图像边缘检测在输电线巡检中的应用

摘要：输电线巡检是国家电网实现安全有效运行的重要环节，直升机巡检是国家智能电网建设的重要组成部分，利用边缘检测技术对直升机巡检中得到的大量输电线图像和视频进行自动处理、识别具有重要意义。本文首先介绍了电力系统输电线巡检，然后对图形边缘检测算法进行了探索和总结，最后阐述了边缘检测在输电线检测中的具体应用和检测流程。

关键词：输电线巡检 边缘检测 电力系统

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0138-01

1 电力系统输电线巡检

输电线路是国家电网中的重要组成部分，其主要作用是完成电能的输送，特别是作为电网主干线路的超高压输电线，对电网的安全稳定运行起非常重要的作用。目前，我国大多数输电线路长期暴露于户外，承受着自然界对其物理属性的不断腐蚀、破坏以及来自电力负荷的内部压力，这些因素都可能造成输电线各部件的老化和损坏，输电线路的破损是输电环节的重要安全隐患，因此，定期对输电线进行巡检并消除输电线路安全隐患是国家电网实现电能安全传输的基础[1]。

近几年为了满足各行业对电能的需求，我国高压输电线建设非常迅速，输电线路大量增加，并且很多高压输电线需要跨越通讯和交通盲区、穿越森林，这些因素给输电线路巡检带来了极大地不便，传统的人工巡线方式不仅巡检效率和巡检准确率越来越达不到要求，巡检人员作业也变得更加危险，传统的巡检方式已经不能满足输电线路的日常维护需要。直升机巡线是一种新的巡线方式，直升机巡线通过高清摄像机、红外热像仪、GPS定位设备以及智能巡检系统实时对输电线路进行检测和诊断，获取输电线路运行情况信息，可以实现对重点线路及可疑线路的仔细检查。利用直升机进行线路巡检时，直升机采集到的输电线路图像视频数据量非常大，工作人员不可能通过人工的方式根据图像来判断输电线路的正常与否，需要通过计算机视觉技术、图像处理技术等智能算法实现输电线路的巡检，其中输电线路部件的识别是实现智能巡检的重要组成部分，边缘检测是实现输电线路部件识别的重要方式[2]。

2 图像边缘检测

图像的边缘是图像灰度、纹理有剧烈变化的像素区域，图像边缘表明了一个区域的中介和另一个区域的开始，反映了物体的轮廓特征。图像边缘检测是根据产生图像灰度变化的物理过程来表示图像中灰度变化的过程称。因此，图像边缘也是计算机视觉处理领域和图像分析中的重要特征

在传统的边缘检测算法中，提取的边缘信息有连续和不连续之分，根据提取的边缘是否封闭，边缘检测可以分为封闭边缘检测和非封闭边缘检测。非封闭边缘检测可分为以下四种[3]：一是微分算子法边缘检测，对于灰度图像而言，图像边缘灰度值存在跳变，所以图像边缘处的一阶倒数处存在极值，二阶导数过零点，根据这种理论进行边缘检测的经典算子有：Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Laplacian算子等，这种边缘检测方法计算速度较快，但边缘定位精度不高。二是最优算子法边缘检测，最优算子是在微分算子的基础上提出的，该方法通过信噪比最优化来检测边缘，常用的最优算子有：LOG算子和Canny算子，最优算子进行边缘检测的优点是抗造性能良好，但存在计算量大的缺陷。三、拟合法边缘检测，该方法的基本思路是：用一组基函数的线性组合对图像的局部区域进行最小二乘法拟合，然后利用拟合参数得到边缘检测结果，该方法中基函数的选择至关重要，拟合法进行边缘检测计算量也非常大。四、以新兴数学理论为基础的边缘检测，这些方法的典型代表有：基于小波变换的边缘检测、基于人工神经网络的边缘检测、基于分形理论的边缘检测、基于遗传算法的边缘检测、基于支持向量机的边缘检测等检测算法。基于的新兴数学理论的边缘检测算法对于不同的图像检测效果不同，比如基于分形理论的边缘检测对于自然背景下人造物体边缘的检测效果较好，而在其他一些应用场合则检测效果不能令人满意。

封闭边缘检测算法的优势是无论图像质量，总能得到封闭的边界。其基本思路是用数学方法对边缘检测进行分析，在图像上定义一条轮廓线，通过对能量函数最小化，使得轮廓线逐渐运动到图像边缘。

3 边缘检测在输电线巡检中的应用

输电线图像边缘检测是对输电线组成部分进行识别以及缺陷诊断等图像高级处理的基础步骤，输电线路边缘检测分为输电线边缘检测和绝缘子边缘检测。在图像处理领域，不同的边缘检测算法对于不同类型的图像具有不同的适应性，具体的检测效果不尽相同。输电线图像具有自身的特点：（1）一般情况下，输电线图像的背景部分是森林、草地、河流等自然景物，背景纹理非常复杂。（2）输电线路的主要部件，如：输电线、防震锤、绝缘子，一般附在输电线路上。（3）直升机巡检形成的检测图像中，输电线是图像中最常的直线。（4）绝缘子具有丰富的纹理特征，并且具有周期性。（5）输电线不同部件所处区域和背景的对比度不同，但普遍存在对比度不高、目标和背景区分度不强的现象。输电线图像具有的这些特征使得对于输电线图像的边缘检测不同于传统图像边缘检测，检测算法也有所不同。

根据输电线图像的特点，输电线路边缘检测的一般流程是：首先，通过hough变换等算法检测图像中的直线部分，即为输电线，并在输电线附近给出一定范围，在该范围内包含绝缘子等重要部件，这样既可保证对重要部件不漏检，同时也能减少背景对目标的干扰；然后再输电线附近的范围内对绝缘子等输电线部件进行目标识别，提取输电线部件封闭的检测边缘；最后根据输电线各重要部件的边缘信息，诊断各部件是否出现故障等问题。对直升机巡检的输电线图形和视频数据进行边缘检测处理，即可自动化判别输电线和各部件的运行情况，能够极大地提高巡检效率和巡检精确率。

参考文献

[1]于德明，沈建，汪骏，等.进升机在电网运行维护中的研究与应用[J].电网技术，2009，33（6）：107-112.

[2]刘军营.直升机巡检输电线路图像边缘检测方法研究[D].辽宁：大连海事大学，2011.

[3]董红燕.边缘检测的若干技术研究[D].长沙：国防科技大学，2008.