一種多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)輸電線檢測(cè)方法

賴(lài)尚祥，楊忠，韓家明，張秋雁，李弘宸，陳聰，李捷文

1. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106 2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000

輸電線路通常架設(shè)在環(huán)境復(fù)雜、自然條件多變的野外，由于其大部分暴露于戶外環(huán)境中，長(zhǎng)期受到高溫炎熱、強(qiáng)降雨以及大雪等惡劣天氣的影響，導(dǎo)致輸電效率的下降。為確保電力能源的穩(wěn)定提供[1-2]，定期對(duì)電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、檢查和維護(hù)尤為必要。傳統(tǒng)的人力巡檢方式效率低、成本高且不利于在復(fù)雜地形下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)；相較而言，機(jī)器人可以提高巡檢效率，降低勞動(dòng)力成本，避免操作風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

樹(shù)障是輸電線路通道存在的一種常見(jiàn)安全隱患，表現(xiàn)為通道內(nèi)樹(shù)木不斷生長(zhǎng)并逐漸接觸輸電線，進(jìn)而威脅輸電線路的運(yùn)行安全。針對(duì)上述問(wèn)題，楊忠等[5-6]與南方電網(wǎng)開(kāi)展合作，設(shè)計(jì)了一種樹(shù)障清理空中機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路通道內(nèi)樹(shù)障的空中快速清理，解決了傳統(tǒng)人工樹(shù)障清理方式中存在的效率不高和安全風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題。通常情況下，樹(shù)障清理機(jī)器人工作在輸電線的下方，為了防止作業(yè)時(shí)發(fā)生撞線事故，需要對(duì)在其上方的輸電線進(jìn)行檢測(cè)。因此，設(shè)計(jì)一種適合樹(shù)障清理機(jī)器人的輸電線檢測(cè)方法就顯得尤為重要。本文為樹(shù)障清理機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種輸電線檢測(cè)方法，為巡線作業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)避障提供了預(yù)研基礎(chǔ)。

基于視覺(jué)的輸電線檢測(cè)算法一般分為邊緣檢測(cè)和輸電線提取2 個(gè)步驟。文獻(xiàn)[7]使用形態(tài)學(xué)算子去除圖中的噪聲后，運(yùn)用Canny 邊緣檢測(cè)算法提取線形物體邊緣并結(jié)合Hough 變換提取輸電線。由于Canny 算子對(duì)背景噪聲非常敏感，無(wú)法抑制背景邊緣，同時(shí)Canny 算子需要人工設(shè)定高低閾值，不能適用于所有圖像的邊緣檢測(cè)；因此對(duì)于不同背景下的輸電線圖像，該方法取得的效果差別較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]選用魯棒性更強(qiáng)的Hessian 矩陣對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，而后利用邊界搜索和像素條分塊方法結(jié)合Hough 變換檢測(cè)輸電線。該方法有效避免了大量的預(yù)處理步驟，但其僅僅針對(duì)輸電線從左到右橫跨圖像的情況進(jìn)行區(qū)域劃分。文獻(xiàn)[9]通過(guò)建立輸電線桿塔與輸電線的空間相關(guān)性，搜索2 個(gè)桿塔之間的空間，查找連接輸電線。這種方法適用多種走向的電力線檢測(cè)，但僅適用于包含多個(gè)輸電線桿塔的圖像。

根據(jù)上述文獻(xiàn)中所遇到的問(wèn)題，本文提出一種融合直線空間位置分布特征及長(zhǎng)度特征的多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)篩選輸電線算法，首先采用Hessian 矩陣與Hough 變換提取圖像中的輸電線。從文獻(xiàn)[10]的基于粒子濾波的輸電線檢測(cè)方法出發(fā)，提出一種多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)分析法，對(duì)霍夫空間中的直線信息進(jìn)行無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)分析，篩選需要的輸電線邊緣，去除干擾線。最終實(shí)驗(yàn)表明，本文算法能夠有效提取圖像中的輸電線，具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性。無(wú)監(jiān)督級(jí)聯(lián)聚類(lèi)有效地減少了參數(shù)的使用，避免人工設(shè)定參數(shù)下繁瑣的人為調(diào)整參數(shù)過(guò)程，適用于存在不同輸電線分布的情況，并且適用于多種背景下輸電線不同分布情況的檢測(cè)，具有更強(qiáng)的魯棒性。

1 輸電線檢測(cè)算法模型

1.1 輸電線特征分析

樹(shù)障清理機(jī)器人需將入侵輸電線通道內(nèi)的樹(shù)枝切除，這意味著樹(shù)障清理機(jī)器人的工作環(huán)境在輸電線的下方。如圖1 所示，機(jī)體需保持與輸電線的相對(duì)位置，以避免高速旋轉(zhuǎn)的旋翼與輸電線發(fā)生接觸造成重大事故?？紤]到作業(yè)場(chǎng)景的特殊性，本文采取了自下而上的拍攝角度[11]，在觀察大量圖像的基礎(chǔ)上，得到以下輸電線圖像特征:

1)輸電線可以從各個(gè)方向貫穿整個(gè)圖像；

2)輸電線在圖像中通常為直線，在部分圖像中，由于圖像畸變以及拍攝方式存在差異，多股輸電線在這類(lèi)圖像中的空間位置并不一定完全平行；

3)所收集的輸電線圖像背景主要為天空、樹(shù)木以及建筑物。

圖1 樹(shù)障清理空中機(jī)器人工作示意

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)算法模型，具體組成如下:

1)針對(duì)圖像背景復(fù)雜多變的問(wèn)題，本文采用魯棒性較強(qiáng)的基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法，提取隸屬于強(qiáng)邊緣的特征；

2)針對(duì)邊緣檢測(cè)之后邊緣在圖像中呈離散式分布這一問(wèn)題，本文采用Hough 變換對(duì)圖像進(jìn)行直線提取，得到圖像中直線的參數(shù)；

3)針對(duì)圖像中除去輸電線，依然可能包含其他類(lèi)型線型結(jié)構(gòu)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法提取輸電線，其算法流程如圖2 所示。

圖2 輸電線檢測(cè)算法流程

1.2 圖像預(yù)處理

為了便于對(duì)圖像中輸電線進(jìn)行邊緣檢測(cè)以及特征提取，需要進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理工作。由于RGB圖像中包含大量冗余的顏色特征，因此可以通過(guò)對(duì)輸入的圖像進(jìn)行灰度化處理，減少圖像整體的數(shù)據(jù)量?；叶然玫降妮旊娋€邊緣不是特別明顯，因而需要對(duì)圖像的輸電線邊緣進(jìn)行增強(qiáng)。對(duì)應(yīng)于輸電線的直線信息都從屬于圖像中的強(qiáng)邊緣，采取基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法[12]，將隸屬于強(qiáng)邊緣的特征提取出來(lái)。對(duì)于二維Hessian矩陣表示為

式中:f是圖像關(guān)于坐標(biāo)(x,y)的函數(shù)；fxx、fxy、fyx,、fyy分別代表函數(shù)f對(duì)x,y及其混合的二階偏導(dǎo)數(shù)。在圖像空間中，Hessian 矩陣即為平面中一點(diǎn)的二階導(dǎo)數(shù)，其特征值與特征向量反映了圖像灰度曲率變化的強(qiáng)度和方向。

1.3 直線提取

原始圖像經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理和邊緣檢測(cè)之后，得到的二值圖像中不僅包含輸電線的邊緣，還存在大量背景噪聲。本文采用Hough 變換直線提取方法檢測(cè)圖像中的輸電線。

Hough 變換是一種基于表決原理的參數(shù)估計(jì)技術(shù)。其基本原理是利用圖像空間的線和Hough參數(shù)空間的點(diǎn)的對(duì)偶性，把圖像空間中的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間，如圖3 所示。對(duì)于平面一點(diǎn)(x0,y0)有方程:

式中:r為直線極徑； θ為直線極角。任一組參數(shù)(r,θ)均代表一條通過(guò)點(diǎn)(x0,y0)的直線。對(duì)于給定點(diǎn)(x0,y0)，在以極徑r為縱坐標(biāo)，極角 θ為橫坐標(biāo)的平面內(nèi)繪出所有通過(guò)它的直線，將得到一條正弦曲線。對(duì)于平面內(nèi)3 個(gè)點(diǎn)，則存在3 條正弦曲線，曲線交點(diǎn)所表示的直線即為經(jīng)過(guò)這3 個(gè)點(diǎn)的直線。

圖3 Hough 空間轉(zhuǎn)換示意

Hough 變換通過(guò)設(shè)定閾值判斷是否存在直線。當(dāng)超過(guò)閾值數(shù)量的曲線相交于一點(diǎn)則可被認(rèn)為檢測(cè)到一條直線。Hough 變換算法抗噪性能好、擬合精度高，在圖像的直線提取中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.4 輸電線檢測(cè)

據(jù)文中1.3 節(jié)對(duì)Hough 變換檢測(cè)直線的原理描述可知，存在一種情況，當(dāng)線段的交點(diǎn)峰值達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)認(rèn)定該邊緣為直線。如圖4所示，由于這種虛假峰值的影響，經(jīng)Hough 直線提取到的邊緣不僅包含了屬于輸電線的邊緣，也含有由背景中樹(shù)木產(chǎn)生的邊緣。觀察大量圖像可知，輸電線在圖像中的分布往往比較規(guī)律，輸電線斜率、長(zhǎng)度以及距圖像原點(diǎn)距離集中在一個(gè)值附近。因此本文考慮使用無(wú)需提前設(shè)定條件的聚類(lèi)算法篩選雜線。在本文中將在極坐標(biāo)系下直線到圖像原點(diǎn)的距離稱(chēng)為直線的極徑。

圖4 Hough 變換直線提取結(jié)果

直線在圖像中的主要信息表現(xiàn)為直線的角度及長(zhǎng)度，而直線的極徑反映了直線在二維圖像中的相對(duì)位置，融合直線的角度及極徑信息可反映直線在圖像中的空間位置分布信息。對(duì)直線的長(zhǎng)度及空間位置分布信息進(jìn)行聚類(lèi)分析能夠最大限度保留輸電線的特征。本文首先對(duì)直線的空間位置分布信息進(jìn)行聚類(lèi)分析，進(jìn)而將其與長(zhǎng)度聚類(lèi)進(jìn)行級(jí)聯(lián)分析。聚類(lèi)結(jié)果如圖5 所示，無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)分析最大的問(wèn)題即為無(wú)法得知所得分類(lèi)結(jié)果的標(biāo)簽。對(duì)于一幅輸電線圖像，經(jīng)Hough 變換得到的直線參數(shù)數(shù)組中，在投票空間得票越高的直線參數(shù)是直線的可能性越大，同時(shí)其在存儲(chǔ)序列中的優(yōu)先級(jí)也越高。因此，算法程序調(diào)用時(shí)優(yōu)先返回的參數(shù)為輸電線邊緣的可能性最大，本文算法據(jù)此獲得聚分析結(jié)果的標(biāo)簽。

圖5 聚類(lèi)分析結(jié)果

圖6 為對(duì)直線進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果。其中圖6(a)為對(duì)直線長(zhǎng)度信息進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果。由于僅對(duì)直線的長(zhǎng)度進(jìn)行聚類(lèi)分析，無(wú)法去除長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)且不屬于輸電線的干擾線。因此由圖可見(jiàn)，除卻輸電線的邊緣，存在2 條長(zhǎng)度特征相近的干擾線。圖6(b)為對(duì)直線空間位置分布信息進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果，即對(duì)直線與圖像原點(diǎn)距離以及角度進(jìn)行聚類(lèi)分析。由圖可知，除卻輸電線的邊緣，還包含一條在輸電線附近且空間分布近似的干擾線。因此，對(duì)直線空間位置信息進(jìn)行篩選保留了與輸電線斜率近似且空間位置相近的直線，然而無(wú)法去除空間位置信息與輸電線一致且不屬于輸電線的干擾線。這些干擾線最終將會(huì)對(duì)輸電線檢測(cè)的準(zhǔn)確率產(chǎn)生重大影響。

圖6 聚類(lèi)信息比較

為保證直線提取的準(zhǔn)確率與魯棒性，本文提出基于級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法的直線提取算法，能夠?qū)⑸鲜? 種情況所描述的負(fù)樣本經(jīng)過(guò)重復(fù)篩選去除，提高了檢測(cè)精度。分別對(duì)直線的角度信息及長(zhǎng)度信息進(jìn)行聚類(lèi)分析之后，根據(jù)優(yōu)先返回的參數(shù)判斷類(lèi)別屬性。對(duì)同屬輸電線的聚類(lèi)結(jié)果進(jìn)行多重判斷，經(jīng)過(guò)3 次聚類(lèi)重復(fù)驗(yàn)證，確認(rèn)后則可認(rèn)為檢測(cè)到的結(jié)果為輸電線。圖6(c)所示即為經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法提取之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6(a)中的干擾線空間位置分布信息與輸電線不一致，圖6(b)中的干擾線長(zhǎng)度特征與輸電線不一致。可知，經(jīng)重復(fù)篩選后，干擾線得到了有效的篩除，與輸電線相關(guān)的直線被大量保留。

由于Hough 變換虛假峰值的影響，經(jīng)級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法篩選后得到的直線含有重復(fù)檢測(cè)的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，需要對(duì)不符合要求的重復(fù)直線進(jìn)行篩選。由于部分圖像中的直線并不一定完全平行，因此需要對(duì)每條直線間的距離進(jìn)行估算。

觀察大量檢測(cè)圖可知，重復(fù)線與準(zhǔn)確線斜率近似，故可通過(guò)計(jì)算其中一條線段的多個(gè)點(diǎn)至另一條直線的距離，求得平均值后進(jìn)行估算。2 條斜率近似直線的距離估算公式為

式中:A、B、C為二維直角坐標(biāo)系中直線一般式的參數(shù)；(xi,yi)為其中一條直線的任一點(diǎn)；n為取點(diǎn)數(shù)量。通過(guò)設(shè)定閾值D，當(dāng)＜D時(shí)認(rèn)為存在重復(fù)檢測(cè)問(wèn)題。

輸電線去重復(fù)算法流程如下:

1)載入輸電線圖像及直線參數(shù)；

2)估算第一條直線至其他直線間的距離；

3)篩選距離小于閾值的所有直線，最長(zhǎng)的一條保留，并刪除小于閾值的其他直線；

4)估算第二條直線至其他直線間的距離；

5)重復(fù)步驟3)、4)，直至最后一條直線計(jì)算完畢；

6)將最終得到的直線用矩形框標(biāo)記。

由于視角原因，本文采用的數(shù)據(jù)集中輸電線部分線段被樹(shù)木遮蔽，輸電線難以直接檢出。根據(jù)1.1 節(jié)輸電線的特征分析，得到電力線始終貫穿圖像且具有連續(xù)性的特點(diǎn)，本文依此特征預(yù)測(cè)輸電線走勢(shì)，將被遮蔽部分輸電線在圖中用矩形框標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，算法檢測(cè)得到的輸電線通過(guò)矩形框進(jìn)行標(biāo)記。

圖7 直線去重復(fù)

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所述方法的有效性，采集了100 組輸電線圖像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)集擴(kuò)充。對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集加入影響灰度變化的高斯噪聲，以及進(jìn)行影響輸電線空間位置特征的旋轉(zhuǎn)操作，共得到300 張圖片，以此為數(shù)據(jù)集進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，并分析算法檢測(cè)結(jié)果。本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下:

實(shí)驗(yàn)1:改變整體算法框架中的邊緣檢測(cè)算法，驗(yàn)證基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法準(zhǔn)確性；

實(shí)驗(yàn)2:改變整體算法框架中的直線檢測(cè)算法，驗(yàn)證基于Hough 變換的直線提取算法的準(zhǔn)確性；

實(shí)驗(yàn)3:改變整體算法框架中的直線篩選算法，驗(yàn)證基于級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法的直線篩選方法有效性；

實(shí)驗(yàn)4:針對(duì)不同天氣下的輸電線路，驗(yàn)證算法在不同光照條件下的魯棒性。

2.1 基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法在本文算法架構(gòu)下的準(zhǔn)確性，本文與文獻(xiàn)[7]中檢測(cè)輸電線時(shí)使用的Canny 邊緣檢測(cè)算法，以及文獻(xiàn)[10]中使用的Sobel 邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖8 所示。不同邊緣檢測(cè)方法對(duì)比結(jié)果如圖9～11 所示。

圖8 3 種邊緣檢測(cè)算法

圖9 方法1 檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

圖10 方法2 檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

圖11 方法3 檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

為了定性分析各類(lèi)方法的實(shí)際性能，采用精準(zhǔn)率(Precision)及召回率(Recall)2 種指標(biāo)去衡量每幅圖像的檢測(cè)效果。精準(zhǔn)率是檢索出的正樣本數(shù)與檢索出的總樣本數(shù)的比率，衡量的是檢索系統(tǒng)的查準(zhǔn)率；召回率是檢索出的正樣本數(shù)和所有的正樣本數(shù)的比率，衡量的是檢索系統(tǒng)的查全率。

精準(zhǔn)率計(jì)算公式為

召回率計(jì)算公式為

式中:PT為被檢索到的正類(lèi)；PF為被檢索到的負(fù)類(lèi)；NF為未被檢索到的正類(lèi)。由于每幅圖像中的輸電線數(shù)量不同，本文采用文獻(xiàn)[13]中的平均精準(zhǔn)率以及平均召回率衡量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9～11 中的(d)圖分別為采用圖8 中方法1、方法2 以及方法3 的運(yùn)算結(jié)果。由圖9(a)、圖10(a)、圖11(a)可知，Canny 算法對(duì)噪聲非常敏感，邊緣檢測(cè)包含大量無(wú)效邊緣，且輸電線長(zhǎng)度特征被部分破壞，不利于下一步的直線檢測(cè)。Sobel 算子較好地保留了輸電線的特征，同時(shí)邊緣被放大，以致圖中最右側(cè)的輸電線的長(zhǎng)度特征被樹(shù)枝切斷，不利于下一步的直線檢測(cè)。在輸電線間距過(guò)近時(shí)，由于經(jīng)過(guò)Sobel 算子邊緣檢測(cè)輸電線得到2 條具有明顯特征的邊緣，使得多條輸電線的邊緣重合，不利于最終直線篩選。而使用基于Hessian 矩陣的圖像增強(qiáng)算法能夠在保留輸電線完整邊緣特征的前提下，產(chǎn)生更少的不必要邊緣。由圖10(c)、(d)可知，經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)聚類(lèi)篩選直線，Canny 算法遺失了3 條輸電線，這對(duì)輸電線檢測(cè)產(chǎn)生的影響是無(wú)法挽回的。由于Sobel 算法檢測(cè)到的樹(shù)枝邊緣過(guò)大，以致遺失部分輸電線的長(zhǎng)度信息。圖9～11 中的(d)圖使用矩形框標(biāo)記最終檢測(cè)到的輸電線?？芍椒?PT=8、PF=0、NF=0 時(shí)，精準(zhǔn)率為100%，召回率為100%。方法2PT=5、PF=0、NF=3 時(shí)，精準(zhǔn)率為100%，召回率為62.50%。方法3PT=7、PF=0、NF=1 時(shí)，精準(zhǔn)率為100%，召回率為87.50%。

2.2 基于Hough 變換的直線提取算法準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Hough 變換在本文算法結(jié)構(gòu)下的準(zhǔn)確性，對(duì)比了文獻(xiàn)[14]、[15]中使用的LSD 直線提取算法，如圖12 所示。不同直線提取方法對(duì)比結(jié)果如圖13、14 所示。

圖12 2 種直線提取算法

圖13 直線提取方法1 過(guò)程及結(jié)果

圖14 直線提取方法2 過(guò)程及結(jié)果

圖13、14 中的(c)圖分別為采用圖12 中方法1 以及方法2 的運(yùn)算結(jié)果。觀察圖14(a)，圖像經(jīng)LSD 算法提取直線，在樹(shù)枝分叉處產(chǎn)生大量不屬于輸電線的干擾線，同時(shí)輸電線被分割為大量短線段。由于LSD 是一種局部提取直線的算法，對(duì)于直線相交情況，設(shè)置了每個(gè)點(diǎn)是否被使用，因此每個(gè)點(diǎn)只能屬于一條直線，若有相交必有至少一條直線被割裂為2 條。又因?yàn)槠渌惴ㄔ砘谔荻龋本€交點(diǎn)梯度值往往又較小，因此很有可能相交的2 條直線在交點(diǎn)處被割裂為4 條線段。由于局部提取算法自增長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)于長(zhǎng)線段被遮擋、局部模糊等原因經(jīng)常割裂為多條直線。因此使用LSD 算法提取直線將會(huì)得到大量斷線，輸電線的長(zhǎng)度特征相比于干擾線則變得模糊，不利于后續(xù)使用級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法對(duì)直線的篩選工作。而Hough 變換直線提取算法則不存在這種情況。

由圖13、14 中的(b)圖可知，經(jīng)級(jí)聯(lián)聚類(lèi)直線篩選之后，使用方法一的輸電線特征被全部保留，而方法二則產(chǎn)生了3 條不屬于輸電線的干擾線，以及遺失一根輸電線。圖13、14 中的(c)圖為最終結(jié)果，使用矩形框標(biāo)記。統(tǒng)計(jì)可知，方法一的識(shí)別結(jié)果為PT=10、PF=0、NF=0，精準(zhǔn)率為100%，召回率為100%。方法二的識(shí)別結(jié)果為PT=10、PF=6、NF=4，精準(zhǔn)率為62.50%，召回率為71.43%。

2.3 基于級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法的直線篩選方法有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證我們提出的基于級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法的直線篩選方法的有效性，對(duì)比了對(duì)不同信息聚類(lèi)分析的直線篩選方法，如圖15 所示。不同聚類(lèi)方法對(duì)比如圖16 所示。圖16(a)、(b)、(c)分別為采用圖15 中方法一、方法二以及方法三的運(yùn)算結(jié)果。

圖15 3 種聚類(lèi)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖16 不同聚類(lèi)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖16(a)為級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法篩選直線得到的結(jié)果，由圖可知，該場(chǎng)景下輸電線特征被完全捕捉，同時(shí)不存在漏檢、誤檢的情況；由圖16(b)可知，僅對(duì)長(zhǎng)度信息進(jìn)行聚類(lèi)，輸電線被完全保留，但是存在3 條長(zhǎng)度與輸電線相近的干擾線無(wú)法篩除，即PT=10、PF=3、NF=0；圖16(c)中僅對(duì)空間位置信息進(jìn)行聚類(lèi)，得到指標(biāo)PT=10、PF=1、NF=0，10 根輸電線均被檢出，但存在一條與輸電線空間分布相似的雜線未被篩除；圖16(d)為對(duì)圖像進(jìn)行去重復(fù)，將最終得到的輸電線用矩形框標(biāo)記。

圖17 為多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)輸電線檢測(cè)算法效果展示。表1 為其長(zhǎng)度信息、角度信息、位置信息的聚類(lèi)中心。

圖17 直線檢測(cè)效果展示

表1 聚類(lèi)中心數(shù)據(jù)

2.4 不同環(huán)境因素下的算法魯棒性驗(yàn)證

圖像類(lèi)算法在實(shí)際應(yīng)用中總是受到光線條件的影響，考慮到本文載體樹(shù)障清理空中機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間，基本不會(huì)出現(xiàn)光線昏暗的情況。但空中機(jī)器人在不同的天氣下均需要順利進(jìn)行作業(yè)，因此本文算法應(yīng)保證在不同天氣下的算法有效性。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比了在不同天氣情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖18、19 所示。采用的數(shù)據(jù)集包含了100張陰天獲取的圖像以及100 張晴天獲取的圖像。由圖18、19 可知，由于本文算法的高魯棒性，使得其在不同天氣條件下，均能夠有效地檢測(cè)出輸電線所在位置。

圖18 陰天直線檢測(cè)效果

圖19 晴天直線檢測(cè)效果

圖像背景也是影響算法有效性的重要因素之一。雖然本文由樹(shù)障清理空中機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)為研究出發(fā)點(diǎn)，但依然在復(fù)雜背景條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采用由上而下拍攝的常見(jiàn)輸電線路巡檢圖像，如圖20 所示。該場(chǎng)景具備房屋、雜草、耕地等復(fù)雜干擾。相較于自下而上拍攝的圖像，該類(lèi)圖像中往往包含了大量的干擾及更多規(guī)則的線狀特征。然而這些線狀特征與輸電線是毫無(wú)聯(lián)系的，因此通過(guò)對(duì)直線的長(zhǎng)度、角度及位置信息進(jìn)行聚類(lèi)分析，能夠適應(yīng)更多復(fù)雜環(huán)境下的輸電線檢測(cè)，具有較強(qiáng)的魯棒性。如圖20(d)所示，圖中6 根電力線均被檢出。同時(shí)本文展示了8 張?jiān)谄渌?lèi)型復(fù)雜背景下的檢測(cè)結(jié)果，如圖21所示。表2 為其長(zhǎng)度信息、角度信息、位置信息的聚類(lèi)中心。圖21(a)、(b)背景為枯草，(c)、(d)背景為荒地，(e)、(f)、(g)、(h)背景為綠植。在所示背景下，本文算法均取得了一定的效果。

圖20 復(fù)雜背景下圖像及檢測(cè)結(jié)果

圖21 不同復(fù)雜背景條件檢測(cè)結(jié)果展示

表2 復(fù)雜背景條件下聚類(lèi)中心數(shù)據(jù)

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為定量分析所有影響本文算法的因素，驗(yàn)證算法的魯棒性，對(duì)上述3 種實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)包含300 張輸電線圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

在邊緣檢測(cè)算法對(duì)比結(jié)果中，方法1 精確率為90.63%，召回率為90.33%；方法2 精確率為88.43%，召回率為67.96%；方法3 精確率為83.52%，召回率為71.83%。方法1 相較于其他2 種方式有明顯優(yōu)勢(shì)，Canny 算子對(duì)輸電線進(jìn)行邊緣檢測(cè)常出現(xiàn)斷線，不利于最終的輸電線檢測(cè)，因此精確率、召回率均較低。Sobel 算子檢測(cè)到的直線邊緣特征被放大，雙邊緣在輸電線之間距離過(guò)近時(shí)表現(xiàn)不佳。

在直線提取算法對(duì)比結(jié)果中，方法1 精確率為90.63%，召回率為90.33%；方法2 精確率為78.35%，召回率為84.59%。LSD 直線提取算法對(duì)圖像中的微小線段過(guò)于敏感，同時(shí)提取到的直線大多為短線，輸電線在這種情況下長(zhǎng)度特征不明顯，不易于將其與干擾線進(jìn)行區(qū)分。

在聚類(lèi)算法對(duì)比中，方法1 精確率為90.63%，召回率為90.33%；方法2 精確率為71.57%，召回率為93.59%；方法3 精確率為83.34%，召回率為92.71%?？芍?，方法2 以及方法3 的聚類(lèi)方式保留了絕大部分直線特征，算法召回率大于級(jí)聯(lián)聚類(lèi)直線篩選方法，但其去除不屬于輸電線的干擾線的性能不如級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法，級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法在犧牲微弱的查全能力的同時(shí)，一定程度上提升了算法的查準(zhǔn)率。相較于其他兩者，本文算法在綜合直線多特征信息的基礎(chǔ)上，大大提升了算法的魯棒性，使得其適用于大多數(shù)場(chǎng)景下的檢測(cè)需求。

本文算法在不同天氣情況下對(duì)比結(jié)果如圖22所示，兩者相差無(wú)幾。說(shuō)明在不同天氣情況下，本文算法均能夠發(fā)揮其效力，具有一定的魯棒性。

圖22 陰晴實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)樹(shù)障清理機(jī)器人實(shí)際工作場(chǎng)景，提出了融合直線空間位置分布特征及長(zhǎng)度特征級(jí)聯(lián)聚類(lèi)法的輸電線篩選方法。

1)采用基于Hessian 矩陣的邊緣增強(qiáng)算法進(jìn)行圖像預(yù)處理，采用Hough 進(jìn)行直線檢測(cè)。通過(guò)多信息級(jí)聯(lián)聚類(lèi)分析，將圖像由宏觀特征引入微觀。在常規(guī)采集條件下，能夠獲得的輸電線特征并不穩(wěn)定。在自然環(huán)境下，與輸電線特征相似的線結(jié)構(gòu)較多，在觀察其局部特征之后，可發(fā)現(xiàn)對(duì)直線的長(zhǎng)度、角度及位置規(guī)律進(jìn)行描述，可以有效區(qū)分輸電線與干擾線。通過(guò)對(duì)這一規(guī)律的數(shù)學(xué)化，能夠有效檢測(cè)輸電線。

2)經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，本文方法具有較高的魯棒性與準(zhǔn)確性，且在檢測(cè)出輸電線的同時(shí)能夠依據(jù)輸電線的走勢(shì)，預(yù)測(cè)被遮蔽部分輸電線的相對(duì)位置。

本研究成果還可以用于非接觸式輸電線路巡線作業(yè)機(jī)器人的沿輸電線路導(dǎo)航研究。