[发明专利]一种输电铁塔鸟巢定位与故障预警方法

权利要求书

1.一种输电铁塔鸟巢定位与故障预警方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：

步骤1、获取存在鸟巢的输电铁塔正面彩色图像，进行图像灰度化及均值滤波处理，得到图像g；

具体过程是，

1.1)将彩色图像灰度化，

基于人眼视觉特性，根据重要性指标，产生加权平均值算法，将三个通道的灰度值赋予不同的权重进行加权平均，如下式(1)：

Gray(x,y)＝0.30R(x,y)+0.59G(x,y)+0.11B(x,y) (1)

其中，R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分别表示红、绿、蓝色分量，Gray(x,y)是根据R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)颜色分量以及颜色编码方法计算得到的亮度；

1.2)进行均值滤波处理，

g(x,y)＝mean{f(x+s,y+t)|s∈[-a,a],t∈[-b,b]} (2)

其中，s、t分别表示像素点横、纵向的移动量；a、b表示移动区间；(x,y)为图像像素坐标，f(x,y)为图像灰度化后各个像素点灰度值，g(x,y)表示均值滤波后各个点像素灰度值；

得到图像g；

步骤2、对步骤1获得的图像g进行Otsu分割并将目标映射到原灰度图像，得到输电铁塔图像H；

具体过程是，

2.1)对图像g进行Otsu阈值分割，

在灰度图像的灰度全局内[0,1,2,…,k-1]搜索一个阈值T，k为灰度级的个数，该阈值T可将图中的像素划分为前景区域D₁和背景区域D₂，并且使得D₁、D₂区域间的总方差取得最大值，见下式(3)：

其中，argmax是指使在[0,1,2,…,k-1]上取得最大值时T的取值，为D₁、D₂区域间的总方差，其计算如下式(4)：

其中，为D₁、D₂区域内部像素点出现的概率，为D₁、D₂区域内的平均灰度值，u为整幅图像的平均灰度值；

2.2)将进行了Otsu阈值分割后二值图像中铁塔区域，映射到原输电铁塔彩色图像中，得到背景被滤除，前景为灰度图像的输电铁塔图像H；

步骤3、对步骤2得到的输电铁塔图像H进行霍夫直线检测，通过直线检测锁定的各段直线具有其ρ、θ值，其中包括端点坐标及直线角度；依据ρ、θ值确定输电铁塔的横担，并得到横担区域的最大外接矩形及绝缘子串挂点坐标；

具体过程是，

3.1)获取霍夫直线检测结果的ρ、θ两参数组，

3.2)在ρ、θ两个参数组中，查找具有近乎同一θ值特点的两段直线段，以定位具有上、下平行边的双层横担，取下边沿左端点坐标(x₁,y₁)、上边沿的右端点坐标(x₃,y₃)，进而确定横担区域的最大外接矩形；

为易于计算绝缘子挂点坐标，进行坐标变换，其中，(x,y)为直角坐标系下某点坐标，ρ为极坐标系下极半径，θ为极角；公式(5)分别是极坐标系下直线方程，和由极坐标系转换至直角坐标系下的直线方程转换公式；

3.3)利用已确定横担下边沿的端点坐标，计算绝缘子串挂点坐标N(x_n,y_n)，计算如下式(6)：

其中，N(x_n,y_n)为绝缘子串挂点坐标，(x₁,y₁)为下边沿左端点坐标，(x₂,y₂)为下边沿的右端点坐标；公式(6)分别是计算铁塔正视图下边沿中点坐标公式，和拍摄角度有偏差时求下边沿中点坐标公式，本步骤取后者；

步骤4、以横担每一单元的长、宽为样例，创建类似尺寸的滑动模板套取横担中的像素点，计算模板区域的灰度共生矩阵，结合鸟巢样本作鸟巢相似性判断，确定鸟巢区域；

具体过程是，

4.1)以横担每一单元绗架占据的像素点数为依据，以像素点确定的绗架长、宽为样例，创建类似大小的滑动模板，其滑动动作也以输电铁塔图像H的拍摄角度为参考；

考虑到拍摄角度存在偏差时，该滑动模板横向以45像素、纵向3像素为步长，套取横担最大外接矩形区域内的像素点；

4.2)计算鸟巢候选区域提取灰度共生矩阵特征量，

熵是信息量随机性的度量，熵能够表明图像灰度分布的复杂程度，熵值越大，图像越复杂，定量计算如下式(7)：

其中，p(i,j)表示输电铁塔图像H所对应的灰度共生矩阵中，各个元素灰度值，e表示输电铁塔图像H所对应的熵信息；

ASM为输电铁塔图像H所对应的能量，如下式(8)：

其中，p(i,j)表示输电铁塔图像H所对应的灰度共生矩阵中，各个元素灰度值；

4.3)将预先准备大量鸟巢样本的灰度共生矩阵信息作为参考，计算各模板内图像的灰度共生矩阵；

结合样本信息，对模板区域内部进行相似性判断，若判断结果为伪鸟巢区域时，则处理下一模板区域；若判断结果为相似的候选区域确定为鸟巢区域，则将此时标记了鸟巢区域的整幅图像A进行记录；

步骤5、提取标记了鸟巢区域的整幅图像A，选取鸟巢区域上任意N个测量点，N≥5，依据最小二乘法原理，对整幅图像A中标记的鸟巢区域进行椭圆拟合；

具体过程是，

5.1)设平面任意位置处的椭圆方程为：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0 (9)

其中，(x,y)表示平面上任意一点的坐标，A、B、C、D、E是由椭圆非标准方程转换为标准方程时产生的系数；

再任取p_i(x_i,y_i)_{(i＝1,2,3,...,N)}为椭圆轮廓上N个测量点，N≥5，依据最小二乘法原理，所拟合的目标函数为：

依据最小二乘法原理，欲使得F为最小，需满足下式：

依据此方程进一步求解得到A、B、C、D、E的值；

5.2)通过求解得到的A、B、C、D、E的值，计算绝缘子拟合椭圆的位置参数，根据椭圆的几何知识，可知：

其中，A、B、C、D、E为标准椭圆方程系数，(x_m,y_n)为椭圆的中心点坐标；

步骤6、取得步骤5计算得到的鸟巢区域中心点坐标M(x_m,y_m)，及步骤3计算得到的绝缘子串挂点坐标N(x_n,y_n)，利用两点间距离公式计算挂点与鸟巢中心点间距，最终发布防范相关事宜或报警；

具体过程是，

6.1)获取步骤5计算得到鸟巢区域中心点坐标M(x_m,y_m)，和在步骤3中计算得到的绝缘子串挂点坐标N(x_n,y_n)；

6.2)根据两点间距离公式，计算已知挂点与鸟巢中心点的距离，如下式(14)：

其中，(x_m,y_m)为鸟巢区域中心点M的坐标，(x_n,y_n)为绝缘子串挂点N的坐标，|d'|表示两点间的最短的像素距离；

6.3)距离换算：

查看输电铁塔图纸可获取横担真实长度L，获取横担在整幅图像A中占据的像素点数Num_L，距离换算得到实际距离|d|，计算如下：

其中，L是横担真实长度，Num_L为横担在整幅图像A中占据的像素点数，2m为鸟巢故障防治原理的约定参数，|d|为挂点与鸟巢中心点的实际距离。