帧图像； (2) 对提取相邻帧图像进行图像的预处理； (3) 利用基于聚类分析理论，对输电线路图像进行图像分割； (4) 与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰； (5) 根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线路的位置。
2. 根据权利要求1所述的一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于： 所述的对提取相邻帧图像进行图像的预处理，首先检测出图像中和输电线路有关的关键区 域，然后将关键区域的图像进行灰度化，得到灰度图； Gray(i,j)^Q.299R(i,j) + 0.5SlG(i,j) + 0.U4B(iJ)(〇 其中W为图像中像素点坐标，1幻为图像高度，为图像宽度，OQJ)，S(iJ)分别为像素点坐标为(ij)的红、绿、蓝通道的像素值，为 像素点坐标(W)的灰度值，灰度化图像后再对关键区域的图像进行图像平滑，过滤噪声， 图像平滑采用中值滤波的方法。
3. 根据权利要求1所述的一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于： 所述的基于聚类分析理论对输电线路图像进行图像分割，采用一种改进的模糊C-均值聚 类算法，设样本集义丨属于维欧式空间，即?€贤，?首先将样 本集-r分成不同的类，即c个互不相交的子集合，其中C为类别数，每一个 类内反映在图像的特征上有很强的内聚性，而类与类之间有较大的类间差，即
式中，me(l>+c〇),是加权指数，为图像中的像素数或模式数，〃为预先设置的类别数Kc(n-, ?/(ID表示了各类中的样本到聚类中心的加权距离平方和，其值反映在特定差异性定 义下的类一致性程度，越小，聚类越紧凑，算法通过迭代交替更新[/,F,当相邻两次 迭代的隶属度矩阵之差的范数时，迭代停止，其中（为迭代的次数，e为预先 设置的收敛阈值，这时目标函数近似地达到极小； ;为图像中所有非"边缘"点的集合，马为所有"边缘"点的集合，那么： 首先将非"边缘"部分分成互不相交的块，然后将"边缘"部分的点划分到相邻的块中， 形成一些互不相交的、连续的子类，完成一次图像的初步分割，得到c个互不相交的子类： 野>,其中，5^{1,2山(：），则当?/位于第|类#>时，则< )=1，否则14!))=〇; 当点5€鸟，即为边缘点时，其计算公式与一般的模糊C-均值聚类算法fuzzyc-means algorithm即FCM-致，采用的是模糊化隶属关系的方法；当点义eA，即为非边缘点时，无 论是哪一轮迭代，其隶属度不发生变化，不再重新计算，因此，要重新计算和确定归属的只 是那些边缘点。
4. 根据权利要求1所述的一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于： 所述的与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰，首先采集输电线路未覆冰时 的一幅图像作为标准图像，对图像进行预处理和分割，再计算图像中输电线路区域的像素 总数，在视频监控过程中对采集到的实时图像进行预处理和图像分割操作，获得输电线路 区域的像素总数，判断实时图像的像素值是否超出对应的无覆冰时图像的15%，当其像素数 超出无覆冰时的15%时，认为所监测的输电线路有覆冰，并进行标示。
5. 根据权利要求1所述的一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于： 所述的根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线路的位置，具体为： 经过图像分割后，可得到输电线路区域，采用连通区域标识来标识输电线路轮廓，即对输电 线路边缘进行标记，采用8-邻域方式进行标记，假设目标为白色，值为255,背景为黑色，值 为〇,首先对二值图像进行一次完整的扫描，标记出所有目标像素点，然后对每一个像素进 行8-连通区域的标记，即对每个像素的上、下、左、右、左上、右上、右下、左下，共8个相邻像 素进行比较，然后根据比较结果进行标记，对于没有8个相邻的像素进行特殊处理。
6. -种基于聚类分析的输电线路覆冰检测系统，其特征在于：包括视频图像输入模 块、输电线路图像预处理模块、输电线路图像分割模块、输电线路覆冰检测模块和输电线路 标记模块，其中： 视频米集t吴块，从视频监控终端或视频录像中提取相邻巾贞图像； 输电线路图像预处理模块，对提取相邻帧图像进行图像的预处理； 输电线路图像分割模块，利用基于聚类分析理论，提出一种改进的FCM图像分割算法， 对输电线路图像进行图像分割； 输电线路覆冰检测模块，采用逐列扫描图像的方式，计算输电线路覆冰前后图像的像 素比值，与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰； 输电线路标记模块，根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线 路的位置。
【专利摘要】1、一种基于聚类分析的输电线路覆冰检测方法，其特征在于包括下列步骤：（1）从视频监控终端或视频录像中提取相邻帧图像；（2）对提取相邻帧图像进行图像的预处理；（3）利用基于聚类分析理论，对输电线路图像进行图像分割；（4）与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰；（5）根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线路的位置。本发明从视频监控终端或视频录像中提取相邻帧图像，然后对提取相邻帧图像进行图像的预处理，利用基于聚类分析理论，对输电线路图像进行图像分割，根据输电线路在图像中的特征，采用连通区域标识来定位输电线路的位置，最后与无覆冰输电线路进行对比，判断输电线路是否覆冰。该方法无论从检测时间还是检测效果上都取得了较好的结果，能满足实际应用需要。
【IPC分类】G06K9-62, G06K9-60, G06T7-00
【公开号】CN104616020
【申请号】CN201410484919
【发明人】陈洪涛, 任洪民, 赵建明, 项福军, 佟辉
【申请人】国家电网公司, 国网吉林省电力有限公司松原供电公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年9月22日