基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的輸電線路鐵塔關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 徐 錸 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司 劉 蕾 周大炎

在輸電線路施工立塔架線中，有些關(guān)鍵部位如地錨和高空塔材的位移和形變將對(duì)整個(gè)施工安全造成巨大影響。目前對(duì)這些關(guān)鍵點(diǎn)的位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還只是停留在人工觀察水平，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并給出預(yù)警；缺乏可用于立塔架線施工的對(duì)地面或高空關(guān)鍵部件進(jìn)行定位、并對(duì)位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裝置，因此亟需開(kāi)展深入研究。

1 立塔施工關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)方法的選擇

為滿足輸電線路立塔施工關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)的需要，要求測(cè)量距離不小于100米，定位重復(fù)測(cè)量精度高于3cm，反應(yīng)時(shí)間不大于2s，根據(jù)這些指標(biāo)選擇關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)方法。目前主流的位移檢測(cè)方法可分為接觸式和非接觸式兩類，其中接觸式傳感器有拉繩式位移傳感器、加速度傳感器、角度傳感器、液位計(jì)乃至應(yīng)變片等，這些方法常見(jiàn)于工程測(cè)量領(lǐng)域[1]。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要遠(yuǎn)距離地觀測(cè)和苛刻的測(cè)試條件，直接布置在結(jié)構(gòu)便可完成結(jié)構(gòu)位移的測(cè)量，但這對(duì)于一些場(chǎng)合反而不方便，如高聳桿塔架構(gòu)等，布置接觸式傳感器反而困難。

非接觸式結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法主要有地面測(cè)繪時(shí)使用全站儀方法、基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的測(cè)量方法、合成孔徑雷達(dá)（SAR）測(cè)量方法、激光雷達(dá)及地面測(cè)繪時(shí)使用全站儀和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的測(cè)量方法等。傳統(tǒng)的全站儀方法在測(cè)量精度和自動(dòng)化程度上不能滿足要求。GPS方法和SAR方法主要在應(yīng)對(duì)人跡罕至或?qū)嵉販y(cè)量難度較大的場(chǎng)景，測(cè)試精度可達(dá)亞米尺度，但很難達(dá)到厘米級(jí)精度，一般主要用于地形地貌的監(jiān)測(cè)、高聳結(jié)構(gòu)的位移測(cè)量等[2]。激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出到目標(biāo)對(duì)象的相對(duì)距離，并利用此過(guò)程中收集到的目標(biāo)對(duì)象表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速得到出被測(cè)目標(biāo)的三維模型以及線、面、體等各種相關(guān)數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云測(cè)量設(shè)備具備非常高的精度。從效果上來(lái)講，激光雷達(dá)維度（線束）越多時(shí)間測(cè)量精度越高、距離測(cè)量精度也越高，但成本也越大，不適合輸電線路施工的成本要求。

相比以上方法，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的結(jié)構(gòu)位移測(cè)量方法以其全場(chǎng)性、系統(tǒng)簡(jiǎn)便廉價(jià)性、高精度、快速性、非接觸性等優(yōu)勢(shì)，成為結(jié)構(gòu)位移檢測(cè)中的一種重要方法[3]。一方面隨著相機(jī)分辨率的提升和成本的降低，視覺(jué)監(jiān)測(cè)的成本降低而像素分辨力大幅提升；另一方面隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)的飛速發(fā)展，以圖像計(jì)算位移的方法獲得長(zhǎng)足發(fā)展，通過(guò)位移計(jì)算的后處理算法可以視覺(jué)方法的結(jié)構(gòu)位移測(cè)量精度提升至像素乃至亞像素量級(jí)，其中基于圖像相關(guān)的方法配合人為處理的高質(zhì)量散斑表面，甚至可將計(jì)算精度提升到百分之一乃至千分之一像素精度[4]。經(jīng)過(guò)測(cè)算，當(dāng)測(cè)量距離為120m時(shí)，使用普通的25mm鏡頭像素精度即可滿足3cm的要求。因此選用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法作為立塔施工關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)的方法。

2 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和計(jì)算流程

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的鐵塔位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為圖像采集、圖像處理和圖像識(shí)別三個(gè)模塊。計(jì)算系統(tǒng)硬件配置：處理器Intel Core I3-3110M，內(nèi)存8GB DDR3，硬盤(pán)空間500GB，顯卡NVIDIA GeForce GT 620M，網(wǎng)絡(luò)配置為寬帶網(wǎng)絡(luò)。操作系統(tǒng)Windows7 x64，開(kāi)發(fā)工具Visual Studio 2017；OpenCV 3.4.0，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C++。

圖像采集模塊包括電荷光學(xué)成像模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。光學(xué)成像模塊包括耦合器件（CCD）攝像頭和紅外模塊（包括光敏傳感器和紅外發(fā)射器）。攝像機(jī)快門(mén)速度1/60s至1/500s；分辨率800萬(wàn)像素，幀率25fps(0.04s)。當(dāng)光強(qiáng)大于0.02Lux時(shí)攝像頭為正常模式，直接利用外界自然光采集圖像。當(dāng)光強(qiáng)小于0.02Lux時(shí)攝像頭自動(dòng)切換為紅外模式，同時(shí)目標(biāo)鐵塔上的光敏傳感器控制鐵塔若干目標(biāo)點(diǎn)上的紅外發(fā)射器發(fā)射紅外光線，使得拍攝出的圖像較為清晰且突出特征。在電路系統(tǒng)采取信號(hào)采集單元脈沖同步、多路采集同步以及通訊傳輸同步等同步技術(shù)，提高實(shí)時(shí)性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，通用性強(qiáng)。由于計(jì)算機(jī)需要識(shí)別電信號(hào)，故將CCD模塊采集到的模擬信號(hào)和時(shí)序信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)USB2.0接口傳輸給計(jì)算機(jī)，確保了整個(gè)過(guò)程的穩(wěn)定性，通過(guò)同步技術(shù)及480M帶寬的USB2.0接口等提高了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

圖像處理模塊使用通用預(yù)處理流程進(jìn)行灰度化及平坦化。選用高斯濾波進(jìn)行圖像增強(qiáng)，精度高、實(shí)時(shí)性好。當(dāng)光強(qiáng)大于0.02Lux時(shí)無(wú)需對(duì)圖像進(jìn)行其他處理。光強(qiáng)小于0.02Lux時(shí)，需根據(jù)需求執(zhí)行暗通道先驗(yàn)去霧算法或Retinex算法來(lái)進(jìn)行相應(yīng)處理，使圖像更為清晰、突出重點(diǎn)，便于后續(xù)圖像識(shí)別。

圖1 關(guān)鍵部件位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算流程

圖像識(shí)別模塊計(jì)算關(guān)鍵部件的位移。當(dāng)光強(qiáng)大于0.02Lux時(shí)，首先使用Canny算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后進(jìn)行外輪廓檢測(cè)及提取，最后提取出圖像的質(zhì)心坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算相鄰圖像間質(zhì)心坐標(biāo)差，結(jié)合攝像比例尺求出實(shí)際位移。當(dāng)光強(qiáng)小于0.02Lux時(shí)采用特征點(diǎn)提取檢測(cè)方案。在圖像中選取感興趣部分（ROI區(qū)域），降低時(shí)間復(fù)雜度，在特征點(diǎn)檢測(cè)時(shí)選用AKAZE算法，結(jié)合特征點(diǎn)描述的ORB算法同時(shí)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行提取，得到相應(yīng)信息。最后運(yùn)用位移視差算法計(jì)算位移。得到的位移量與安全閾值進(jìn)行比較，若超出其范圍則根據(jù)一定的判定規(guī)則給出繼續(xù)觀察、報(bào)警等措施。

3 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試和應(yīng)用

基于上述方案，開(kāi)發(fā)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)際鐵塔的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，部分結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

從圖中可看出，除第四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)偶爾出現(xiàn)跳動(dòng)誤差外，其余四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均達(dá)到良好效果。在有人為移動(dòng)相機(jī)模擬干擾和故障情況時(shí)，系統(tǒng)也能做出正確反映。最終測(cè)試的位移誤差在迎光拍攝、背景干擾較大時(shí)仍能取被控制在單個(gè)像素之內(nèi)。像素分辨率達(dá)到了2cm，證明提出的計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法對(duì)位移實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)有效，所開(kāi)發(fā)的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及系統(tǒng)中使用的方案和算法能夠滿足要求，可用于對(duì)輸電線路鐵塔及其它類型的建筑關(guān)鍵部位在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)。