一种输电线路覆冰厚度自校准测量方法、装置及系统与流程

本发明涉及输电线路状态监测，具体涉及一种输电线路覆冰厚度自校准测量方法、装置及系统。

背景技术：

1、输电线路覆冰会增加导线机械载荷和风偏风险，严重时可能引起断线、倒塔、绝缘性能下降等故障，为降低人工巡检风险，现有监测方案通常利用摄像装置获取导线图像，通过边缘检测、图像分割或深度学习方法识别覆冰区域，并根据覆冰导线在图像中的像素宽度估计覆冰厚度，例如，公开号为cn112365475a的专利申请公开了一种基于图像处理方式的输电线路覆冰监测方法及系统，通过获取覆冰边界并基于几何关系求取覆冰厚度；授权公告号为cn113569804b的专利公开了基于图像识别的输电线路覆冰监测系统及风险告警方法，通过测量指示装置提供多个厚度测量方向上的尺寸指示。上述技术为覆冰图像测量提供了基础。

2、然而，输电线路监测装置长期安装于户外，图像采集单元受风振、支架微位移、温差形变和维护调整影响，其外参可能相对于初始标定状态发生变化；同时，标定参照物与待测导线往往处于不同空间深度，若直接采用标定靶平面上的像素尺度换算导线直径，会产生随拍摄距离变化而放大的系统性尺度误差，另一方面，偏心覆冰条件下，覆冰外轮廓的几何中心或骨架并不等同于裸导线真实轴线，若直接依据覆冰轮廓骨架建立测量中心，可能造成两侧覆冰厚度失真，甚至出现负厚度或偏心方向误判。

3、此外，降雪时快速运动的雪花、飞散冰晶、夜间补光造成的镜面反光、雾气以及局部遮挡均可能形成瞬态伪边界。仅依据单帧图像完成边界判定和厚度换算，难以保证无人值守条件下测量结果的稳定性和可评价性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种输电线路覆冰厚度自校准测量方法、装置及系统，以解决现有图像测厚中因相机外参漂移、标定基准与导线不共面、偏心覆冰轴线偏移以及雪花和反光瞬态干扰导致的尺度漂移、边界误检和低质量结果无法自动识别的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种输电线路覆冰厚度自校准测量方法，包括以下步骤：

4、s1：建立裸导线基准：在待测导线处于无覆冰状态时获取裸导线基准图像，提取裸导线基准图像中的裸导线两侧边缘，根据裸导线两侧边缘确定裸导线二维基准轴线；结合预先建立的导线空间几何关系、相机内参以及根据裸导线基准图像中的标定基准特征点确定的初始化相机外参，将裸导线二维基准轴线恢复至标定基准坐标系，得到裸导线三维基准轴线，并存储裸导线标称直径；

5、s2：获取当前图像并确定当前相机外参：通过图像采集单元连续获取多帧同时包含待测导线区域和标定基准区域的当前图像，其中，标定基准单元与图像采集单元分离设置并，且标定基准单元固定于输电杆塔的稳定构件上，标定基准单元设置有多个在标定基准坐标系中具有已知坐标的基准特征点；针对每一帧当前图像，根据基准特征点在该当前图像中的图像坐标、基准特征点在标定基准坐标系中的已知坐标以及当前成像状态对应的相机内参，确定该当前图像对应的当前相机外参；

6、s3：确定当前三维参考轴线和局部测量截面：根据当前相机外参、裸导线三维基准轴线、导线空间几何关系、当前图像中可见导线区段的投影位置以及预设的导线弧垂范围和摆动范围，确定当前状态下待测导线的三维参考轴线，并根据当前相机外参将三维参考轴线投影至当前图像，得到当前图像裸导线参考轴线；沿三维参考轴线确定多个局部测量位置，并根据各局部测量位置处的三维轴线点和三维局部切向量确定相应的局部测量截面；

7、s4：确定覆冰外边界并进行空间尺度补偿：在各局部测量位置处，根据当前图像裸导线参考轴线建立与对应局部测量截面相对应的二维边界搜索线，在当前图像裸导线参考轴线两侧分别确定覆冰外边界候选点；基于当前相机外参以及对应局部测量截面的空间几何信息，将覆冰外边界候选点在当前图像中的像素尺度转换为对应局部测量截面上的物理尺度，得到候选覆冰外边界的空间测量结果；

8、s5：进行多帧时序持续性筛选：对多帧当前图像中的覆冰外边界候选点进行跨帧关联，根据覆冰外边界候选点相对于当前图像裸导线参考轴线的持续帧数、法向距离稳定性以及帧间运动特征确定候选边界的时序持续性，并剔除不满足预设时序持续性条件的瞬态候选边界，得到有效覆冰外边界；

9、s6：确定覆冰厚度：根据有效覆冰外边界对应的空间测量结果确定各有效局部测量位置处的覆冰导线复合直径，并根据覆冰导线复合直径与裸导线标称直径确定表观径向覆冰厚度；对于偏心覆冰，以裸导线三维基准轴线经当前状态修正后得到的三维参考轴线作为裸导线轴线基准，根据两侧有效覆冰外边界对应的空间测量结果，在各有效局部测量位置处分别确定三维轴线点至两侧有效覆冰外边界的空间径向距离，根据两侧空间径向距离与所述裸导线标称直径分别确定两侧覆冰厚度，并根据两侧覆冰厚度的差异确定偏心方向和偏心程度；

10、s7：进行测量置信度评价和针对性复采：根据标定质量、边界定位质量、时序一致性、遮挡质量和图像质量确定测量置信度；当测量置信度达到预设置信度阈值时，输出覆冰厚度测量结果；当测量置信度低于预设置信度阈值时，确定导致测量置信度降低的主导质量参数，根据主导质量参数生成对应的复采控制信号，并根据复采控制信号重新执行相应的图像采集或测量处理。

11、进一步的，步骤s2中，所述标定基准单元为平面标定靶，所述平面标定靶设置有至少四个非共线的基准特征点、方向编码以及具有已知实际长度的尺度标记；对当前图像进行畸变校正后，建立基准特征点的图像坐标与其在标定基准坐标系中的已知坐标之间的对应关系，采用随机抽样一致性方法剔除错误对应点，并采用pnp算法确定每一帧当前图像对应的当前相机外参；当图像采集单元采用可变焦镜头时，预先存储各焦距状态对应的相机内参和镜头畸变参数，并根据当前图像对应的焦距状态调用相应的相机内参和镜头畸变参数。

12、进一步的，步骤s1中，在裸导线基准图像的多个测量位置分别提取裸导线两侧边缘点，将同一测量位置处两侧边缘点的中点确定为裸导线中心位置，对多个裸导线中心位置进行曲线拟合得到裸导线二维基准轴线；利用线路设计参数、导线挂点位置或现场测量结果建立导线相对于标定基准坐标系的空间直线关系或悬链线关系，并结合所述初始化相机外参将多个裸导线中心位置恢复至标定基准坐标系，得到裸导线三维基准轴线；步骤s3中，根据当前图像中可见导线连续点的投影位置，在导线弧垂范围和摆动范围内对所述裸导线三维基准轴线进行当前状态修正，得到当前状态下的所述三维参考轴线。

13、进一步的，步骤s3中，对于各局部测量位置，确定三维参考轴线上的三维轴线点以及该三维轴线点处的三维局部切向量，将经过三维轴线点且垂直于三维局部切向量的空间平面确定为对应的局部测量截面；步骤s4中，在当前图像裸导线参考轴线上确定与各局部测量位置对应的图像测量位置，根据当前图像裸导线参考轴线在图像测量位置处的二维局部切向量确定二维法向量，并沿二维法向量构建穿过当前图像裸导线参考轴线的二维边界搜索线；在二维边界搜索线上，根据图像梯度、覆冰前景概率、相邻图像测量位置的边界连续性以及候选边界至当前图像裸导线参考轴线的距离确定候选边界综合代价，并选取候选边界综合代价最小的一对候选点作为位于当前图像裸导线参考轴线两侧的覆冰外边界候选点。

14、进一步的，将第i个局部测量位置处的三维轴线点记为

a

i，将三维轴线点

a

i处的三维局部切向量记为

τ

i，将对应的局部测量截面记为

π

i，所述局部测量截面

π

i满足：

15、(x-

a

i)t

τ

i=0

16、其中，x表示局部测量截面上的任一空间点，步骤s4中，将第i个局部测量位置两侧的覆冰外边界候选点根据相机内参和当前相机外参分别反投影为空间射线，并使所述空间射线与所述局部测量截面

π

i相交，将所得两侧三维边界点分别记为

b

i+和

b

i-；步骤s6中，将所述两侧三维边界点之间的欧氏距离记为覆冰导线复合直径

d

i，按照

17、

d

i=‖

b

i+-

b

i-‖

18、确定覆冰导线复合直径

d

i，将裸导线标称直径记为

d0，并按照

19、

h

i=(

d

i-

d0)/2

20、确定第i个局部测量位置处的表观径向覆冰厚度

h

i。

21、进一步的，步骤s4中，在当前图像已完成畸变校正、标定基准平面的法向量与第i个局部测量截面的法向量之间的夹角不大于预设角度阈值，且第i个局部测量位置位于预先标定的有效视场范围内的条件下，采用深度比简化计算方式进行所述空间尺度补偿，将标定基准上的已知实际长度记为

lref，将所述已知实际长度在校正后的当前图像中的像素长度记为

lref，将标定基准平面相对于图像采集单元的深度记为

z

t，将第i个局部测量截面相对于图像采集单元的深度记为

z

w,i，将第i个局部测量位置处两侧覆冰外边界点之间的像素距离记为

d

p,i，并按照

22、

d

i=(

z

w,i/

z

t)×(

lref/

lref)×

d

p,i

23、确定第i个局部测量位置处的覆冰导线复合直径

d

i。

24、进一步的，步骤s5中，将连续获取的当前图像的帧数记为m，将候选边界点的持续帧数阈值记为

tcont，其中1≤

tcont≤m；对m帧当前图像中的覆冰外边界候选点进行跨帧关联，确定候选边界点相对于所述当前图像裸导线参考轴线的法向距离方差以及候选边界点的帧间运动矢量，将连续出现帧数小于所述持续帧数阈值、法向距离方差大于预设距离方差阈值或者帧间运动特征满足预设瞬态目标条件的候选边界点确定为瞬态候选边界并予以剔除，所述瞬态候选边界包括由雪花、飞散冰晶或补光反光形成的伪边界。

25、进一步的，步骤s7中，根据当前基准特征点的重投影误差和有效基准特征点数量确定标定质量，将所述标定质量记为

qref；根据覆冰外边界的边界梯度强度、覆冰前景概率和相邻测量位置的边界连续性确定边界定位质量，将所述边界定位质量记为

qedge；根据多帧厚度方差和边界持续帧数确定时序一致性，将所述时序一致性记为

qtime；根据有效局部测量截面的比例确定遮挡质量，将所述遮挡质量记为

qocc；根据图像高频能量、运动模糊指标和饱和像素比例确定图像质量，将所述图像质量记为

qimg；将各质量参数归一化至0至1，并按照

26、q=

β1·

qref+

β2·

qedge+

β3·

qtime+

β4·

qocc+

β5·

qimg

27、确定测量置信度q，其中，

β1、

β2、

β3、

β4和

β5均为非负权重，且满足

28、

β1+

β2+

β3+

β4+

β5=1；

29、当所述测量置信度q低于所述预设置信度阈值时，根据βk·(1-

qk)计算第k个质量参数对应的加权质量缺失量，并将加权质量缺失量最大的质量参数确定为主导质量参数；当所述主导质量参数为标定质量时，扩大标定基准搜索范围并重新确定当前相机外参；当所述主导质量参数为边界定位质量或图像质量时，调整曝光时间、增益、对焦位置或补光状态；当所述主导质量参数为时序一致性时，增加连续采集帧数或缩短帧间隔；当所述主导质量参数为遮挡质量时，延迟重新采集；达到预设复采次数上限后所述测量置信度q仍低于所述预设置信度阈值时，输出测量无效标志以及对应的低质量原因信息。

30、本发明的另一目的是提供一种输电线路覆冰厚度自校准现场测量装置，该装置包括图像采集单元、处理单元、存储器、控制单元和通信单元；所述图像采集单元用于采集同时包含待测导线区域以及标定基准区域的当前图像，所述标定基准区域由与图像采集单元分离设置并固定于输电杆塔稳定构件上的标定基准单元提供，所述标定基准单元上设置有在标定基准坐标系中具有已知坐标的基准特征点；所述处理单元与图像采集单元连接，用于接收所述图像采集单元输出的当前图像，并根据当前图像中基准特征点的图像坐标与标定基准坐标系中的已知坐标确定当前相机外参；所述存储器用于存储相机内参、镜头畸变参数、标定基准特征点在标定基准坐标系中的已知坐标、裸导线标称直径、裸导线二维基准轴线、裸导线三维基准轴线以及导线空间几何关系；所述处理单元还用于根据所述当前相机外参、裸导线三维基准轴线、导线空间几何关系以及当前图像中可见导线区段的投影位置确定当前状态下待测导线的三维参考轴线和局部测量截面，以三维参考轴线作为测量空间基准进行覆冰外边界定位、空间尺度补偿、多帧时序持续性筛选、覆冰厚度计算以及测量置信度评价；所述控制单元用于在测量置信度低于预设置信度阈值时，根据导致测量置信度降低的主导质量参数输出对应的复采控制信号；所述通信单元用于与远程处理平台进行数据交互。

31、本发明的另一目的是提供一种输电线路覆冰厚度自校准测量系统，该系统包括现场测量装置、标定基准单元以及远程处理平台；所述现场测量装置包括图像采集单元、处理单元、存储器、控制单元和通信单元，所述图像采集单元用于采集待测导线区域和标定基准区域的当前图像，所述处理单元与图像采集单元连接，用于接收图像采集单元输出的当前图像，并根据标定基准区域中的基准特征点确定当前相机外参，并根据当前相机外参、预先建立的裸导线三维基准轴线和导线空间几何关系确定当前状态下待测导线的三维参考轴线，以三维参考轴线作为测量空间基准进行局部测量截面确定、覆冰外边界定位、空间尺度补偿、多帧时序持续性筛选、覆冰厚度计算和测量置信度评价，所述控制单元用于根据所述测量置信度输出复采控制信号；所述标定基准单元固定设置于输电杆塔的稳定构件上并与图像采集单元分离设置，所述标定基准单元为无源光学标定靶，标定基准单元与待测导线位于图像采集单元的共同有效视场内，标定基准单元上设置的基准特征点经由图像采集单元成像后输入至所述处理单元，由处理单元根据基准特征点的图像坐标与标定基准坐标系中的已知坐标确定当前相机外参，标定基准单元设置有多个在标定基准坐标系中具有已知坐标的基准特征点；所述远程处理平台通过通信单元与现场测量装置通信连接，远程处理平台包括结果存储模块和复核服务模块，所述结果存储模块用于按照设备标识和采集时刻存储覆冰厚度测量结果，所述复核服务模块用于根据相邻测量时刻的覆冰厚度分布变化以及测量置信度对覆冰厚度测量结果进行复核，并在满足预设复采条件时向现场测量装置下发复采指令。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

33、1、本发明将标定基准与图像采集单元分离设置，并利用标定基准特征点逐帧求解当前相机外参，使得几何校正能够实时反映相机支架因长期户外运行中受风振、温差形变和维护调整所导致的外参漂移，克服了传统方案依赖一次性标定参数所引入的随时间累积的尺度漂移问题；

34、2、本发明不直接将标定靶平面的像素尺度用于导线测厚，而是通过对导线截面进行空间深度估计并根据深度比对像素尺度进行补偿，有效消除了因拍摄距离差异所产生的随距离放大的系统性尺度误差，避免了将近处标定靶的像素尺度直接套用于远距离导线所带来的测量偏差。

35、3、本发明以无覆冰状态下建立的裸导线三维基准轴线作为测量中心的空间基准，并结合当前外参和导线状态将其投影至当前图像，确保在覆冰轮廓发生不均匀生长时仍能准确定位裸导线轴线位置，从而消除了以覆冰轮廓骨架或形心替代导线中心所导致的两侧厚度失真和偏心方向误判。

36、4、本发明引入了多帧时序持续性约束，对连续采集的多帧图像中的候选边界进行跨帧关联，利用真实覆冰边界相对于导线参考轴线的位置稳定性与雪花、飞散冰晶和补光反光等瞬态目标的运动随机性之间的差异，有效剔除了瞬态伪边界，显著提升了边界定位的稳定性和抗干扰能力。

37、5、本发明建立了涵盖标定质量、边界定位质量、时序一致性、遮挡质量和图像质量的多维度测量置信度评价体系，并在置信度不足时根据主导低质量因素执行针对性复采，实现了对测量结果质量的自动评价和低质量条件下的自主复采，避免将低质量结果直接作为有效测量值输出，为无人值守条件下的长期稳定运行提供了可靠保障。