CN103149569B - 基于小波变换的激光雷达高压线识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，其特征是利用机载激光雷达扫描仪通过对地面进行扫描，获取反射回来的呈星云状密集分布激光点数据，机载激光雷达系统的测量数据不仅包括坐标点X、Y、Z坐标信息，还包括物体反射强度信息，输出RGB影像数据转换成灰度图后通过小波压缩，图像被多次分解为半分辨率的低频分量和整分辨率的高频分量，这样极大保留了高压线边缘所处的高频信息，极大压缩了无用的低频信息，将小波压缩编码后的图像数据发送至地面基站进行分析和记录，再由基站回传命令给机载设备对疑似高压线障碍物做扩散扫描，寻找高压线塔，以此确认是否存在真的高压线。本发明方法简单，精度高，易于实现。

Description

基于小波变换的激光雷达高压线识别方法

技术领域

本发明涉及一种小型无人飞行器低空飞行控制技术，尤其是一种低空飞行控制方法，具体地说是一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法。

背景技术

众所周知，小型无人飞行器低空飞行时容易与高压电线碰撞而坠机事故的问题，为了解决这一问题，人们采用了多种方法和手续，以下是常用的解决方案：

1.Robert J Fontana ,J F Larrick ,Jeffrey E Cade ,Eugene P Rivers Jr ,An Ultra Wideband Synthetic Vision Sensor for Airborne Wire Detection ,Proceedings of SPIE(Vol 3364),1998,2-10。

使用超宽带雷达，用极短的脉冲获得较高的分辨率，较宽的频带也能够探测到更多的目标，抗干扰性能也更好。缺点是由于脉冲能量小，作用距离有限。

2.Kazuo Yamamoto,Kimio Yamada,Obstacle Detection for Helicopter Flights by Infrared Images,Proceeding of SPIE(Vol 4363),2001,76-85。

作者采用高分辨率的红外探测相机（频带响应：8-12um）来获得图像，在此基础上通过图像分块、自适应动态范围扩展和方向滤波器的处理来增强目标与背景的对比度，最后用拟合出水平或近似水平的线来表示目标，作用距离为100~500米。缺点是无法判断目标的距离，易受恶劣天气影响。

3.K Schulz,S Scherbarth,U Fabry,Hellas:Obstacle Warning System for Helicopters,Proceeding of SPIE(Vol 4723),2002,1-8。

基于激光防撞雷达的直升机障碍物预警系统（HELLAS）,使用双轨扫描1.5mm激光雷达探测目标，距离则采用脉冲雷达测量，可以探测10mm直径电力线，探测距离为300~900m,但白天工作时太阳射线的干扰会降低系统性能，在恶劣气候条件下作战能力也有所降低。

4. V N Danovskii ,V Ya Kim, V M Lisitsyn , K V Obrosov ,S V Tikhonova。

Information Support of Low-Altitude Flight Safety , Journal of Computer and Systems Sciences International (Vol 46),2007。

使用毫米波雷达站和1.54um的激光定位雷达来探测目标。激光定位雷达可以优化低空飞行姿态，并检测多种目标如电缆、柱状物和电线等。根据实验，0.3~1.5km内的电力线可以被检测到。

5.孟华东，刘一民，胡晨曦 ，魏秩旻，基于图像处理的高压线识别方法，2010

以雷达点迹图作为输入，一次点迹凝聚，对凝聚后的点迹作领域分析，对每个点迹凝聚进行评分，根据评分判定高压线塔，在搜索出连续的高压线，进而确定高压线的分布域。 缺点精确度不够，容易误判。

目前常用的传感器有两种：红外传感器和普通雷达。它们各有优缺点：红外传感器可以测得目标的成像信息，测角精度较高，测量连续，目标识别能力强，但是它的作用距离较近，不能提供目标的距离信息；普通雷达具有全天候、测角和测距等优点，但是测角精度低，同时图像的数据量很大，为了加速无人飞行器与基站之间的数据传输，使用保留高频边缘信息的小波编码。

发明内容

本发明的目的是针对现有的低空飞行器对高压线判断效果差，易产生误判而与高压电线碰撞，发生坠机事故的问题，发明一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，它利用小波变换原理识别图像高压线提取边缘特征，从而加以定位。

本发明的技术方案是：

一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，其特征是在机载激光雷达的监测视频中通过高压线塔的特征，定位高压线塔的位置，估计出高压线位置，然后通过小波变换多分辨率分析，多尺度保留图像边缘的高频信息压缩低频段数据，达到边缘提取的目的,计算高压线的位置距离信息并发送至地面基站。它利用机载激光雷达扫描仪通过对地面进行扫描，获取反射回来的呈星云状密集分布激光点数据，机载激光雷达系统的测量数据不仅包括坐标点X、Y、Z坐标信息，还包括物体反射强度信息，输出RGB影像数据转换成灰度图后通过小波压缩，图像被多次分解为半分辨率的低频分量和整分辨率的高频分量，这样极大保留了高压线边缘所处的高频信息，极大压缩了无用的低频信息，将小波压缩编码后的图像数据发送至地面基站进行分析和记录，再由基站回传命令给机载设备对疑似高压线障碍物做扩散扫描，寻找高压线塔，以此确认是否存在真的高压线。

本发明的基于小波变换的激光雷达高压线识别方法包括以下步骤：

首先，通过同步控制装置定期给姿态测量装置和GPS动态差分装置发送一个同步脉冲,GPS将更新的定位信息同步发送给姿态测量装置；

其次，由姿态测量装置控制激光雷达扫描仪，测距仪器工作；

第三，测距仪通过发射激光，测量回波，计算与地面或障碍物的距离，并将测得的数据发送给数据采集装置；激光雷达扫描仪将扫描到的前方无障碍物图像先灰度化以后，再进行三级小波变换，以压缩无用数据，保留关键的障碍物边缘轮廓信息，以减少图像的数据量，然后也发送给数据采集装置；

第四，数据采集装置将收到的处理过的扫描图像数据和测距仪采集的数据发送给地面基站；如果发现有疑似高压线或线塔的障碍物，基站通过GPS接口通知扫描仪扩散扫描，判断有无连续高压线塔的分布，进一步确认高压线塔的连续分布位置，从高压线塔的位置排除非高压线的扫描误差，清晰估算出高压线高度距离信息；姿态测量装置将飞行器同步后的姿态GPS数据信息发送给数据采集器；动态差分GPS装置将差分后更新的飞行器定位信息保存在GPS接口模块中，并发送给地面基站；

第五，地面基站对接收到的飞行器数据综合分析后回传给姿态测量装置和GPS飞行导航装置；

最后，GPS飞行导航装置根据地面基站分析后的数据对飞行器的位置和速度信息进行矫正。

所述的GPS动态差分装置由地面的固定GPS基准站和飞机上的GPS流动站组成，固定GPS基准站实时地将数据传送给飞机上的GPS流动站。

所述的数据采集装置有两个工作模式，一个是记录模式，将所有数据记录到磁带机或硬盘之中，能显示影像和数据并报警，另一个工作模式是监视模式，通过人机交互进行数据检测、系统分析、质量检查、发出警报信号以及辅助系统调整工作。

本发明的有益效果：

1. 本发明通过加入同步脉冲，达到了多个仪器间数据的同步的目的。

2. 本发明利用图像处理中的三级小波变换技术压缩无用图像信息，保留高压线边缘的高频分量，压缩图像数据，达到加快图像处理和传输的时间。

3. 本发明为了提高地位精度，采用了实时差分。在地面设置一个GPS基准站，飞机上的GPS称为流动站，实时地将基准站上的有关数据传送给机上GPS接口。

4．本发明通过高压线塔位置，再进一步真正识别高压线的位置。

5. 本发明利用独立的GPS接口模块，实现了基站对机载GPS导航装置，GPS动态差分装置，姿态测量装置的控制与同步。

6.本发明方法简单，精度高，易于实现。

附图说明

图1是本发明的系统组成原理框图。

图2是本发明的三级小波编码过程示意图。

图3是本发明实施例的三级分解示意图。

图4是常见高压线塔的影像图。

图5是连续高压线分布影像图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-5所示。

一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，它包括以下步骤：

首先，利用现有技术构建一个如图1所示的识别系统，通过识别系统中的同步控制装置定期给姿态测量装置和GPS动态差分装置发送一个同步脉冲,GPS将更新的定位信息同步发送给姿态测量装置；

其次，由姿态测量装置控制激光雷达扫描仪，测距仪器工作；

第三，测距仪通过发射激光，测量回波，计算与地面或障碍物的距离，并将测得的数据发送给数据采集装置；激光雷达扫描仪将扫描到的前方无障碍物图像先灰度化以后，再进行三级小波变换，如图2、3所示，以压缩无用数据，保留关键的障碍物边缘轮廓信息，以减少图像的数据量，然后也发送给数据采集装置；

第四，数据采集装置将收到的处理过的扫描图像数据和测距仪采集的数据发送给地面基站；如果发现有疑似高压线或线塔的障碍物，基站通过GPS接口通知扫描仪扩散扫描，判断有无连续高压线塔的分布，进一步确认高压线塔的连续分布位置，从高压线塔的位置排除非高压线的扫描误差，清晰估算出高压线高度距离信息；姿态测量装置将飞行器同步后的姿态GPS数据信息发送给数据采集器；动态差分GPS装置将差分后更新的飞行器定位信息保存在GPS接口模块中，并发送给地面基站；

第五，地面基站对接收到的飞行器数据综合分析后回传给姿态测量装置和GPS飞行导航装置；

最后，GPS飞行导航装置根据地面基站分析后的数据对飞行器的位置和速度信息进行矫正。

机载激光雷达测量系统进行电力巡线时采集的激光点云，可以采集瞬间的输出电路走廊的情况，包括走廊走形、地物和线路设施设备空间信息，包括杆塔、挂载点位置、电线弧垂等。如图4所示。

高压线杆塔外型相对比较固定更容易被区分开来，见图4，主框架为头小脚大，三角型框架的特点，而且在分布上存在相关性。对于环境中突兀的高压线很容易识别出来。然后定位高压线塔的中间区域，重新扫描得到多条相对平行的高压线数据，见图5。

进一步向周边扩散扫描，得到相连的高压线塔分布，对离散的高压线点取一条均方误差最小的连续弧线，见图5。计算高度和距离，传给地面基站分析处理确定是否要改变飞行高度和速度。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，其特征是利用机载激光雷达扫描仪通过对地面进行扫描，获取反射回来的呈星云状密集分布激光点数据，机载激光雷达系统的测量数据不仅包括坐标点X、Y、Z坐标信息，还包括物体反射强度信息，输出RGB影像数据转换成灰度图后通过小波压缩，图像被多次分解为半分辨率的低频分量和整分辨率的高频分量，这样极大保留了高压线边缘所处的高频信息，极大压缩了无用的低频信息，将小波压缩编码后的图像数据发送至地面基站进行分析和记录，再由基站回传命令给机载设备对疑似高压线障碍物做扩散扫描，寻找高压线塔，以此确认是否存在真的高压线；具体步骤包括：

首先，通过同步控制装置定期给姿态测量装置和GPS动态差分装置发送一个同步脉冲,GPS将更新的定位信息同步发送给姿态测量装置；

其次，由姿态测量装置控制激光雷达扫描仪，测距仪器工作；

第三，测距仪通过发射激光，测量回波，计算与地面或障碍物的距离，并将测得的数据发送给数据采集装置；激光雷达扫描仪将扫描到的前方无障碍物图像先灰度化以后，再进行三级小波变换，以压缩无用数据，保留关键的障碍物边缘轮廓信息，以减少图像的数据量，然后也发送给数据采集装置；

第四，数据采集装置将收到的处理过的扫描图像数据和测距仪采集的数据发送给地面基站；如果发现有疑似高压线或线塔的障碍物，基站通过GPS接口通知扫描仪扩散扫描，判断有无连续高压线塔的分布，进一步确认高压线塔的连续分布位置，从高压线塔的位置排除非高压线的扫描误差，清晰估算出高压线高度距离信息；姿态测量装置将飞行器同步后的姿态GPS数据信息发送给数据采集器；动态差分GPS装置将差分后更新的飞行器定位信息保存在GPS接口模块中，并发送给地面基站；

第五，地面基站对接收到的飞行器数据综合分析后回传给姿态测量装置和GPS飞行导航装置；

最后，GPS飞行导航装置根据地面基站分析后的数据对飞行器的位置和速度信息进行矫正。

2.根据权利要求1所述的基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，其特征是所述的GPS动态差分装置由地面的固定GPS基准站和飞机上的GPS流动站组成，固定GPS基准站实时地将数据传送给飞机上的GPS流动站。

3.根据权利要求1所述的基于小波变换的激光雷达高压线识别方法，其特征是所述的数据采集装置有两个工作模式，一个是记录模式，将所有数据记录到磁带机或硬盘之中，能显示影像和数据并报警，另一个工作模式是监视模式，通过人机交互进行数据检测、系统分析、质量检查、发出警报信号以及辅助系统调整工作。