基于視覺分析軟測(cè)量的礦區(qū)輸電線路線下樹障隱患識(shí)別

狄 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)電業(yè)有限責(zé)任公司 山西 大同 037003）

0 引言

輸電線路受到環(huán)境氣候影響、人類生產(chǎn)活動(dòng)及其它意外突襲干擾所造成的電網(wǎng)突發(fā)事故量也日趨上升。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來因外力破壞等危害線路安全運(yùn)行的事件約占35%以上，不僅帶來人員傷亡和設(shè)備毀損等直接財(cái)產(chǎn)損失，還對(duì)整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展帶來嚴(yán)重影響。因此，輸電線路預(yù)防外力突襲破壞已經(jīng)引起相關(guān)領(lǐng)域的高度重視。晉能控股煤業(yè)集團(tuán)電業(yè)有限責(zé)任公司現(xiàn)有輸電線路多處于高山樹林繁茂地帶，由于導(dǎo)線下方樹木生長過高，導(dǎo)線與樹冠之間空間垂直距離過近，導(dǎo)致線路跳閘停運(yùn)。線下樹障是樹閃事故多發(fā)的重要原因之一，對(duì)線路造成極大威脅．因此，構(gòu)建針對(duì)線下樹障隱患垂直凈空距離預(yù)判模型尤為重要。

1 現(xiàn)有線下樹木安全距離測(cè)量方式

目前對(duì)樹木和線路距離測(cè)量預(yù)警方式主要有：

（1）人工巡檢，實(shí)地走訪輸電線路桿塔，借助紅外測(cè)距工具遠(yuǎn)程測(cè)量樹木高度，然后計(jì)算樹木到線路的距離是否超過安全距離。人工巡檢效率低、成本高、及時(shí)性無法保證。

（2）通過固定翼無人機(jī)搭載三維激光掃描儀獲取輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取點(diǎn)云中電力線點(diǎn)并模擬出完整電力線，計(jì)算電力線與電力線保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)植被的歐式距離，將計(jì)算的結(jié)果與電力線安全規(guī)范比較得到樹障點(diǎn)或預(yù)警點(diǎn)等信息。無人機(jī)三維點(diǎn)云測(cè)量成本高、技術(shù)要求高。受目前無人機(jī)航時(shí)影響，仍需要到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，同樣效率低、及時(shí)性無法保證。

（3）樹高生長預(yù)測(cè)模型。需要對(duì)管轄區(qū)域的輸電線路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，采集典型樹種的基本信息（包括樹種、樹齡、郁閉度、數(shù)量、當(dāng)前樹高、當(dāng)前胸徑、當(dāng)前距離導(dǎo)線的水平距離和垂直距離等），根據(jù)理查德生長方程對(duì)樹木生長進(jìn)行預(yù)測(cè)。樹高生長預(yù)測(cè)模型要求詳細(xì)專業(yè)的前期勘察，建模受不確定影響較大，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性難以保證[1]。

對(duì)于礦區(qū)輸電線路線下樹木離導(dǎo)線的距離，除了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量外仍沒有較好的方法。軟測(cè)量是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)難以測(cè)量或者暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量，選擇另外一些容易測(cè)量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計(jì)的方法。本文采用視覺分析技術(shù)測(cè)量樹影、樹木、桿塔像素高度，根據(jù)光影幾何關(guān)系及焦距公式等數(shù)學(xué)關(guān)系，推斷樹木到線路的實(shí)際距離。

2 基于軟測(cè)量的線下樹木安全距離判斷方法

本文提出了一種基于視覺分析軟測(cè)量的輸電通道線下樹木安全距離判斷方法，主要通過樹木樹影幾何光學(xué)模型測(cè)量輸電線路下方樹木到導(dǎo)線的距離。通過已有的視頻在線監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取輸電線下樹木圖像，灰度邊緣多尺度提取樹影特征圖像，根據(jù)太陽方位角與坡向等數(shù)據(jù)建立樹高模型，與塔高、導(dǎo)線弧垂等數(shù)據(jù)計(jì)算樹尖到導(dǎo)線的距離，判斷是否需要清除樹障。本方法利用現(xiàn)已廣泛安裝的輸電線路在線視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取每半小時(shí)一張的現(xiàn)場(chǎng)視頻照片，根據(jù)已有的線路桿塔坐標(biāo)、塔高、線長等進(jìn)行視覺識(shí)別分析計(jì)算，具有無需去現(xiàn)場(chǎng)、無需知道何種樹木、實(shí)時(shí)監(jiān)控樹木高度及時(shí)預(yù)警的優(yōu)勢(shì)。

基于視覺分析軟測(cè)量的輸電通道線下樹木安全距離判斷系統(tǒng)通過軟硬結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)線下樹木距離的實(shí)時(shí)監(jiān)控分析。采用輸電線路視頻監(jiān)控裝置作為主要的數(shù)據(jù)采集來源獲取樹木、桿塔像素高度，并對(duì)采集到的大量線路走廊照片分析獲得樹影像素高度，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控設(shè)備攝像頭焦距參數(shù)，結(jié)合已知的桿塔高程、呼高等信息，進(jìn)而計(jì)算樹線高度，達(dá)到識(shí)別預(yù)警的目的。該方法的計(jì)算流程如下：

圖1 計(jì)算流

3 線下樹木樹影提取及測(cè)量方法

視頻監(jiān)控設(shè)備裝置安裝在桿塔一側(cè)，監(jiān)視對(duì)面桿塔及線路走廊。

圖2 視頻在線監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝位置示意圖

視頻監(jiān)控設(shè)備裝置拍攝獲取的照片能夠清晰的查看。

由于視頻監(jiān)控設(shè)備最快15分鐘會(huì)拍攝一張輸電走廊的照片。采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大量照片樣本建模，根據(jù)不同時(shí)間場(chǎng)景樹影變化分離提取樹影灰度特征，計(jì)算樹影和樹木的的像素長度，實(shí)現(xiàn)樹影的自動(dòng)提取。

圖4 大量樣本采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分離樹影特征

由于桿塔位置的經(jīng)緯度信息已知，QGIS可以通過高程數(shù)據(jù)信息計(jì)算出塔臺(tái)位置的坡度角，可以等效為傳輸通道下樹木的坡度角。同時(shí)，可以根據(jù)照片拍攝的時(shí)間信息計(jì)算出當(dāng)前的太陽方位角。幾何光學(xué)可以用來估計(jì)樹木通過陰影的高度。根據(jù)太陽的方位角和傾斜方向建立估算模型[2]。在圖5中,A為立木與坡度的交點(diǎn)，C為立樹影在坡度上的頂部,線段交流的中心軸是站在樹的影子,B是站在樹的頂部,E是BA點(diǎn)C的垂直投影,α是站的坡度角樹影子AC和β是太陽高度角。設(shè)樹高AB為H,BE段長度為LBE,AE段長度為LAE，線段EC為圖像上站立樹影的長度L。

圖5 樹影幾何模型計(jì)算示意圖

當(dāng)0≤θ＜90°時(shí)，

由三角形的性質(zhì)知:

將公式(2)和(3)代入式(1)中可得:

算法如下:

(1)從圖像時(shí)間和日期以及塔的位置獲得太陽高度角和太陽方位角；

(2)根據(jù)太陽的方位角，將矢量線段的方向設(shè)置為太陽光線的方向，從圖像中提取特征，對(duì)立木陰影的中軸線進(jìn)行矢量化；

(3)計(jì)算立木陰影矢量線段的長度，提取線段的端點(diǎn)；

(4)利用線段端點(diǎn)提取陰影兩端的高差，根據(jù)塔所在點(diǎn)的高程信息計(jì)算出立木陰影中軸線AC的坡度；

(5)計(jì)算A點(diǎn)和C點(diǎn)的坡度方向，求平均值得到坡度方向線EP，坡度方向線的投影為EF。計(jì)算坡線投影與太陽方位線的夾角θ；

(6)將從圖像中提取的坡度α、太陽高度角β和陰影長度L代入模型，計(jì)算樹高。

4 樹木安全距離測(cè)量方法

計(jì)算出樹高后，根據(jù)單攝像頭識(shí)別測(cè)距的方式可以獲得樹木到視頻在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的距離。單目測(cè)距利用攝像頭獲得的圖片得出深度信息，按照測(cè)量的原理對(duì)已知物體測(cè)量距離的方法[3],根據(jù)相機(jī)焦距公式：

其中F是攝像機(jī)焦距，W是拍攝物體的高度，P是拍攝物體成像后高度的像素距離，D就是攝像機(jī)與物體的實(shí)際距離[4],原理如圖6所示：

圖6 單目測(cè)距原理

根據(jù)這一公式，攝像機(jī)焦距已知，樹木高度已知，通過識(shí)別特征標(biāo)記樹木，對(duì)成像后的影像像素進(jìn)行測(cè)量，就能實(shí)時(shí)計(jì)算出視頻在線監(jiān)測(cè)與樹木的距離。

通過弧垂計(jì)算公式計(jì)算在特殊條件下（大風(fēng)、覆冰等）弧垂的最大值，建立桿塔輸電走廊的安全距離三維結(jié)構(gòu)模型。以連接2側(cè)桿塔接續(xù)點(diǎn)的直線AB為對(duì)稱軸，以最大弧垂加上5 m的安全距離為最大直徑CD，2側(cè)桿塔的接續(xù)點(diǎn)分別為A、B點(diǎn)形成紡錘形的安全距離預(yù)警空間。若根據(jù)樹木距離和高度判斷侵入到安全距離預(yù)警空間則進(jìn)行樹障隱患告警。

圖7 安全距離三維結(jié)構(gòu)模型

5 應(yīng)用實(shí)例

2019年1月6日在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司110 kV礦區(qū)輸電線路坊四線,35 kV四巖線進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)運(yùn)行，后期在10條線路上進(jìn)行推廣應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，通過視覺分析軟測(cè)量的礦區(qū)輸電線路線下樹障隱患識(shí)別平臺(tái)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)樹障隱患并進(jìn)行告警3起（見圖8），通過激光清障設(shè)備處置，快速準(zhǔn)確地完成了樹障清理任務(wù)。

圖8 線下樹木隱患

6 結(jié)論

基于視覺分析軟測(cè)量的礦區(qū)輸電線路隱患識(shí)別技術(shù)研究及應(yīng)用，可對(duì)輸電線路可能發(fā)生的異物影響進(jìn)行提前預(yù)警，極大提升線路管控水平，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控線下樹障隱患，提高線路巡檢工作效率。提升了清障的及時(shí)性，降低事故發(fā)生概率，直接減少跳閘停電造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。