輸電線路交叉跨越測量新技術

程登峰,張帆,潘建平

(1.國網安徽省電力公司電力科學研究院,合肥 230022; 2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,武漢 430079; 3.重慶交通大學土木建筑學院,重慶 400015)

輸電線路交叉跨越測量新技術

程登峰1,張帆2,潘建平3

(1.國網安徽省電力公司電力科學研究院,合肥 230022; 2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,武漢 430079; 3.重慶交通大學土木建筑學院,重慶 400015)

通過利用雙目測量原理,結合輸電線路的特點,對輸電線路交叉跨越測量新技術進行了探討和初步應用。根據實驗數據和實測數據,分析認為,利用雙目測量系統跨越應用于輸電線路交叉跨越測量。

雙目系統;交叉跨越;測量

1 前言

隨著同時輸電線路的路徑越來越復雜,輸電線路經過山區、同一走廊內多條線路架設以及線路交叉跨越來越多。輸電線路對附近樹木放電以及對下方被交叉跨越物放電從而造成線路故障的實例越來越多,因此,在高溫天氣及大負荷下對交叉跨越的測量顯得越來越重要[1]。目前,交叉跨越測量主要采用測距桿、超聲波測距儀、激光測距測高儀、經緯儀、全站儀等[2-4],但各種測量方法均存在一定的局限性。如何快速簡便高效準確的進行輸電線路交叉跨越的測量是目前需要解決的一個重點課題。根據輸電線路交叉跨越的特點,本文對利用雙目系統[5-6]開展輸電線路交叉跨域測量工作進行探討。

2 理論研究及系統開發

根據攝影測量中的雙目立體測量原理設計硬件測量設備、開發出對應的數據處理系統,以實現電力輸電線路交叉跨越測量。具體的內容包括：

1)由兩部相機組成的立體影像采集設備 (雙目立體測量系統)。

2)一套數據采集和處理軟件,包括：相機控制程序、系統檢校、數據處理等功能。其中通過程序控制兩部相機拍攝,自動將數據保存在計算機上;通過布設三維檢校場檢校兩部相機內、外方位元素;開發的軟件能實時取景,快速、準確的測量電力線對應的距離,其中使用基于核線約束、精確的電力線提取等算法保證測量的精度。

2.1 理論論證

雙目系統一般主要用于近景攝影測量中,測距一般都較近,對于遠距離的輸電線路測量屬于一種新嘗試,需要考慮系統交會角、紋理單一等問題。

為了提高測量的精度,增大交會角,使用比較長的基線,同時為了提高遠距離拍攝的影像清晰度,需要使用較長的定焦鏡頭。

要完成長距離的測量工作,需要精確知道雙目系統中兩部相機的內方位元素,和兩部相機之間的相對位置關系,這個過程需要進行雙目系統的精確檢校。雙目系統的檢校采用布設三維控制場的方式進行檢校工作,采用光束法平差精確解求兩部相機的內外方位元素。

測量工作的另外一個技術難點就是輸電線路上的同名點的選取,這是由于輸電線路紋理匱乏不能使用傳統的基于灰度的匹配方法自動尋找同名點。雙目系統已知兩部相機之間的相對位置關系,因此可以通過核線約束獲得同名點。同時為了避免輸電線路提取的過程產生雙邊緣的問題,采用基于相位一致性的輸電線路提取方法準確提取輸電線路的邊緣。

2.2 硬件和軟件設計

2.2.1 系統構成。

該雙目測量系統包括雙相機組成的立體影像采集設備、相機控制程序、數據處理軟件三個部分,具體見圖1。其中立體影像采集設備主要是立體相機部分,需要同步拍攝需待測量區域的影像。

圖1 雙目測量系統構成

2.2.2 軟件設計

軟件具有實時控制相機、檢校雙目系統、測量輸電線路之間距離這三個功能。其組織結構如圖2所示：

其中相機控制是指在計算機上控制相機拍攝、取景、參數設置等功能的程序。該程序能實時顯示雙目相機所拍攝的場景,方便調整拍攝的角度和位置;相機的快門也通過該程序控制,完成同步拍攝,最后自動地將數據保存在計算機上對應的工程中。檢校程序提供影像上標靶的提取,內、外方位元素檢校功能,將檢校獲得的參數自動的保存在工程文件當中,給測量提供已知數據。數據處理是指開發的測量目標地物的坐標、距離等信息的軟件。在立體像對中的一幅影像上的輸電線路上選取一個點,在另外一幅影像能準確通過半自動手段定位其在電力線上的同名點。

圖2 軟件結構

2.3 系統建設

2.3.1 硬件設計及加工

硬件采用便捷穩定設計,兩部相機可以穩定固定在基線上,通過數據線和計算機連接。該過程充分考慮測量精度和穩定性要求,同時兼顧硬件的便捷性,便于搬運和攜帶。

2.3.2 軟件設計與開發

軟件使用VS2008軟件開發平臺實現軟件編寫。程序界面從左致右依次為樹狀視圖、左視圖、右視圖。其中樹狀視圖有兩個標簽頁,分別顯示檢校信息和測量信息。檢校和測量信息分別以樹狀視圖的方式管理和顯示。影像實現區域使用分割視圖的方式顯示,在OpenGL環境下同時顯示兩幅影像,對兩幅影像可以同時進行編輯。視圖區域同時有鼠標右鍵消息。

1)相機控制程序：相機控制程序是在相機自帶程序的基礎上開發集成,通過不同的相機ID識別每一部相機,在相機開機之后,連接到計算機上,相機的控制模塊在主程序界面上實現,調用開發的NikonCtrl中的函數實現,具體的關系結構如圖3：

2)檢校：檢校程序提供影像上標靶的提取、內外方位元素檢校功能,將檢校獲得的參數自動保存在工程文件當中,給測量提供已知數據。具體的每個功能為：

圖3 相機控制功能各個接口

a.量測靶點,切換到靶點量測模式,手動選影像上的標靶點 (高精度的標靶點半自動提取),對于量測的點,可輸入每個點的點號。

b.控制點導入及解算,導入測量的三維控制點。從文件中批量讀入固定格式的控制點坐標。使用整體平差的方法求相機的內方位元素參數及兩部相機之間的相對位置關系,即兩個相機的內方位元素、畸變參數、相機之間的相對位置關系和相對姿態。

檢校的流程是,首先在影像上選取控制點對應的標靶的像點坐標,再導入控制點坐標,最后平差獲得雙目系統內、外方位元素。

檢校功能需要調用檢校和標靶中心提取兩個模塊的功能,同時涉及界面的操作。檢校功能的實現是通過啟動一個Task的方式,激活Task,則啟動檢校功能。各個部分結構的接口如圖4：

圖4 檢校功能接口

c.測量,完成雙目系統的檢?；蛘咭阎p目系統分的內、外方位元素之后,則能夠完成測量工作。測量的目標是量測拍攝的電力線之間或者是電力線和其他被交跨物體之間的距離,完成輸電線路交叉跨越測量工作。測量模塊的主要功能是能準確測量電力線和物體點的坐標。具體的功能有電力線的精確定位和擬合,核線的生成,點的三維坐標的計算,距離的量測。

其中選擇目標點的過程有全手動和半自動兩種方式。具體實現的過程也是通過一個Task的方式來實現,每次只有啟動測量Task后才能選點,選點的方式是每次需要完成一對同名點選取之后才能自動計算該對點對應的物方點的坐標。距離的測量是在測量點完成之后可以計算任意兩個之間的距離。

3 實驗驗證

為測試本系統的穩定性和可靠性,進行了多次實驗。其中雙目立體部分采用豎直基線的數據采集設備,開發完成了集數據采集、系統檢校、數據測量一體的軟件PowerMeasure。

該實驗是通過計算機控制雙目系統,即使用筆記本控制兩部相機。將兩部相機和計算機連接起來,保持相機開機狀態。雙目系統每次拆卸或者經過劇烈碰撞后都需要進行檢校。

3.1 模擬數據測量實驗

人工模擬電力線,使用全站儀測量電力線上的標記點,使用PowerMeasure測量電力線上對應的點。和全站儀測量的數據相比較,雙目系統測量的最小誤差是0.000 34 m,最大誤差是0.025 m,中誤差是0.015 m,和距離的相對誤差優于1/1 000。

3.2 真實數據測量實驗

使用上述檢校的相機使用進行外業測量,測量地點為高鐵線路附近,使用全站儀測量電力線之間的距離。使用全站儀測量了電力線上對應的點的距離。

使用PowerMeasure軟件測量電力線之間的距離,測量的結果見表1：

表1 高壓線路測量結果

本次實驗測量距離50 m左右,其中有最大誤差0.103 m,這是由于測量過程中有列車經過,使得電力線產生晃動。結果可以看出精度接近1/ 1 000,考慮列車經過使得電力線產生嚴重晃動對全站儀測量的影像,本次實驗精度合理。

3.3 測量距離變化對精度影響

為了做出較為準確與客觀的雙目系統距離量測精度評估,并得到量測精度隨量測距離的變化趨勢,故采用了布設室外實驗場地,利用先檢校,后測量的方式進行現場實驗。測試場景如下圖所示,在不同平面和縱深方向共布設了四個標靶,并且在不同的距離進行像對的獲取,然后用全站儀在獨立坐標系下測得四個標靶的三維坐標,作為計算實際距離的觀測值。將全站儀觀測數據計算出來的距離與雙目系統的量測出來的距離進行比較,可分析雙目系統量測誤差隨量測距離的變化趨勢。

使用雙目系統測量的距離從45 m到150 m,拍攝了八組數據,分別測量了4對同名點,使用PM分別計算13-22(6-7),22-24(7-10),13 -24(6-10),13-49(6-12)之間的距離,如圖8。和實際全站儀測量的數據進行比較。

測量精度與距離的關系如下圖5所示,其中橫坐標為拍攝距離,縱坐標為誤差值。

圖5 距離與誤差的關系圖

上述結果可以看出隨著距離的變化,誤差的總體趨勢是遞增,當測距超過120 m后誤差會急劇增大,因此建議測量距離不要超過120 m。

4 結束語

通過對硬件系統的采用以及軟件算法的改進,采用基于雙目系統的輸電線路交叉跨越測量系統能便捷準確的進行輸電線路交叉跨越測量工作：

1)該系統能實現全自動和半自動同名點的選擇,能準確進行點的定位;

2)該系統能自動計算不同點之間的距離、點與電力線以及電力線與電力線之間的最小距離,減少了操作人員的工作量;

3)該系統的測量測距達到50～100 m時,測量精度能滿足要求。

[1] 高強.架空送電線路弧垂變化對交叉跨越物距離影響的探討 [J].科技信息,2012(33).

[2] 卞玉萍,倪良華,郝思鵬,等.基于特殊環境中輸電線路交叉跨越測量 [J].華東電力,2013,3(3).

[3] 錢紅健.特殊地形下線路交跨距離的測量與計算 [J].中國新技術產品,2012(24).

[4] 解景元.淺談線路驗收中交叉跨越、凈空距離和弧垂的測量方法 [J].北京電力高等?？茖W校學報,2011(8).

[5] 周星,高志軍.立體視覺技術的應用與發展 [J].工程圖學學報,2010,4.

[6] 陳念,李進,王海暉.雙目立體視覺測量系統的研究與實現 [J].武漢工程大學學報,2011(5).

Application of New Measuring Technology for Crossing Transmission Line

CHENG Dengfeng1,ZHANG Fan2,PAN Jianping3
(1.Anhui Electric Power Research Institute,Hefei 230022; 2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan University,Wuhan 430079; 3.School of Civil Engineering&Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)

In this paper,the use of binocular measurement principle,combined with the characteristics of transmission lines,transmission lines cross-cutting measure for new technology are discussed and preliminary application.According to the experimental data and the measured data,analysts believe that the use of binocular measurement system used in transmission lines across the cross -cutting measure.

cross-cutting;measure;binocular;system

TM75

B

1006-7345(2014)01-0074-04

2013-07-19

程登峰 (1980),男,高級工程師,國網安徽省電力公司電力科學研究院,從事輸變電設備技術管理工作 (e-mail)chengdf2000@aliyun.com。

張帆 (1982),男,講師,武漢大學,從事測繪遙感技術研究 (e-mail)zhangfan@whu.edu.cn。

潘建平 (1976),男,副教授,重慶交通大學,從事遙感圖像處理、地理信息系統和地質災害研究 (e-mail)pjp2222@sina.com。