輸電線路小范圍運(yùn)行環(huán)境探測技術(shù)研究及應(yīng)用

嚴(yán)巧　黃豐　王樂天

摘要：為獲取最新輸電線路周邊運(yùn)行環(huán)境資料，本文以500kV蝶滄甲乙線#262號(hào)塔山體滑坡隱患區(qū)域環(huán)境勘測為例，探索利用無人機(jī)及圖像合成技術(shù)對(duì)輸電線路附近存在安全隱患、地形地貌發(fā)生較大變化的區(qū)域開展輸電線路周邊運(yùn)維環(huán)境探測，旨在形成一套現(xiàn)勢性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的三維地理信息圖，給線路運(yùn)維、搶修及隱患治理等工作提供技術(shù)支持。通過前期階段對(duì)無人機(jī)影像質(zhì)量進(jìn)行研究，在得出勘測輸電線路小范圍運(yùn)行環(huán)境所需設(shè)置軟件的參數(shù)范圍的前提下，使用無人機(jī)進(jìn)行航測，利用基于特征點(diǎn)的拼接方法對(duì)成果進(jìn)行影像合成的勘測成果（數(shù)字高程模型圖）能夠滿足線路運(yùn)維需要，并在工作中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：輸電線路；勘測；小范圍；應(yīng)用；無人機(jī)影像

Research and application of reconnaissance technology for small range operation environment of transmission line

Yan Qiao Huang FengWang Letian

Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co. Ltd.Guangdongfoshan528000

Abstract：To get the latest environment data of transmission line，this paper is based on the regional environment survey of 500kV DieCang # 262 tower landslide hazard phenomenon， exploring the use of unmanned aerial vehicle （uav） and 3D image synthesis technology to survey the region where exists safe hidden trouble or the topography changes greatly，as to form a set of picture with high accuracy processing and threedimensional geographic information，that provides technical support of line operations， repairs and hidden trouble management. Through the sduty of uav image quality in early stages， on knowing the small scale survey transmission line running environment under the premise of the range parameter setting software， using aerial drones to get the data based on the feature points of image stitching method for the synthesis of survey results （digital elevation model figure） to meet the needs of the line operations，and has certain application value.

Key words：Transmission line；Survey；Small scale； Application； UAV image

1 背景

2015年清明節(jié)期間，廣東佛山地區(qū)輸電線路桿塔附近發(fā)生3起山火事件，由于火勢較大，輸電巡視人員無法近距離了解線路設(shè)備狀況，使用無人機(jī)拍攝的照片也無法作為判斷設(shè)備運(yùn)行情況提供依據(jù)。有鑒于此，佛山供電局輸電管理所開展了輸電線路周邊運(yùn)維環(huán)境探測技術(shù)的研究工作，其目的在于借助無人機(jī)及影像合成技術(shù)，探測出輸電設(shè)施周邊環(huán)境情況，以便于在突發(fā)應(yīng)急事件時(shí)為緊急搶修提供決策依據(jù)。本文以500kV蝶滄甲乙線#262號(hào)塔附近山體滑坡為研究對(duì)象，探索利用技術(shù)手段探測塔基周邊運(yùn)行環(huán)境，為基礎(chǔ)加固補(bǔ)強(qiáng)提供決策依據(jù)，在評(píng)價(jià)其應(yīng)用價(jià)值后，在工程實(shí)踐中深入推廣。

2 無人機(jī)拍攝質(zhì)量研究

2.1 無人機(jī)拍攝成果評(píng)價(jià)

首先對(duì)無人機(jī)的拍攝圖像質(zhì)量進(jìn)行研究，分析其存在的缺陷，研究改善方法。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，目前無人機(jī)進(jìn)行拍攝得到的圖片存在傾角大、基線短、像幅小、重疊度不高等問題。因此，首先必須對(duì)無人機(jī)影像質(zhì)量有直接影響的影像重疊度、航線彎曲度及航高差這三大因素的研究。

在500kV蝶滄#262號(hào)塔基礎(chǔ)周邊山體滑坡為研究對(duì)象的分析工作中，通過調(diào)試、測試及計(jì)算，得到實(shí)地區(qū)域影像的平均航向重疊度為73.23%，平均旁向重疊度為54.3%，航線彎曲度為0.582%，相鄰像片的航高差為1.83米，以上數(shù)據(jù)均符合成像要求，且最大航高和最小航高之差為4.57米，此數(shù)據(jù)表面飛行時(shí)無人機(jī)的空中姿態(tài)十分穩(wěn)定。

2.2 無人機(jī)拍攝成果整合

在明確拍攝成果質(zhì)量后，第二步就是對(duì)空中抓拍的多張圖像進(jìn)行有機(jī)整合拼接，使其能夠真實(shí)反映飛行區(qū)域的地形地貌。

成果整合主要采用的是基于特征點(diǎn)的拼接方法，首先進(jìn)行圖像重疊度的估算，以此確定相片的拼接順序，減少不必要的計(jì)算工作。

基于特征點(diǎn)的進(jìn)行圖像整合的首要工作是特征點(diǎn)匹配，它是指在兩個(gè)具有重疊度的相片中尋找多個(gè)同名點(diǎn)。尋找同名點(diǎn)的方法多種多樣，但無人機(jī)存在空中姿態(tài)穩(wěn)定性差的問題，其拍攝的影像存在傾斜、變形、色彩不均勻等缺點(diǎn)，所以采用常規(guī)匹配方法通常誤差較大，有時(shí)無法進(jìn)行匹配。本項(xiàng)目采取的匹配方法就是SIFT匹配法，在匹配完成后需要對(duì)影像進(jìn)行重采樣，最后拼接成一幅完整圖像。

首先根據(jù)傳統(tǒng)SIFT特征匹配原理優(yōu)化了相關(guān)算法，主要在提取特征點(diǎn)提取工作之前通過估算相鄰影像間的重疊度縮小了搜索范圍。進(jìn)行圖像尺度空間極值點(diǎn)探測時(shí)，建立了適應(yīng)于UAV影像的最優(yōu)高斯核尺寸，克服了傳統(tǒng)SIFT算法采用固定核尺寸方法的缺陷，既減少了時(shí)間消耗，又盡可能多的獲得了特征點(diǎn)。

經(jīng)多次拼接實(shí)驗(yàn)表明上述方法在保證SIFT算法優(yōu)點(diǎn)，提升了拼接精度和效率。

3 山體滑坡研究

500kV蝶滄線#262號(hào)塔位于佛山市高明區(qū)的一處山坡上，經(jīng)連續(xù)幾日的強(qiáng)降雨，塔基周邊發(fā)生了山體滑坡情況。為快速獲取該滑坡處及附近區(qū)域詳細(xì)的地形測繪資料，基于拍攝成果分析結(jié)論，本次采用無人機(jī)進(jìn)行航測，同時(shí)檢驗(yàn)輸電線路周邊運(yùn)維環(huán)境探測技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的可行性。

3.1 前期準(zhǔn)備工作

首先明確了無人機(jī)拍攝圖像的相關(guān)原則。拍攝有效圖形范圍應(yīng)大于測圖范圍，旁向重疊度和像片航向應(yīng)分別為50%±5%和80%±5%，旋偏角要求不大于8°。影像地面分辨率應(yīng)與成圖比例尺相適應(yīng)，影像色彩飽和度適中，無暗影和光暈，單張影像陰影面積不得大于該影像總面積的1/3。

3.2 拍攝成果整合

圖像整合是指利用影像匹配技術(shù)（Image Matching Technology）識(shí)別獲得前后圖像同名定向點(diǎn)的影像坐標(biāo)，最后生成每個(gè)原始圖像的圖像點(diǎn)坐標(biāo)文件。在實(shí)際整合過程中，以第一張圖像的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，對(duì)其他同航帶像片進(jìn)行相對(duì)定向處理，具體步驟如下：

首先通過光束法進(jìn)行單航帶自由網(wǎng)平差，由此獲得單航帶定向點(diǎn)文件，對(duì)下條航帶做絕對(duì)定向，使下條航帶內(nèi)所有影像統(tǒng)一到上一條航帶坐標(biāo)系內(nèi)。

然后再對(duì)航帶進(jìn)行自由網(wǎng)平差計(jì)算操作，將生成的最新航帶定向點(diǎn)文件作為下條航帶的控制點(diǎn)。利用多視角圖像匹配技術(shù)，生成整個(gè)拍攝區(qū)域內(nèi)同名像點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.3 生成數(shù)字高程模型

基于無人機(jī)影像生成數(shù)字高程模型（DEM）的方法在行業(yè)內(nèi)已比較成熟，參照相關(guān)文獻(xiàn)即可，這里不再詳述。

在500kV蝶滄262號(hào)塔山體滑坡DEM中，可使用軟件工具對(duì)山體滑坡區(qū)域進(jìn)行測繪，能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場的救援工作。同時(shí)現(xiàn)場實(shí)際的山體滑坡區(qū)域值與測繪值誤差滿足現(xiàn)有的無人機(jī)航測作業(yè)規(guī)范，即驗(yàn)證了輸電線路小范圍運(yùn)行環(huán)境勘測技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的可行性。

3.4 220kV世藤甲乙線6號(hào)塔風(fēng)災(zāi)災(zāi)后勘測

2015年10月4日，佛山順德遭遇了五十年一遇的龍卷風(fēng)，造成220kV世藤甲乙線6號(hào)塔倒塔，因該塔位于江邊，為防止新建桿塔、重型機(jī)械進(jìn)場施工作業(yè)對(duì)河堤造成損害，所以需要對(duì)該受災(zāi)地區(qū)的地形地貌進(jìn)行精準(zhǔn)測繪，以獲取具有參考價(jià)值的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，作業(yè)步驟如3.1所述，現(xiàn)以PIX4D軟件介紹無人機(jī)航測的實(shí)際操作方法：

在現(xiàn)場使用無人機(jī)進(jìn)行航拍需時(shí)15分鐘，然后用專業(yè)的建模軟件對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行處理需時(shí)1小時(shí)可生成數(shù)字高程模型。該數(shù)字高程模型在這次抗風(fēng)搶修復(fù)電工作中所起到的顯著作用有以下兩點(diǎn)：

（1）新建桿塔的坐標(biāo)確定。新建的桿塔位置既要符合輸電線路的運(yùn)行要求，又要符合水利法規(guī)中對(duì)河堤穩(wěn)定的要求，通過數(shù)字高程模型可實(shí)現(xiàn)精確定位以達(dá)到兩者的要求。

（2）青賠區(qū)域確定。重型機(jī)械進(jìn)場施工需要給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民青賠，但經(jīng)常出現(xiàn)供電部門與農(nóng)民因青賠區(qū)域面積大小而發(fā)生分歧的情況，經(jīng)過數(shù)字高程模型測繪計(jì)算出準(zhǔn)確的青賠區(qū)域面積，雙方圓滿達(dá)成青賠協(xié)議。

4 小結(jié)

（1）本項(xiàng)目前期階段對(duì)無人機(jī)影像質(zhì)量進(jìn)行研究，得出勘測輸電線路小范圍運(yùn)行環(huán)境所需設(shè)置軟件的參數(shù)范圍。優(yōu)化了傳統(tǒng)SIFT特征匹配算法，實(shí)現(xiàn)了影像拼接的精度與效率的提升。

（2）佛山供電局輸電管理所后期又在110kV坑高線電纜通道土建驗(yàn)收中推廣應(yīng)用了研究成果，效果良好，達(dá)到預(yù)期。再次驗(yàn)證了輸電線路小范圍運(yùn)行環(huán)境勘測技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)的可行性，下一步將探索在更多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。

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作者簡介：嚴(yán)巧（1988），女，本科，電力工程師 ，從事輸電線路運(yùn)行管理工作。