利用无人机采集高压线图像检测电晕放电的研究

王 娟

（贵阳学院，贵州贵阳550005）

0 引言

近几十年来，人们对高压电线损耗的担忧明显增加，在最大的电力输送公司，工程师面临的主要问题就是对抗电晕放电，而电晕放电是一个自发的过程，当电压等于或大于其最小值时，它发生在曲率半径很小的电极周围。这个值取决于电极的几何特性和放电发生的环境。电晕放电产生的条件是在电极表面存在足够强的电场，它是由线路电压、导线直径、导线间距以及当时的天气状况等各种因素所引起的。电晕放电不仅会造成电力传输过程中的能量损耗，还会对无线电产生干扰，使有源电力线路产生巨大的损耗，使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物等强氧化剂和腐蚀剂，对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀。为了有效地跟踪和监视高压电线，使用固定翼无人驾驶飞行器（下称“无人机”）无疑是一个非常好的选择，无人机上配备光学摄像设备、发射机、接收机、传感器、输入输出设备等。

本文的大部分研究都是在Matlab中进行的，通过分析飞机发送的每一幅图像来检测这幅图像中的高压电线，主要目的是为无人机创建一个Matlab命令从获取的图像中检测到高压线路，然后通过Radon变换来实现线路还原。

1 Radon变换

Radon变换（拉东变换），就是将数字图像矩阵在某一指定角度射线方向上做投影变换。这就是说，可以沿着任意角度θ来作Radon变换。Radon变换可以理解为图像在空间的投影，空间上的每一点对应（x，y）空间中的一条直线。Radon变换可以用于直线检测，针对非二值图像，灰度值高的线段会在P空间中形成亮点，而低灰度值的直线会在P空间中形成暗点[1]。

在图像变换中，Radon变换的实质就是计算图像矩阵在某个方向上的投影。投影函数为：

式中，δ是Delta函数[2]。

结合直线方程，则Delta函数可以表示为：

例如图像矩阵如果是二维的，在某个方向上的投影，就是在其垂直方向上的线积分。

事实上，Radon变换最常用的是其逆变换，因为一个物体的投影可以通过光线照射得到。如果我们能得到该物体不同方向上的投影，就可以对这些投影图像进行Radon逆变换，来重建其二维结构或三维结构。

2 Radon变换检测直线

Radon变换是如何从图像中检测到一条直线的？基于Radon变换的直线检测就是检测角度变化时出现的“局部峰值”，即可确定直线的方向，同时，峰值大小能够确定直线上点的个数，如图1所示。

图1 雷达检测平行线

图1 中两个图像显示，每个点都有相应的正弦曲线。在Radon平面上，如果检测到有更多的点共线，它们的正弦曲线相交于一点，那么它就是直线[3]。

3 Matlab中的图像分析

Radon变换可以利用Matlab直接实现。首先将飞机上的光学传感器接收到的原始图像输入到Matlab中，之后需要将原始的图像转为灰度图像。利用Radon函数在消除摄像饱和度并保持亮度的情况下，将RGB图像转换为灰度图像。

Matlab中自带的Radon函数使用方法如下：

[R,x]=radon（F,theta）式中，F为待检测的图像，需为灰度图像；theta为检测的角度范围，通常取0:179；R为Radon变换的结果，是一个M×N的二维矩阵，M与x相等，是平行直线距离原点的距离（需结合原理理解），N是变换的角度范围，theta取0:179时，N为180。

变换后可对结果进行显示。进行Radon变换后，会得到一个二维矩阵，矩阵中峰值所在表征了原图中直线的信息，如图2所示，其中圈出的点表示峰值，只要检测出峰值所在的位置，就可以得到直线的位置信息。

峰值检测使用函数findpeaks（），由于该函数只能对一维向量进行检测，因此需事先对Radon变换结果进行处理：

J=reshape（R,M*N,1）;

图2 Radon变换图像

[PKS,LOCS]=findpeaks（J,'THRESHOLD',6）;

使用findpeaks（）函数时，可以通过阈值控制检测结果的个数。其中LOCS会返回一维向量中峰值所在的位置，根据原矩阵大小，我们可以计算出相应的直线信息：

d=mod（LOCS（i）,M）-（M-1）/2;

theta=fix（LOCS（i）/M）;

从图像中检测出一条直线，下一步的任务就是根据直线信息将直线在原图中绘出。图2中显示了应用Radon变换的最终图像，我们可以看到在Radon变换矩阵中有很强的峰值，这些峰值的位置对应于原始图像中的直线位置。

4 后续工作

在后续的研究当中，我们将尝试在采集图像的过程中添加适当的过滤器，以减少复杂的背景环境所造成的影响，只突出电力线路。我们还可以做的是使用Matlab编译器将Matlab代码转换为C++代码，翻译后的代码还可以编译成独立于Matlab运行的应用程序，或作为共享库与C++现有的任何一个应用程序相集成，也可通过Matlab引擎从C++程序中调用Matlab。