输电线路交叉跨越测量新技术

程登峰,张帆,潘建平

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院,合肥 230022; 2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 430079; 3.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400015)

输电线路交叉跨越测量新技术

程登峰1,张帆2,潘建平3

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院,合肥 230022; 2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 430079; 3.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400015)

通过利用双目测量原理,结合输电线路的特点,对输电线路交叉跨越测量新技术进行了探讨和初步应用。根据实验数据和实测数据,分析认为,利用双目测量系统跨越应用于输电线路交叉跨越测量。

双目系统;交叉跨越;测量

1 前言

随着同时输电线路的路径越来越复杂,输电线路经过山区、同一走廊内多条线路架设以及线路交叉跨越来越多。输电线路对附近树木放电以及对下方被交叉跨越物放电从而造成线路故障的实例越来越多,因此,在高温天气及大负荷下对交叉跨越的测量显得越来越重要[1]。目前,交叉跨越测量主要采用测距杆、超声波测距仪、激光测距测高仪、经纬仪、全站仪等[2-4],但各种测量方法均存在一定的局限性。如何快速简便高效准确的进行输电线路交叉跨越的测量是目前需要解决的一个重点课题。根据输电线路交叉跨越的特点,本文对利用双目系统[5-6]开展输电线路交叉跨域测量工作进行探讨。

2 理论研究及系统开发

根据摄影测量中的双目立体测量原理设计硬件测量设备、开发出对应的数据处理系统,以实现电力输电线路交叉跨越测量。具体的内容包括：

1)由两部相机组成的立体影像采集设备 (双目立体测量系统)。

2)一套数据采集和处理软件,包括：相机控制程序、系统检校、数据处理等功能。其中通过程序控制两部相机拍摄,自动将数据保存在计算机上;通过布设三维检校场检校两部相机内、外方位元素;开发的软件能实时取景,快速、准确的测量电力线对应的距离,其中使用基于核线约束、精确的电力线提取等算法保证测量的精度。

2.1 理论论证

双目系统一般主要用于近景摄影测量中,测距一般都较近,对于远距离的输电线路测量属于一种新尝试,需要考虑系统交会角、纹理单一等问题。

为了提高测量的精度,增大交会角,使用比较长的基线,同时为了提高远距离拍摄的影像清晰度,需要使用较长的定焦镜头。

要完成长距离的测量工作,需要精确知道双目系统中两部相机的内方位元素,和两部相机之间的相对位置关系,这个过程需要进行双目系统的精确检校。双目系统的检校采用布设三维控制场的方式进行检校工作,采用光束法平差精确解求两部相机的内外方位元素。

测量工作的另外一个技术难点就是输电线路上的同名点的选取,这是由于输电线路纹理匮乏不能使用传统的基于灰度的匹配方法自动寻找同名点。双目系统已知两部相机之间的相对位置关系,因此可以通过核线约束获得同名点。同时为了避免输电线路提取的过程产生双边缘的问题,采用基于相位一致性的输电线路提取方法准确提取输电线路的边缘。

2.2 硬件和软件设计

2.2.1 系统构成。

该双目测量系统包括双相机组成的立体影像采集设备、相机控制程序、数据处理软件三个部分,具体见图1。其中立体影像采集设备主要是立体相机部分,需要同步拍摄需待测量区域的影像。

图1 双目测量系统构成

2.2.2 软件设计

软件具有实时控制相机、检校双目系统、测量输电线路之间距离这三个功能。其组织结构如图2所示：

其中相机控制是指在计算机上控制相机拍摄、取景、参数设置等功能的程序。该程序能实时显示双目相机所拍摄的场景,方便调整拍摄的角度和位置;相机的快门也通过该程序控制,完成同步拍摄,最后自动地将数据保存在计算机上对应的工程中。检校程序提供影像上标靶的提取,内、外方位元素检校功能,将检校获得的参数自动的保存在工程文件当中,给测量提供已知数据。数据处理是指开发的测量目标地物的坐标、距离等信息的软件。在立体像对中的一幅影像上的输电线路上选取一个点,在另外一幅影像能准确通过半自动手段定位其在电力线上的同名点。

图2 软件结构

2.3 系统建设

2.3.1 硬件设计及加工

硬件采用便捷稳定设计,两部相机可以稳定固定在基线上,通过数据线和计算机连接。该过程充分考虑测量精度和稳定性要求,同时兼顾硬件的便捷性,便于搬运和携带。

2.3.2 软件设计与开发

软件使用VS2008软件开发平台实现软件编写。程序界面从左致右依次为树状视图、左视图、右视图。其中树状视图有两个标签页,分别显示检校信息和测量信息。检校和测量信息分别以树状视图的方式管理和显示。影像实现区域使用分割视图的方式显示,在OpenGL环境下同时显示两幅影像,对两幅影像可以同时进行编辑。视图区域同时有鼠标右键消息。

1)相机控制程序：相机控制程序是在相机自带程序的基础上开发集成,通过不同的相机ID识别每一部相机,在相机开机之后,连接到计算机上,相机的控制模块在主程序界面上实现,调用开发的NikonCtrl中的函数实现,具体的关系结构如图3：

2)检校：检校程序提供影像上标靶的提取、内外方位元素检校功能,将检校获得的参数自动保存在工程文件当中,给测量提供已知数据。具体的每个功能为：

图3 相机控制功能各个接口

a.量测靶点,切换到靶点量测模式,手动选影像上的标靶点 (高精度的标靶点半自动提取),对于量测的点,可输入每个点的点号。

b.控制点导入及解算,导入测量的三维控制点。从文件中批量读入固定格式的控制点坐标。使用整体平差的方法求相机的内方位元素参数及两部相机之间的相对位置关系,即两个相机的内方位元素、畸变参数、相机之间的相对位置关系和相对姿态。

检校的流程是,首先在影像上选取控制点对应的标靶的像点坐标,再导入控制点坐标,最后平差获得双目系统内、外方位元素。

检校功能需要调用检校和标靶中心提取两个模块的功能,同时涉及界面的操作。检校功能的实现是通过启动一个Task的方式,激活Task,则启动检校功能。各个部分结构的接口如图4：

图4 检校功能接口

c.测量,完成双目系统的检校或者已知双目系统分的内、外方位元素之后,则能够完成测量工作。测量的目标是量测拍摄的电力线之间或者是电力线和其他被交跨物体之间的距离,完成输电线路交叉跨越测量工作。测量模块的主要功能是能准确测量电力线和物体点的坐标。具体的功能有电力线的精确定位和拟合,核线的生成,点的三维坐标的计算,距离的量测。

其中选择目标点的过程有全手动和半自动两种方式。具体实现的过程也是通过一个Task的方式来实现,每次只有启动测量Task后才能选点,选点的方式是每次需要完成一对同名点选取之后才能自动计算该对点对应的物方点的坐标。距离的测量是在测量点完成之后可以计算任意两个之间的距离。

3 实验验证

为测试本系统的稳定性和可靠性,进行了多次实验。其中双目立体部分采用竖直基线的数据采集设备,开发完成了集数据采集、系统检校、数据测量一体的软件PowerMeasure。

该实验是通过计算机控制双目系统,即使用笔记本控制两部相机。将两部相机和计算机连接起来,保持相机开机状态。双目系统每次拆卸或者经过剧烈碰撞后都需要进行检校。

3.1 模拟数据测量实验

人工模拟电力线,使用全站仪测量电力线上的标记点,使用PowerMeasure测量电力线上对应的点。和全站仪测量的数据相比较,双目系统测量的最小误差是0.000 34 m,最大误差是0.025 m,中误差是0.015 m,和距离的相对误差优于1/1 000。

3.2 真实数据测量实验

使用上述检校的相机使用进行外业测量,测量地点为高铁线路附近,使用全站仪测量电力线之间的距离。使用全站仪测量了电力线上对应的点的距离。

使用PowerMeasure软件测量电力线之间的距离,测量的结果见表1：

表1 高压线路测量结果

本次实验测量距离50 m左右,其中有最大误差0.103 m,这是由于测量过程中有列车经过,使得电力线产生晃动。结果可以看出精度接近1/ 1 000,考虑列车经过使得电力线产生严重晃动对全站仪测量的影像,本次实验精度合理。

3.3 测量距离变化对精度影响

为了做出较为准确与客观的双目系统距离量测精度评估,并得到量测精度随量测距离的变化趋势,故采用了布设室外实验场地,利用先检校,后测量的方式进行现场实验。测试场景如下图所示,在不同平面和纵深方向共布设了四个标靶,并且在不同的距离进行像对的获取,然后用全站仪在独立坐标系下测得四个标靶的三维坐标,作为计算实际距离的观测值。将全站仪观测数据计算出来的距离与双目系统的量测出来的距离进行比较,可分析双目系统量测误差随量测距离的变化趋势。

使用双目系统测量的距离从45 m到150 m,拍摄了八组数据,分别测量了4对同名点,使用PM分别计算13-22(6-7),22-24(7-10),13 -24(6-10),13-49(6-12)之间的距离,如图8。和实际全站仪测量的数据进行比较。

测量精度与距离的关系如下图5所示,其中横坐标为拍摄距离,纵坐标为误差值。

图5 距离与误差的关系图

上述结果可以看出随着距离的变化,误差的总体趋势是递增,当测距超过120 m后误差会急剧增大,因此建议测量距离不要超过120 m。

4 结束语

通过对硬件系统的采用以及软件算法的改进,采用基于双目系统的输电线路交叉跨越测量系统能便捷准确的进行输电线路交叉跨越测量工作：

1)该系统能实现全自动和半自动同名点的选择,能准确进行点的定位;

2)该系统能自动计算不同点之间的距离、点与电力线以及电力线与电力线之间的最小距离,减少了操作人员的工作量;

3)该系统的测量测距达到50～100 m时,测量精度能满足要求。

[1] 高强.架空送电线路弧垂变化对交叉跨越物距离影响的探讨 [J].科技信息,2012(33).

[2] 卞玉萍,倪良华,郝思鹏,等.基于特殊环境中输电线路交叉跨越测量 [J].华东电力,2013,3(3).

[3] 钱红健.特殊地形下线路交跨距离的测量与计算 [J].中国新技术产品,2012(24).

[4] 解景元.浅谈线路验收中交叉跨越、净空距离和弧垂的测量方法 [J].北京电力高等专科学校学报,2011(8).

[5] 周星,高志军.立体视觉技术的应用与发展 [J].工程图学学报,2010,4.

[6] 陈念,李进,王海晖.双目立体视觉测量系统的研究与实现 [J].武汉工程大学学报,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,高级工程师,国网安徽省电力公司电力科学研究院,从事输变电设备技术管理工作 (e-mail)chengdf2000@aliyun.com。

张帆 (1982),男,讲师,武汉大学,从事测绘遥感技术研究 (e-mail)zhangfan@whu.edu.cn。

潘建平 (1976),男,副教授,重庆交通大学,从事遥感图像处理、地理信息系统和地质灾害研究 (e-mail)pjp2222@sina.com。