李金哲

摘要：针对目标物间距-尺寸的远距离测量，为了提高巡检效率，研制远距目标尺寸测量系统。系统基于激光测距技术和图像处理技术，通过高清相机与激光测距仪获取目标物的像素点信息，由小孔成像原理推导尺寸计算公式得出目标物尺寸。系统框架采用便携式设计，通过无线数传模块使其具有远距离无线控制功能，可应用于车载及无人机等巡检平台。测量系统分别对室外52m、89m、132m三个距离处的目标进行验证测试，系统测量的尺寸误差分别为1.9%，2.2%，2.9%，试验结果验证系统在高压输电线路的巡检及其他远距离目标测量应用中能保证较高的测量精度。

关键词：远距目标;激光测距技术;图像处理;尺寸测量;

引言

目前，高压输电线路安全走廊通道的巡检与维护主要采用地面人工巡检和直升机巡检[1-2]。人工巡检劳动强度大，巡检工作主要在地面进行，对于空中高压输电线路与树木顶端的距离判断偏差较大，且因视线遮挡极易产生巡检盲区，森林疾病及野生动物也给巡视人员带来安全隐患。直升机巡检存在飞行安全隐患且巡线成本高，且因没有合适的远距目标尺寸测量机载设备，只能通过巡检图像大致估计高压输电线路与树木之间距离，限制了直升机巡检推广。

近年来激光测距技术和图像处理技术已经广泛应用于目标物尺寸测量测绘[3-4]。为了提高巡检效率，提供更加安全可靠的巡检方式，本文基于激光测距技术和图像处理技术研制了远距离目标尺寸测量系统，可应用于车载及无人机巡检。本文设计的远距离目标尺寸测量系统（以下简称“DMSRT”）则避免了目标物过小造成的瞄准困难，测量示意图见图1，采取了将激光照射在面积更大的区域获得距离信息，待测目标尺寸置于相机视场中完成拍照，随后完成测量计算。

1间距-尺寸测量原理

间距-尺寸测量算法基于小孔成像原理[5]推导得出，计算中需要获得清晰图像中的目标尺寸所占像素点个数，DMSRT使用两台激光测距仪发出两束平行激光形成参考点，高清相机采集视场中目标图像并获得目标尺寸的像素点个数，通过像素比例推算输电线路和目标（如树木）之间的间距和尺寸。

1.1垂直间距测量

式中：分别为图像中待测的垂直像素间距和两激光点像素间距;s、d分别为实际的垂直间距和两激光点的间距;是垂直间距在焦平面上的投影尺寸，θ为系统的俯仰角，垂直间距测量原理图如图2所示。

1.2尺寸测量

式中：h为待测的目标尺寸，h´为待测目标h所占像素个数，d为两激光点的间距，d´为d所占像素个数;l1、l2为激光测距仪的测量值，尺寸测量原理图如图3所示。

2硬件设计

根据测量原理，系统硬件主要由激光测距仪，高清相机，倾角传感器组成，系统构成见图4。其中，选用高分辨率高清相机，35mm等效焦距为28-100mm，光学放大倍率为3.6倍;激光测距仪的精度为1.5mm，测量范围为250m;倾角传感器的精度为±0.1°，测量范围为±90°。激光测距仪和倾角传感器通过RS232接口与PC控制端通信。

考虑到自动测量系统要满足能挂载在无人上的功能需求，所以设备壳体材料選用碳纤维，内部铝型材支撑，外形尺寸130*155*200，系统装置总重量为4kg。在无人机模式中，串口通信以及高清相机通过数传模块实现远距离通信。

3软件设计

3.1 激光位置标定

由于激光光点在远距离处较难被相机捕捉到，为了在所需要将激光光点位置在相机预览窗口中指示并最终保存在图像结果中。通过标定像素点个数d'、焦距位置F和目标距离L之间的关系完成激光点的跟踪。具体标定方式如下。

系统使用的相机可以标记当前焦距位置并返回数值F，F数值变化范围0～100。两台激光测距仪相对于相机中心对称布置，激光测距仪之间的安装距离d=126mm，尺寸d在图像中所占像素点个数d´随着目标物距离L以及相机的焦距位置F变化而不同。通过测试可以发现，若目标物距离L不变，d´与焦距位置F不完全成线形关系，若焦距位置F不变，d´与目标物距离L成线形关系。则像素点数d'可以通过式x求出。

其中，N10F是标定表中F焦距处像素点数，L是目标物距离。

3.2软件操作

相机预览窗口中，激光点的位置通过两个红色矩形框指示出。通过矩形框，控制装置的俯仰和方位，直到在目标区域返回距离值L。在拍照的同时，激光点的位置写入到图片文件中。系统控制软件界面见图5.

4自动测量系统应用及结果分析

该自动测量系统在经过室内标定测试后，超高压走廊线路进行了实用性检验，分别进行了52m，89m，135m三档距离的测试。结果见表1。

系统的测量误差主要来自相机与传感器的安装误差，标定时所产生的测量误差以及相机成像的稳定性。受到外界光照条件的变化，相机在成像质量上可能会出现质量下降的现象，从而造成像素点数的变化，从式中可知，当距离逐渐增大，像素点上的误差对精度的影响也将增大。但是从试验结果可以发现成像质量产生的误差对系统的精度影响很小。3档距离下的测试误差分别为1.9%，2.2%，2.9%，系统在三组试验中均保持了较高的测量精度。

5结论

远距目标尺寸测量系统能够实现高精度的远距离尺寸测量。与现有的测量方式相比，其具有更高的测量效率。自动测量系统不需要精确指向目标点，只需在目标物附近找到大小合适的激光反射面即可，避免了在经纬仪使用过程中需要精确调整镜头的操作。自动测量系统在完成相机拍照后，可保存包含距离、倾角数据的图像文件，从而实现离线多目标测量和追溯功能，该系统在测绘领域具有较大应用价值。

参考文献

[1]李晓舟，许金凯，于化东，孙之怀，刘岩.超高压输电线路巡线机器人结构设计与运动学仿真[J].长春理工大学学报：自然科学版，2009，32（3）：377-380.

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[3]张少军，艾矫健，李忠富，李长江，李庆利.利用数字图像处理技术测量几何尺寸[J].北京科技大学学报，2002，03：284-287.

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[5]韩延祥，张志胜，戴敏.用于目标测距的单目视觉测量方法[J].光学精密工程，2011，05：1110