輸電線路遠(yuǎn)距離測量技術(shù)研究

李金哲

摘要：針對(duì)目標(biāo)物間距-尺寸的遠(yuǎn)距離測量，為了提高巡檢效率，研制遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)，通過高清相機(jī)與激光測距儀獲取目標(biāo)物的像素點(diǎn)信息，由小孔成像原理推導(dǎo)尺寸計(jì)算公式得出目標(biāo)物尺寸。系統(tǒng)框架采用便攜式設(shè)計(jì)，通過無線數(shù)傳模塊使其具有遠(yuǎn)距離無線控制功能，可應(yīng)用于車載及無人機(jī)等巡檢平臺(tái)。測量系統(tǒng)分別對(duì)室外52m、89m、132m三個(gè)距離處的目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證測試，系統(tǒng)測量的尺寸誤差分別為1.9%，2.2%，2.9%，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)在高壓輸電線路的巡檢及其他遠(yuǎn)距離目標(biāo)測量應(yīng)用中能保證較高的測量精度。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距目標(biāo);激光測距技術(shù);圖像處理;尺寸測量;

引言

目前，高壓輸電線路安全走廊通道的巡檢與維護(hù)主要采用地面人工巡檢和直升機(jī)巡檢[1-2]。人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大，巡檢工作主要在地面進(jìn)行，對(duì)于空中高壓輸電線路與樹木頂端的距離判斷偏差較大，且因視線遮擋極易產(chǎn)生巡檢盲區(qū)，森林疾病及野生動(dòng)物也給巡視人員帶來安全隱患。直升機(jī)巡檢存在飛行安全隱患且巡線成本高，且因沒有合適的遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測量機(jī)載設(shè)備，只能通過巡檢圖像大致估計(jì)高壓輸電線路與樹木之間距離，限制了直升機(jī)巡檢推廣。

近年來激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)物尺寸測量測繪[3-4]。為了提高巡檢效率，提供更加安全可靠的巡檢方式，本文基于激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)研制了遠(yuǎn)距離目標(biāo)尺寸測量系統(tǒng)，可應(yīng)用于車載及無人機(jī)巡檢。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離目標(biāo)尺寸測量系統(tǒng)（以下簡稱“DMSRT”）則避免了目標(biāo)物過小造成的瞄準(zhǔn)困難，測量示意圖見圖1，采取了將激光照射在面積更大的區(qū)域獲得距離信息，待測目標(biāo)尺寸置于相機(jī)視場中完成拍照，隨后完成測量計(jì)算。

1間距-尺寸測量原理

間距-尺寸測量算法基于小孔成像原理[5]推導(dǎo)得出，計(jì)算中需要獲得清晰圖像中的目標(biāo)尺寸所占像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，DMSRT使用兩臺(tái)激光測距儀發(fā)出兩束平行激光形成參考點(diǎn)，高清相機(jī)采集視場中目標(biāo)圖像并獲得目標(biāo)尺寸的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，通過像素比例推算輸電線路和目標(biāo)（如樹木）之間的間距和尺寸。

1.1垂直間距測量

式中：分別為圖像中待測的垂直像素間距和兩激光點(diǎn)像素間距;s、d分別為實(shí)際的垂直間距和兩激光點(diǎn)的間距;是垂直間距在焦平面上的投影尺寸，θ為系統(tǒng)的俯仰角，垂直間距測量原理圖如圖2所示。

1.2尺寸測量

式中：h為待測的目標(biāo)尺寸，h′為待測目標(biāo)h所占像素個(gè)數(shù)，d為兩激光點(diǎn)的間距，d′為d所占像素個(gè)數(shù);l1、l2為激光測距儀的測量值，尺寸測量原理圖如圖3所示。

2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)測量原理，系統(tǒng)硬件主要由激光測距儀，高清相機(jī)，傾角傳感器組成，系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。其中，選用高分辨率高清相機(jī)，35mm等效焦距為28-100mm，光學(xué)放大倍率為3.6倍;激光測距儀的精度為1.5mm，測量范圍為250m;傾角傳感器的精度為±0.1°，測量范圍為±90°。激光測距儀和傾角傳感器通過RS232接口與PC控制端通信。

考慮到自動(dòng)測量系統(tǒng)要滿足能掛載在無人上的功能需求，所以設(shè)備殼體材料選用碳纖維，內(nèi)部鋁型材支撐，外形尺寸130*155*200，系統(tǒng)裝置總重量為4kg。在無人機(jī)模式中，串口通信以及高清相機(jī)通過數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1 激光位置標(biāo)定

由于激光光點(diǎn)在遠(yuǎn)距離處較難被相機(jī)捕捉到，為了在所需要將激光光點(diǎn)位置在相機(jī)預(yù)覽窗口中指示并最終保存在圖像結(jié)果中。通過標(biāo)定像素點(diǎn)個(gè)數(shù)d'、焦距位置F和目標(biāo)距離L之間的關(guān)系完成激光點(diǎn)的跟蹤。具體標(biāo)定方式如下。

系統(tǒng)使用的相機(jī)可以標(biāo)記當(dāng)前焦距位置并返回?cái)?shù)值F，F(xiàn)數(shù)值變化范圍0～100。兩臺(tái)激光測距儀相對(duì)于相機(jī)中心對(duì)稱布置，激光測距儀之間的安裝距離d=126mm，尺寸d在圖像中所占像素點(diǎn)個(gè)數(shù)d′隨著目標(biāo)物距離L以及相機(jī)的焦距位置F變化而不同。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，若目標(biāo)物距離L不變，d′與焦距位置F不完全成線形關(guān)系，若焦距位置F不變，d′與目標(biāo)物距離L成線形關(guān)系。則像素點(diǎn)數(shù)d'可以通過式x求出。

其中，N10F是標(biāo)定表中F焦距處像素點(diǎn)數(shù)，L是目標(biāo)物距離。

3.2軟件操作

相機(jī)預(yù)覽窗口中，激光點(diǎn)的位置通過兩個(gè)紅色矩形框指示出。通過矩形框，控制裝置的俯仰和方位，直到在目標(biāo)區(qū)域返回距離值L。在拍照的同時(shí)，激光點(diǎn)的位置寫入到圖片文件中。系統(tǒng)控制軟件界面見圖5.

4自動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)果分析

該自動(dòng)測量系統(tǒng)在經(jīng)過室內(nèi)標(biāo)定測試后，超高壓走廊線路進(jìn)行了實(shí)用性檢驗(yàn)，分別進(jìn)行了52m，89m，135m三檔距離的測試。結(jié)果見表1。

系統(tǒng)的測量誤差主要來自相機(jī)與傳感器的安裝誤差，標(biāo)定時(shí)所產(chǎn)生的測量誤差以及相機(jī)成像的穩(wěn)定性。受到外界光照條件的變化，相機(jī)在成像質(zhì)量上可能會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量下降的現(xiàn)象，從而造成像素點(diǎn)數(shù)的變化，從式中可知，當(dāng)距離逐漸增大，像素點(diǎn)上的誤差對(duì)精度的影響也將增大。但是從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量產(chǎn)生的誤差對(duì)系統(tǒng)的精度影響很小。3檔距離下的測試誤差分別為1.9%，2.2%，2.9%，系統(tǒng)在三組試驗(yàn)中均保持了較高的測量精度。

5結(jié)論

遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的遠(yuǎn)距離尺寸測量。與現(xiàn)有的測量方式相比，其具有更高的測量效率。自動(dòng)測量系統(tǒng)不需要精確指向目標(biāo)點(diǎn)，只需在目標(biāo)物附近找到大小合適的激光反射面即可，避免了在經(jīng)緯儀使用過程中需要精確調(diào)整鏡頭的操作。自動(dòng)測量系統(tǒng)在完成相機(jī)拍照后，可保存包含距離、傾角數(shù)據(jù)的圖像文件，從而實(shí)現(xiàn)離線多目標(biāo)測量和追溯功能，該系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域具有較大應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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