基于图像处理的输电线路覆冰厚度的技术研究

中 北 大 学 2013 届 论 文第 1 页 共 47 页基于图像处理的输电线路覆冰厚度的技术研究摘 要随着我国电力事业的不断发展，特别是我国开发西部强大的水电和煤电资源并实现西电东送、北电南送战略的目标，大量的输电线路要经过高海拔、重覆冰的地区,导致覆冰事故频繁发生。覆冰可以引起导线舞动、断线、倒塔及绝缘子闪络等重大事故，造成巨大的经济损失和一定的社会影响。及时开展防覆冰技术以及覆冰监测技术的研究，提出一些有针对性的预防措施和处理方法，对提高电力系统的安全运行将有积极意义和实用价值。本文介绍了一种基于图像处理技术的输电线路覆冰识别和厚度计算方法，该方法以采集到的输电线路覆冰图像为研究对象,通过调整灰度、中值滤波等方法对图像进行预处理，明显增加了图像的对比度，降低了图像噪声的干扰。在图像分割过程中利用 Hough 变换完成对输电线路覆冰的自动识别，并利用数学形态学进行边缘检测，最终依据像素统计法计算出覆冰厚度。最后，利用 GUI 创建了输电线路覆冰厚度监测系统。此外，针对现有输电线路覆冰厚度监测系统的不足，本文还提出了预测系数。根据输电线路自身因素和外部因素，计算出预测系数，通过预测系数可以综合体现输电线路覆冰的生长速度。覆冰监测系统根据输电线路的覆冰厚度是否超出规定的安全范围，决定是否进行报警。工作人员根据依据系数判断动作时间，以便及时采取应急、抢险措施,为电力系统的安全运行提供保障，使输电线路覆冰厚度监测系统的预测性更强。关键词：输电线路，覆冰厚度，边缘检测，预测系数，GUI中 北 大 学 2013 届 论 文第 2 页 共 47 页Technology Study Based on Image Processing To Calculate Transmission Line icing thicknessAbstractWith the continuous development of Chinas power industry，especially our country develops western powerful hydropower and coal resources and achieves western power to east and north power to south strategic objectives.A large number of transmission lines go through the high altitude， repeating ice region，which results in frequent icing accidents. Icing can cause conductor galloping, break down the tower and insulator flashover and other major incidents, leading to huge economic losses and certain social impact.Thus, carrying out anti-icing techniques and ice monitoring techniques timely and making some targeted prevention measures is needed, It will be very meaningful to improve the safe operation of the power system ,and have a positive significance and practical value.This paper describes a technique that is based on image processing to identify the transmission line icing and calculate thickness of ice. The method acquires a transmis- sion line icing image as the research object，and preprocesses this image by adjusting gray，medfiltering，and then significantly increases the contrast of the image，reduces image noise interference . During image segmentation，using Hough transform comp- lete the automatic identification of the icing transmission lines，using the mathematic- al morphology has a edge detection, and calculates the average diameter of ice thickn- ess through pixel statistics at last. Finally, using the GUI creates a transmission line icing monitoring system interface.In addition，according to existing transmission line for ice thickness monitoring system, this paper proposes a prediction coefficient. The prediction coefficient can entirely reflect the growth rate of the transmission line ice thickness .According to whether the transmission line ice thickness is outside the specified safe range,icing monitoring system decide the alarm. The staff judges the action time from the prediction coefficients .It will be convenient to take timely emergency response, emergency measures for staff ，and provide a protection for the safe operation of the 中 北 大 学 2013 届 论 文第 3 页 共 47 页power system. It makes monitoring system more predictable.KEY WORDS: transmission line，icing thickness ，edge detection ， predicted coefficient，GUI中 北 大 学 2013 届 论 文第 4 页 共 47 页目录1 绪论 .11.1 本课题的研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国内研究现状 .21.2.2 国外研究现状 .31.3 论文的主要工作 .42 输电线路覆冰成因及其危害 .52.1 输电导线覆冰成因 .52.2 输电导线覆冰形成条件 .52.3 输电导线覆冰分类 .62.4 输电导线覆冰的危害 .63 覆冰导线边界提取方法分析 .83.1 覆冰导线图像的预处理 .83.1.1 图像的灰度化及对比度调整 .83.1.2 图像的滤波 .93.2 覆冰导线的自动识别 .113.3 边界提取方法的选取 .123.3.1 传统检测算子对比 .123.3.2 现代检测算子对比 .144 输电导线覆冰厚度的计算及预警系统的建立 .174.1 输电导线覆冰厚度的计算 .174.1.1 直径平均法 .174.1.2 像素法 .184.2 预警等级的划分 .194.3 预测模型的建立 .204.3.1 圆柱形覆冰模型 .20中 北 大 学 2013 届 论 文第 5 页 共 47 页4.3.2 翼型增长覆冰模型 .214.3.3 预测系数 .215 输电线路覆冰厚度监测系统的搭建 .245.1 监测系统的建立 .245.2 监测系统操作步骤 .266 总结与展望 .29附录 A .30附录 B .32参 考 文 献 .39致 谢 .41中 北 大 学 2013 届 论 文第 6 页 共 47 页1 绪论1.1 本课题的研究背景及意义随着我国电力事业的不断发展，特别是我国开发西部强大的水电和煤电资源并实现西电东送、北电南送战略目标的确定，大量的输电线路要经过高海拔、重覆冰的地区,导致覆冰事故频繁发生。覆冰可以引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆(塔)、断线及绝缘子闪络等重大事故,给社会生产和生活带来极大不便,同时也造成了巨大的经济损失 1。近30年来,大面积覆冰事故在我国各地时有发生,国家电网运行管理处统计资料表明,2006年1月至2007年6年,由覆冰引起的50OkV线路跳闸13次,占总跳闸数的8.84%,由覆冰引起的50Okv线路非计划停运4次,占总停运次数的11%。2008年1月中旬-3月,中国南方大部分地区和西北地区东部出现了建国以来罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻的极端天气，在全国范围电网造成36740条10kV及以上电力线路、2016座35kV 及以上变电站停运，10kV及以上杆塔倒塌及损坏310321基，其110kV-500kV有8381基，导致3330多万户、约1.1亿人口停电 6。2013年1月，低温冰冻灾害天气造成南方459条输电线路覆冰，6条线路停运，广西4市14县出现低温冰冻灾害，灾害共造成受灾人口2931万人，紧急转移安置人口155万。导致覆冰事严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，从而造成巨大的经济损失和一定的社会影响。因此，及时开展防覆冰技术以及覆冰监测技术的研究，提出一些有针对性的预防措施和处理方法，可以减小社会经济损失，对提高电力系统的安全运行将有积极意义和实用价值。本课题主要利用采集的实际输电线路图像，利用数字图像处理相关技术对其进行处理和分析，提取覆冰状态和边界，进而利用导线的覆冰图像求其覆冰厚度，原理简单，操作方便，准确性和可靠性较高 34。输电线路覆冰状态的自动识别和超限告警,为保证电力系统安全运行提供了一种新的直观而准确的手段。本课题的开展将有助于电力企业建立自然灾害预警系统，进一步提高电力系统信息化水平和安全运行水平，为我国电力系统的发展做出重要的贡献。中 北 大 学 2013 届 论 文第 7 页 共 47 页1.2 国内外研究现状国内外科研人员对导线覆冰进行了大量研究 6，其研究主要分成四大类：第一类是输电线路覆冰观测及分析研究，第二类是输电线路覆冰预测模型研究，第三类是输电线路覆冰在线监测技术研究，第四类是输电线路防冰除冰技术研究。1.2.1 国内研究现状中国各设计，科研及运行单位也进行了大量研究工作，取得了许多卓有成效的成果 5。华北电力大学采用光栅传感器来代替传统的电阻应变传感器，并建立了基于数据融合的线路覆冰量计算模型而获得了不错的效果。沈卫康等将基于ZigBee协议的无线传感网络应用于线路覆冰监测系统中实现数据的传送。ZigBee 网络的特点有：可靠、时延短、网络容量大、安全、功耗低、成本低、优良的网络拓扑能力。周灿梅等提出了一种线搜索算法对不同背景下覆冰电缆图像进行处理而获得线缆覆冰厚度。中国对覆冰的观测也做了大量工作，但由于对观测站建设的投入不足，设备落后，人员不稳定，所以缺少全面、系统和持续的工作。建立覆冰观测站基本上都是从80 年代初开始的。云南省电力设计院在昆明太华山、东川海子头及昭通大山包建立了三个观冰站，于1981 年12 月开始观冰。西南电力设计院在四川省大凉山美姑县境内建立了黄茅埂观冰站，从1982 年起连续进行了10 多年的观测，观测和分析了输电线路覆冰的气象条件，500kV 试验线路不均匀覆冰、覆冰振动、舞动、脱冰、跳跃，以及电线覆冰随高度变化等内容。此外，江西庐山、井冈山、陕西秦岭、湖南郴州等地也建立了不同类型的观冰站，为重冰区线路的建设积累宝贵的历史资料。2008年雪灾之后, 覆冰在线监测技术受到普遍重视, 一些覆冰在线监测装置上线运行。但总的来说, 目前国内借鉴国外的技术比较多, 成熟的比较少。考虑因素较全面且有代表性的在线监测系统是 2005 年西安交通大学、西安工程大学、西安理工大学、西安通信学院和西安金源电气有限公司共同研制成功的基于全球移动通信系统(GSM)短信业务(SMS)的输电线路导线覆冰在线监测系统。该系统通过安装在输电线路上的摄像机和各种传感器获得输电线路覆冰的图象信息、输电线路导线的重力变化、杆塔绝缘子的倾斜角、风偏角、导线舞动频率等信息以及线路现场的温度、湿度、风速、风向、雨量等气象信息，再将这些信息或数据通中 北 大 学 2013 届 论 文第 8 页 共 47 页过 GSM 通信模块发送到计算机后台(监控中心)，计算机后台通过这些数据并利用专家软件来计算得出输电线路目前的覆冰状态及其发展趋势 10。该方法可以说比最初的在线遥测方法又进步了很多。它综合考虑了输电线路导线的重力变化、杆塔绝缘子的倾斜角、风偏角、导线舞动频率以及线路现场的温度、湿度、风速、风向、雨量等气象信息，因此其对输电线路导线覆冰厚度的计算精确度较最初的在线遥测方法有了一定的提高。该输电线路覆冰在线监测系统于2005 年10 月在西安金源电气有限公司研制成功，并于2006年2月在山西省忻州供电公司的重覆冰区安装试运行，目前设备运行良好。在除冰防冰方面，2010年7月，中铁电气化局集团公司自主研发的防覆冰电力导线获得国家知识产权局授予的实用新型专利证书（授权公告号CN201522862U） ，成为我国第一个具有完全自主知识产权的防覆冰电力导线专利。1.2.2 国外研究现状国际上研究覆冰走在前列的国家有加拿大、日本、俄罗斯、芬兰、美国、法国等。这些国家不仅划分了线路覆冰分布图、对导线覆冰进行长期观测、在实验室研究覆冰机理，而且制定了覆冰的测试标准、抗冰设计规程，采取了一系列有效的措施和方法。如法国为了研究雾淞在导线上凝结的机理，在多姆山省1465m 高的山顶建立观测站和开口式运行自然冷云风洞，这是世界上第一个自然环境条件下的覆冰实验室。日本东京电力公司因为要在易覆冰的山区建设高压线路，需要确定适当的覆冰条件，因此在康托区周围的山区设置了观冰站。美国寒区工程与研究实验室于20 世纪80 年代初在华盛顿山山顶建设了一条模拟输电线路，并安装了各种监测设备，以监测各种覆冰情况。加拿大安大略省和魁北克省是重冰区，为此，魁北克水电局在Mont-Belsir 的一条735kV 线路上建立了覆冰远程监控系统，将其开发的结冰率表安装在绝缘子串上检测冰荷载，同时它还能记录温度、风速、方向和降水量等，数据可远程传送。法国电力部门为了提高1995-2005 年间的供电质量，对于特殊的湿雪和雾淞建立了全国20 年一遇的参考数据库，提出了选用数据的几个准则。俄国人对各种高度导线覆冰情况进行了长期监测，布琴斯基B.E 对各种覆冰图形进行了比较详细的研究，包括截面形状、冰晶结构、外型特征等。俄罗斯“-”公司与 （技术改进局）联合研制了冰风负载传感器,该传感器可用于早期发现导线和线缆覆冰，目前中 北 大 学 2013 届 论 文第 9 页 共 47 页在俄罗斯中部主网伏尔加-顿河支网伏尔加格勒市的在运输电线路上试运行。近年来，国外学者主要对导线覆冰预测模型进行了系统研究 8。国外比较经典的数学模型有：Lenhard 模型，Chaine-Skeates 模型，Kuoiwa 模型，McComber-Govoni 雾凇覆冰模型等。随着计算机技术的进一步发展，研究者引入了更为复杂的湍流模型，使之更加接近实际情况。目前采用的最广泛的湍流模型是由 Launder 和 Spalding 提出的标准 k-e 模型。 Lozowski、Makkonen 等人对覆冰表面热平衡过程进行了深入全面的研究建立了热平衡方程。随着计算流体力学的发展，不规则物体气流绕流问题得到解决后。对于覆冰的数值模拟开始转向不规则冰形的模拟。2004 年 FuPing 开发了专门针对导线覆冰计算的模拟软件。该软件除了能获得导线覆冰量之外，还能够模拟导线覆冰形状，并且考虑导线覆冰过程中的扭转问题。1.3 论文的主要工作 本课题利用图像处理技术，对导线有覆冰情况和无覆冰情况进行分析，通过提取导线覆冰前后的边界轮廓获取覆冰导线的特征尺寸，然后通过模型计算最终得到等效覆冰厚度，最后与设计值比较，判断是否进行超限报警，将采集到的信息显示到提前设计好的 GUI 界面，以便直观地获取导线覆冰及其他相关信息。主要工作的具体步骤如下：1.分析导线覆冰的机理、成因及覆冰条件，总结导线覆冰的影响因素、覆冰种类、时空分布特点以及线路覆冰引起的灾害。2.对覆冰图像进行预处理后，对比各种输电线路覆冰边界识别方法和覆冰厚度计算方法，选择适合本课题研究内容的算法。3.对导线覆冰进行危险等级划分，并综合外界环境因素，研究覆冰导线的预测模型，提出预测系数。4. 设计 GUI 界面显示整个图像处理过程，能快速直观对结果进行分析和显示，达到监测的目的。中 北 大 学 2013 届 论 文第 10 页 共 47 页2 输电线路覆冰成因及其危害2.1 输电导线覆冰成因导线覆冰的成因有很多,主要有气象条件、导线直径、海拔高度、地形及地理条件、导线悬挂高度、水滴直径、电场强度等 15。（1） 气象环境的影响：当温度不高于时，大气中的小水珠将发生过冷却；甚至在夏季高空水滴也会发生过冷却，空气中过冷却水珠与被过冷却水珠包围的输电线路发生撞击，并冻结在导线表面而形成覆冰。（2） 导线直径的影响：在常见的不大于m/s 的较小风速下，直径小于或等于4cm 的较细输电线，相对较粗的输电线其单位长度覆冰量比相对较细的导线重，对于直径大于4cm 的较粗输电线，其单位长度覆冰重量反比较细的导线轻；在大于8m/s 的较大风速下，对于任何直径的输电线，输电线越粗覆冰越重，但覆冰厚度是随输电线直径的增加而减小的。（3） 海拔高度的影响：在一个条件相同的地区，一般海拔高程越高，越易覆冰，覆冰也越厚，且多为雾凇；海拔高度较低处，其冰厚虽较薄，但多为雨凇或混合冻结。（4） 线路走向及悬挂高度的影响：由于冬季在我国大部分地区吹西风或北风，所以东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重。因此，在重覆冰地区选择线路走向时，应尽量避免输电线呈东西走向。（5） 导线表面电场强度的影响：根据大量采集到的现场数据及理论计算，当电场强度较小时输电线覆冰量、密度及冰厚随电场强度增加而增加，当电场强度足够高时，输电线的覆冰会大量减少，覆冰量与电压极性有显著关系；此外，在强电场作用下，导线覆冰的密度也较无电场时小。（6） 季节的影响：输电线覆冰主要发生在11月至次年3月间，尤其在入冬和倒春寒时覆冰发生的频率最高。在每年1月和12月份，大部分覆冰地区平均气温达到最低，但由于湿度相对较小，输电线覆冰较轻。在每年11月份、2月底到3月初，覆冰地区平均气温有所升高，但由于湿度较高，输电线覆冰较1月份严重。2.2 输电导线覆冰形成条件导线覆冰的形成首先由基本气象条件决定，如湿度、温度、以及风速等都对中 北 大 学 2013 届 论 文第 11 页 共 47 页覆冰有一定的影响。所以导线覆冰首先应具备以下气象条件 16：（1）温度在0以下且空气中存在过冷却水珠。（2）空气相对湿度比较高，一般在85以上。（3）风速为1 m/s10 m/s，这样可使空气中过冷却水珠运动。但是具备了上述基本气象条件后，空气中的过冷却水珠并不是都能够在导线上形成覆冰。要想在导线上附着结冰，还应该满足以下两个条件：（1）过冷却水珠被导线捕获，这是流体力学过程，由流体力学定律所决定。（2）过冷却水珠立即冻结或在离开导线表面前冻结，这是热力学问题，由覆冰表面的热平衡方程所决定。2.3 输电导线覆冰分类线路覆冰按形成分类 12,通常有:雨淞,大气中的过冷却水滴在导线的迎风面形成的清澈光滑透明的覆冰。 其密度大于0.8 g/ cm 3,坚硬,附着力很强，在其生长期不会因振动而脱落。雨淞覆冰是最严重的一种覆冰形式,导线形成雨淞后,不论厚度如何,如因天气下雪或雾淞覆冰将导致导线覆冰迅速增长, 且因其密度大,产生的机械负荷也最大。混合淞 ,通常是过冷却水滴在导线的迎风面形成的雨淞与雾淞混合冻结，交替重叠的冰层或似毛玻璃的不透明冰层。密度0.50.9g/cm 3,坚硬,附着力强。由于混合淞的密度大, 如果连续长时间的发展就可能对输电线路造成严重损坏。雾淞,大气中的水气在过饱和时,附着或升华凝结,形成放射状的结晶为雾淞,密度0.10.3g/cm 3, 附着力很弱，轻微的振动就容易脱落。一般情况下, 雾淞覆冰引起输电线路的断线或倒塔等重大事故的可能性较小。积雪,由自然降雪附着在导线上形成的，有干、湿雪之分。因为雪片表面有水膜存在，雪附着在输电线上,逐渐增厚。干雪不会附着在导线上。干雪密度小于 0.1g/cm3,附着力很弱；湿雪密度0.10.5 g/cm 3, 附着力较弱。2.4 输电导线覆冰的危害根据对输电线路覆冰事故的分析，覆冰线路的危害主要有以下类 17。第一类为线路过荷载事故。由于覆冰造成的线路过荷载事故主要有导线和架空地线从压接管内抽出；外层铝股全断，钢芯抽出；也有整根拉断或耐张线夹出口附近导线外层断若干股的事故。悬垂线夹船体在型螺丝附近断裂，也有拉线中 北 大 学 2013 届 论 文第 12 页 共 47 页楔形线夹断裂造成倒杆事故。因弧垂增大，导线对地间距减小而造成闪络事故；也有因地线弧垂增大，因风舞动造成与导线互碰、烧伤及烧断导地线的事故。对于杆塔线路的主干来说，因断导地线使得杆头顺线路方向折断，或因导地线不对称布置，在垂直线路方向将塔头折断的事故更为严重。覆冰会破坏基础，有下沉、倾斜或爆裂而引起塔身倾斜或倒杆。第二类为相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰造成的事故。对于导线和地线来说，相邻档不均匀覆冰或不同期脱冰都会产生张力差，使导线在线夹内滑动，严重时将使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂、钢芯抽动，造成线夹另一侧的铝股发生颈缩，拥挤在线夹附近，长达1-20m（悬垂线夹和耐张线夹均有此类情况发生）。不均匀覆冰的张力差是静荷载，而不同期脱冰属动荷载，这是二者的不同之处。其次，因邻档张力不同，直线杆塔承受张力差，使绝缘子串产生较大的偏移，碰撞横担，造成绝缘子损伤或破裂。再次，当张力差达到一定程度后，会使横担转动，导线碰撞拉线，电气间隙减小，使拉线烧断，杆塔在失去拉线的支持后倒塌。第三类为绝缘子串覆冰造成频繁冰闪事故。冰闪是污闪的一种特殊形式。绝缘子在严重覆冰的情况下，大量伞形冰凌桥接，绝缘强度降低，泄漏距离缩短。融冰过程中，冰体或者冰晶体表面水膜很快溶解污秽中的电解质，形成导电水膜，引起绝缘子串电压分布及单片绝缘子表面电压分布的畸变，从而降低了覆冰绝缘子串的闪络电压。融冰时期通常伴有的大雾，使大气中的污秽微粒进一步增加融化冰水导电率，形成冰闪。闪络过程中持续电弧烧伤绝缘子，引起绝缘子绝缘强度降低。第四类为覆冰导线舞动损坏电力设备。导线覆冰不均匀形成所谓新月形、扇形等不规则形状。当风速在420m/s，且风向与线路走向的夹角45时，导线便有了比较好的空气动力性能，在风的激励下发生驰振，诱发舞动。轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动，甚至倒塔，对输电线路安全运行危害很大。中 北 大 学 2013 届 论 文第 13 页 共 47 页3 覆冰导线边界提取方法分析在覆冰监测系统中，远端输电线路的覆冰情况依靠摄像头进行监控，并将图像传送到计算机上。因此，摄像头的摄像效果关系到覆冰导线的边界提取，同时为了保证数据传送量不致过大，一般都采用工业摄像头。 3.1 覆冰导线图像的预处理在实际环境中，导线处在自然环境下，图像背景是一般都不是非常理想，再加上光照、天气的影响，这样最终由监测系统处理的覆冰导线图像一般都含有一定的噪声。就算是在模拟气候室内拍摄的导线图像也会因为光线、背景等原因而产生一定的噪声。这些噪声在导线覆冰图像预处理过程中会对边缘的提取产生不利影响，有时可能会产生伪边缘，从而使边缘检测精度下降，甚至无法找到准确的边缘。因此，在进行边界提取之前，首先必须对采集到的原始图像进行预处理18，关键是抑制图像中的噪声干扰，增强图像对比度，从而降低后续步骤难度并保证得到清晰地图像边界。3.1.1 图像的灰度化及对比度调整对比度增强是增强技术中一种简单但又十分重要的方法 8。这种方法是按一定的规则逐点修改输入图像每一像素的灰度，从而改变图像灰度的动态范围。对比度增强包括线性变换与非线性变换。线性点运算的实质是：如果原图像的灰度范围是 m,M,希望变换后的图像 的灰度范围是n.N，则可(,)fxy (,)gxy以设计如下的变换：（3-(,)(,)NngxyfxymnM=1）单纯的线性变换有时无法满足要求，为此我们可以利用非线性变换。常用的非线性变换为对数变换或 Gamma 校正。对数变换常用来扩展低值灰度。期一般表达式为：（3-2）(,)clog(,)1fxyfxy=其中，c 为常数。实际采集到的覆冰图像为 RGB 图像，要对图像进行处理，首先必须将其灰度中 北 大 学 2013 届 论 文第 14 页 共 47 页化并进行一定的对比度调整。从而有利于边界的提取，如下图所示。图 3.1（a）是在中北大学校内拍摄的导线覆雪图像，3.1（b）是对应的灰度直方图，3.2（a）是调整对比度后的导线覆雪图像，3.2（b）是对应的灰度直方图。3.1.2 图像的滤波目前，主要的滤波方法有均值滤波、中值滤波和自适应滤波。均值滤波器是一种常用的线性平滑滤波器，其像素输出值是由邻域像素的平均值决定的。而中值滤波是一种非线性滤波技术,由于实际计算过程中并不需要图像的统计特性，所以比较方便。它是基于图像的这样一种特性：噪声往往以孤立的点的形式存在，这些点对应的像素数很少，而图像则是由像素数较多、面积较大的小块构成。在一定条件下，可以克服线性滤波器所带来的图像细节模糊，如图像边缘细节，而且对滤除脉冲干扰及图像的扫描噪声最为有效。但是对一些细节对，特别是点、线和尖顶多的图像不宜采用中值滤波的方法。为了尽可能的保留关键的边缘信息，（a） 原覆雪图像 （b） 覆雪图像直方图图 3.1 对比度调整前覆雪图像及直方图（a） 对比度调整后覆雪图像 （b） 对比度调整后覆雪图像直方图图 3.2 对比度调整后覆雪图像及直方图中 北 大 学 2013 届 论 文第 15 页 共 47 页可采用动态的或自适应的局部平滑滤波。这样如果目标对象比较大时，能够得到较满意的图像细节特性。自适应魏纳滤波器将信号和噪声都看成随机信号，在对随机信号进行分析统计的基础上设计出符合最优准则的滤波器 8。首先对输电线路覆冰图像添加部分椒盐噪声，来模拟下雪天气，使滤波效果更接近于现实环境，具有更强的适应性。本文对图像进行的均值滤波、中值滤波和自适应滤波操作分别是通过 MATLAB 软件中的 imfilter 函数和、medfilt2 函数和 wiener2 函数实现的。以下图 3.3(a)是在中北大学校内拍摄的导线覆雪图像，为了便于比较均值滤波、中值滤波和自适应滤波的滤波效果，图 3.3(a)中人为地加入了一些噪声。图 3.3(b)是对图 3.3(a)进行均值滤波的结果，图 3.3(c)是对图 3.3(a)进行中值滤波的结果，图 3.3(d)是对图 3.3(a)进行自适应滤波的结果。通过上图 3.3 的对比与显示，中值滤波在去除图像噪声，特别是去除孤立点噪声以及图像边缘的细节保持方面的效果明显比均值滤波与自适应滤波的效果显著。所以，本文在对图像进行边缘提取之前均对原始图像进行中值滤波处理。（a） 加入椒盐噪声后的原图像 （b）均值滤波图像（c） 中值滤波图像 （d） 自适应滤波图像图 3.3 不同滤波方法对比中 北 大 学 2013 届 论 文第 16 页 共 47 页3.2 覆冰导线的自动识别在实际环境中,摄像头采集到的图像中可能包含多条导线或背景中存在树枝等干扰。为了得到清晰、干扰少的覆冰导线图像，需要将感兴趣的部分从原图像中分割出来。在分析图像中的干扰因素之后，发现其背景大部分包含树枝、杂草等。通过对比树枝、杂草与导线的形态特征，树枝、杂草大部分是弯曲的且错综交叉，而导线是笔直的。因此采用 Hough 变换提取出图像中最长的直线。Hough 变换属于特征提取技术，由 Paul Hough 于 1963 年提出，最初只是用于二值图像直线检测，后来扩展到任意形状的检测。现在常用的变换技术称作广义 Hough 变换，1981 年被 Dana H.Ballard 扩展后应用到计算机视觉领域。从图像中提取特征时，最简单也最有用的弄过于简单形状的检测了，比如直线检测、椭圆检测、圆检测以及其他类似的形状等。为了达到这个目的，必须能够检测到这样一组像素点，使它们位于拟定形状的边沿上。这就是 Hough 变换要解决的问题。最简单的 Hough 变换就是线性变换 5。假设在某个图像上存在一条直线，其表达式为 y=kx+b。显然，最能表示这条直线特征的就是其斜率 k 和截距 b，因此，这条直线在参数空间内可表示为（ k， b） 。这样只要观测到（ k， b）空间内的叠加程度就可以判断原始图像的共线情况了。因为 k 和 b 都是无界的，所以运用（ k， b）表示直线可能使问题变得病态。因此，为了避免这个问题，往往把它转为式（ r， ）这样的形式，其中 r 为原点到直线的距离， 为原点到直线的垂线的向量角。这样，直线的表达式可以转化为：（3-cosry=xini3）整理的：（3-r=xcos+yin4）在极坐标（r， ）中变为一条正弦曲线， =0，。可以证明，直角坐标x-y 中直线上的点经过 Hough 变换后，它们的正弦曲线在极坐标（r， ）有一个中 北 大 学 2013 届 论 文第 17 页 共 47 页公共交点。采用 Hough 变换提取出图像中最长的直线，即为导线的一部分，并对直线两端进行标记，记录其两端的横纵坐标。然后根据经验，在最长直线的上、下边缘对原图像进行分割，最后保存分割的图像。具体操作如图 3.4 所示。以上图 3.4 展示了利用 Hough 变换法对覆冰导线的自动识别。图 3.4（a）为原始覆冰图像，图 3.4（b）为 Hough 变换检测结果图，图 3.4（c）为直线标记图像，图像中直线的起点用黄色标记，直线的终点用红色标记，直线用绿色标记，图 3.4（d）为最终识别出来并分割的覆冰导线图像。3.3 边界提取方法的选取在图像中，边界表明一个特征区域的终结和另一个特征区域的开始，边界所分开的内部特征或属性是一致的，而不同区域的特征或属性是不同的，边缘的检测正是利用物体和背景在某种图像特性上的差异来实现的，这种差异包括灰度、纹理特征或颜色。边缘检测实际就是检测图像特性发生变化的地方 17。3.3.1 传统检测算子对比常用的边缘检测方法主要有 Sobel 算子、Roberts 算子、Canny 算子等传统(a) 原覆冰图像 (b) Hough 变换结果(c) 直线标记图像(d) 分割图像图 3.4 覆冰导线自动识别分割图中 北 大 学 2013 届 论 文第 18 页 共 47 页检测算子。Sobel 算子采用 3 3 邻域可以避免在像素之间内插点上计算梯度。这一算子把重点放在接近于模版中心的像素点。Sobel 算子两个卷积计算核Gx，G y，采用范数衡量梯度的幅度 。Sobel 算子对灰度xyGxy=maG（ ， ） （ ， ）渐变和噪声较多的图像处理的比较好。Roberts 算子为梯度计算提供了一种简单的近似方法。它是该点的连续梯度近似值，而不是预期点处的近似值。所以通常用 3 3 邻域计算梯度值。Roberts交叉算子如下：（3-5）(,)(,)1,)(1,)(,1)Gijfijfijfijfij用卷积模板表示方法，上式变成：（3-6）(,)xyijGCanny 算子是一种线性算子可以在抗噪声干扰和和精度定位之间选择的一种最佳折衷方案，它是高斯函数的一阶导数，对应于图像的高斯函数平滑和梯度计算。传统边缘检测算子的算法简单、计算速度快、易于实现，但也有明显的缺点，如对噪声敏感，在提取边缘的同时加强了噪声的干扰 8。图 3.5（a）是原覆冰图像，图 3.5（b）为对(a)图用 Sobel 算子得到的检测结果, 图 3.5(c)图为对(a)图用 Robert 算子得到的检测结果, 图 3.5(d)图为对(a)图用 Canny 算法得到的检测结果。（a） 原覆冰图像 （b） Sobel 算子检测结果中 北 大 学 2013 届 论 文第 19 页 共 47 页通过上图 3.5 的对比，Sobel 算子和 Roberts 算子处理结果中导线边界较明显且背景噪声较少，但是边界内包含的噪声像素点过多，边缘线过粗。Canny 算子处理结果中导线边界清晰但包含大量噪声，计算机无法计算导线厚度。3.3.2 现代检测算子对比常用的边缘检测方法还有基于小波变换的边缘检测方法 10、基于多尺度的边缘检测方法、基于数学形态学的边缘检测方法等现代检测算子。小波被誉为“数学显微镜”,在时域和频域都有良好的局部特性，以平滑函数的一阶导数作为小波函数对图像进行小波变换，小波系数的模极大值即对应图像的边缘图像的边缘。在小波分析中使用最多的是基数 B 样条函数，因为它具有最小可能的支撑区长度，并便于算法的计算机处理与实时实现。平滑函数的一阶导数适合做边缘检测，B样条函数可以很好的近似高斯函数。阶数越高越平滑，但相应的滤波器系数也加长，使计算复杂，边缘延拓增加，结构形式与 Gauss 函数相近的三次样条函数作为光滑函数，其导数是二阶样条，是反对称的函数，适合于阶跃型边缘的检测。小波变换的含义是：把一称为基本小波的函数 做位移 后，再在不同尺度 at（ ） 下与待分析信号x（t）做内积：a0 （3-7）*x1tWTa=xtda（ ， ） （ ）等效的频域表示是：（3-8）*jxaxaed2（ ， ） （ ）（c） Roberts 算子检测结果 （d ） Canny 算子检测结果图 3.5 传统边缘检测算子对比中 北 大 学 2013 届 论 文第 20 页 共 47 页式中，X（） ，（）分别是 x（t） ，（t）的傅里叶变换。传统边缘检测算法是假设边缘点对应于原始图像灰度级梯度的局部极值点,但是当图像含有噪声时,这些算法对噪声非常敏感,常常会把噪声当做边缘点一并检测出来,而真正的边缘由于噪声的干扰也可能被漏检而更细致的观察表明该定义通常是不能令人满意的，因为图像的纹理也是灰度的峰变点，但并不能把它们当作边缘。边缘与纹理的界限依赖于观察与分析的尺度，从而，人们提出了在不同尺度下检测边缘的方法 8。多尺度边缘检测是将图像 f(x)，通过一个函数 (x)的伸缩作卷积，然后使用 canny 算法实现图像的边缘检测。 计算上就是与两个小波函数 (x)的两个偏导数作用:（3-9）1=x（3-10）2y数学形态学边缘检测主要用到形态梯度的概念，虽对噪声较敏感但不会加强或放大噪声。数学形态学的主要运算有膨胀、腐蚀、开启、闭合。基于这些基本运算完成各种实用算法。现代检测算子总体来说计算速度慢，算法比较复杂，而且这些检测方法在边缘检测的应用领域还处在探索阶段，还有许多问题有待深入研究。基于小波变换的边缘检测方法是当前的热点。基于数学形态学的边缘检测方法在提取具有一定特征的边缘方面具有优势。图 3.6（a）是原覆冰图像，图 3.6（b）为对(a)图用基于小波变换的边缘检测方法得到的检测结果，图 3.6（c）为对(a)图用基于多尺度的边缘检测方法得到的检测结果，图 3.6（d）为对(a)图用基于数学形态学的边缘检测方法得到的检测结果。中 北 大 学 2013 届 论 文第 21 页 共 47 页通过上图 3.6 的对比,基于小波变换的检测结果中图像边界较明显但背景干扰噪声过多；基于多尺度的检测结果边界明显,但导线内部仍包含部分噪声，且边缘线较粗无法精确计算导线直径；基于形态学的检测结果边界明显且无干扰噪声，边缘线宽度只占一个像素点，导线直径计算精度大大提高。通过对比上述传统检测算子和现代检测算子的边缘提取效果，本文在对图像进行边缘提取时均采用基于数学形态学的边缘检测方法。(a) 原覆冰图像 (b) 小波检测结果(c) 多尺度检测结果 (d) 数学形态学检测结果图 3.6 现代边缘算子对比中 北 大 学 2013 届 论 文第 22 页 共 47 页4 输电导线覆冰厚度的计算及预警系统的建立输电导线覆冰预警系统的建立需根据其覆冰厚度进行判断，其厚度计算的精确度关系到预警系统报警动作的准确性。考虑到输电线路大多途径山区，对于不同的地形、海拔、高度、坡向等因素，冻结增长的程度各有不同，因此观测和预报时，需要全方位地反映输电导线周围的气象因素。4.1 输电导线覆冰厚度的计算在上文对覆冰导线图像的自动识别和预处理之后，通过对图像中像素点的统计，计算出导线覆冰厚度，最后用修正系数进行修正，得到最终厚度。输电导线覆冰厚度的计算主要有两种方法：直径平均法和像素法。4.1.1 直径平均法在提取图像中覆冰导线的边界后，通过对边缘图像进行列扫描和行扫描，记录下每列上边界和下边界的纵坐标，并求取上下边界之间像素点的个数，亦为该列的边界宽度，依次求出每列的边界宽度对其进行累加，最后求取平均值。此时的覆冰厚度只是像素值，需要利用实际导线直径对其进行标定从而得到覆冰厚度的真值 19。具体计算原理如图 4.1 所示(以覆冰后的导线为例)。中 北 大 学 2013 届 论 文第 23 页 共 47 页直径平均法计算原理图 4.1 中，p（x）表示导线直径所对应的像素点数；width1 为上边界的纵坐标值，width2 为下边界的纵坐标值，则边界宽度像素 n=width1-width2。则每列边界像素宽度依次为 n1、n 2、n 3，所以平均宽度像素 ，x 为图像123n+.=的总列数；另设导线直径为 D（m