[发明专利]基于多时相阴影差异的高压线塔高度提取方法

说明书

本发明公开了一种基于多时相阴影差异的高压线塔高度提取方法，步骤如下：步骤1)利用高压线塔的阴影的光谱和形状特征，提取高压线塔阴影；2)基于高压线塔阴影提取结果，获取塔顶阴影点，并利用阴影在不同时相中的差异和阴影成像原理，建立方程组，求解得到塔顶垂直投影点；3)基于获得的塔顶阴影点和塔顶垂直投影点坐标，利用高度、阴影长度与太阳高度角之间的三角关系，并取两组高度值的平均值，作为最终的高压线塔高度。

技术领域

本发明是一项对地观测领域的技术，本发明基于高压线塔在太阳高度角较高时的阴影成像特点，并避免了因高压线塔架设环境不同而造成的复杂地表干扰，实现了高压线塔阴影的自动化提取和高度的高精度估算，是一项具有应用价值的高压线塔监测技术。

背景技术

无人飞行器在低空或超低空飞行中，越来越多的高压线塔、高压线等障碍物成为通航飞行中的重要安全隐患，此外，高压线塔是国家电网重要的基础设施，直接关系到电网安全。

目前高压线塔的高度通常采用点云数据建立3D模型进行直接高度测量，而遥感估算常用的方法为阴影法。阴影能够提供被照射地物的轮廓和高度信息，常用的阴影检测方法可以分两类：基于特征的方法和基于模型的方法。在基于阴影的高度估算方面，常用的方法可以被分为5类：简单剖面模型、简单几何模型、统计模型、几何位置模型和精准计算模型，这些方法分析了在不同情况下太阳高度角、太阳方位角、卫星高度角、卫星方位角与建筑物阴影、高度的关系，满足不同的条件下应用的需求。

上述方法在建筑物阴影提取与高度估算方法均取得了较好的效果，然而应用到高压线塔上仍存在一些不足。高压线塔的塔架、镂空结构，且架设环境多样，易受太阳照射角度、周围地物散射影响，形成的阴影在亮度和形状上与一般建筑物形成阴影不同。

考虑到以上问题，本发明分析了高压线塔阴影在不同太阳高度角下的成像特点，发现当太阳高度角较大时，高压线塔阴影具有特定的三角形形状，与一般建筑物阴影具有明显的差异。高压线塔的高度指高压线塔塔顶到塔顶垂直投影点的距离。根据阴影成像原理，在不同太阳方位角下，阴影均从塔顶垂直投影点向外延伸。基于这两个特点，本发明试图建立一种基于高压线塔阴影形状和阴影成像原理的高压线塔高度估算方法。

发明内容

本发明提出了一种基于高压线塔阴影形状和阴影成像原理的高度估算方法，突出了其与一般建筑阴影的差异，并利用阴影在不同时相中的成像差异提取塔顶垂直投影点，无需考虑架设环境多样造成的干扰。操作过程全自动化，有益于推广。该方法包括如下步骤：首先假定如下条件成立：(1)高压线塔阴影投射到平坦的地面；(2)高压线塔垂直于地球表面。

步骤1)利用高压线塔的阴影的光谱和形状特征，提取高压线塔阴影；2)基于高压线塔阴影提取结果，获取塔顶阴影点，并利用阴影在不同时相中的差异和阴影成像原理，建立方程组，求解得到塔顶垂直投影点；3)基于获得的塔顶阴影点和塔顶垂直投影点坐标，利用高度、阴影长度与太阳高度角之间的三角关系，并取两组高度值的平均值，作为最终的高压线塔高度。

进一步地，所述步骤1)提取高压线塔阴影方法如下：首先进行PCA变化，变换后，高压线塔阴影在第一主成分上位于两个波峰之间，依据此进行初步分割，将结果划分为非阴影区和初始阴影疑似区。其次采用8邻域判断方法，将初始阴影疑似区从面向像素转为面向斑块，并提取斑块边界。根据三角形形状特点：三个顶点到中心的距离最大，将边界上点到中心点的距离映射到极坐标下会产生三个峰值，即如果某斑块的距离曲线产生三个峰值则该斑块的形状为三角形。为避免初始阴影提取斑块轮廓不规则引起的干扰，利用采样和曲线拟合的方式进行平滑并对每个斑块进行2次“采样-多项式拟合-峰值计算”，若两次峰值判定均为3个，则判定该斑块为高压线塔阴影。