基于低空無人機傾斜攝影技術(shù)的電力巡線樹障檢測方法研究

柴芳芳

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

我國電網(wǎng)用戶數(shù)量近些年在不斷增加，高壓輸電線路遍布全國。電網(wǎng)的運行以及維護(hù)工作在早年間主要是由人工巡線的方式來完成，對于維護(hù)人員而言勞動強度較高，但效率低下[1]。無人機技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，因其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。無人機在電力工業(yè)中的應(yīng)用，其關(guān)鍵功能是智能巡檢[2-3]。隨著影像密集匹配技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)也被用于電力檢測領(lǐng)域。由于攝影測量和計算機視覺關(guān)鍵算法的突破，線樹距離的定量檢測也得以實現(xiàn)。利用無人機傾斜攝影和測線軟件實現(xiàn)的樹木障礙物檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步豐富了定量測線樹木距離檢測的方法，進(jìn)一步降低了成本。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)與方法

根據(jù)無人機巡線要求和特點，定制開發(fā)了電力巡線飛行控制系統(tǒng)軟件。通過簡單合理的航路設(shè)計，可支持無人機實現(xiàn)自動或半自動運行[4]。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 無人機飛行控制系統(tǒng)用于電力巡線樹障檢測中的工作流程圖

圖1 描述了電力巡線飛行控制系統(tǒng)的工作原理和具體過程，首先輸入塔架坐標(biāo)，然后設(shè)置飛行高度和需要選擇的參數(shù)，如照片重疊度、巡邏任務(wù)的開始和結(jié)束等，塔臺上傳任務(wù)后等待無人機（UAV）加載，點擊啟動任務(wù)可以使UAV 開始自動飛行，飛行過程中可以監(jiān)控飛行狀態(tài)，等待無人機完成返回著陸任務(wù)。

2 基于傾斜攝影技術(shù)的無人機巡線系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

如圖2 所示，基于傾斜攝影成像技術(shù)的三維無人機巡線系統(tǒng)主要由無人機機載系統(tǒng)、航點跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和地面站控制系統(tǒng)等五部分組成。

圖2 3D 無人機巡線系統(tǒng)總體設(shè)計方案

無人機機載系統(tǒng)提供方向盤等設(shè)備的裝載部分，其穩(wěn)定性和耐久性決定了瞬時系統(tǒng)的可用性，包括飛行控制系統(tǒng)。無人機能夠準(zhǔn)確自動完成電力巡線，主要借助的是導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要包括定位的GPS系統(tǒng)、定姿的INS系統(tǒng)和RTK差分系統(tǒng)。由于電纜布放環(huán)境的復(fù)雜性和無人機對制導(dǎo)精度和穩(wěn)定性的定位要求，制導(dǎo)技術(shù)非常重要。其任務(wù)是通過控制無人機到達(dá)預(yù)定飛行目標(biāo)點來保證跟蹤巡線項目的順利進(jìn)行，如果無人探測器偏離目標(biāo)點很大，跟蹤系統(tǒng)就很難找到檢測目標(biāo)。掛載的相機云臺為電力巡線提供了重要保障，只有云臺上面識別系統(tǒng)自動識別出塔桿和絕緣子，才能保存響應(yīng)信息的圖像。地面站系統(tǒng)主要監(jiān)測和測量無人機的情況，并提供實時圖像信息并發(fā)出去。

2.2 功能設(shè)計

通過對現(xiàn)有巡線系統(tǒng)和巡線無人機、綜合電力線管理人員的綜合調(diào)研分析，結(jié)合天際線平臺3D影像數(shù)據(jù)實現(xiàn)傾斜顯示和應(yīng)用需求。本文主要研究3D線路傳輸環(huán)境，通過3D虛擬可視化地理信息建模，3D模型庫建模，集成3D 瀏覽，分析故障點掃描飛行路徑圖，顯示故障點，3D 環(huán)境和故障點恢復(fù)顯示實現(xiàn)了原型系統(tǒng)的功能，結(jié)合我國當(dāng)前電力巡檢系統(tǒng)和電力巡檢組現(xiàn)場環(huán)境3D虛擬可視化的需求，結(jié)合電力巡檢組工作特點設(shè)計的原型系統(tǒng)功能，原型系統(tǒng)功能如圖3 所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能框架設(shè)計

根據(jù)設(shè)計開發(fā)的要求，先確定待建的巡線區(qū)域，然后根據(jù)巡線區(qū)域獲取相應(yīng)的衛(wèi)星影像，并且利用DEM網(wǎng)格數(shù)據(jù)以此創(chuàng)建3D地形模型，并在此基礎(chǔ)上對寶塔、配送等模型進(jìn)行建模，對巡邏區(qū)域的3D地形進(jìn)行建模，構(gòu)建3D地形模型；在此基礎(chǔ)上建設(shè)電力走廊輸電線路、塔桿、輔助設(shè)備、周邊地形，整合地理模型數(shù)據(jù)和模型，通過創(chuàng)建景觀模型工程完成數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實現(xiàn)3D功能二次開發(fā)。

3 無人機巡線系統(tǒng)的模型構(gòu)建

在完成電力公司無人機巡線系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，實現(xiàn)無人巡線3D數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要涉及無人機3D模型實驗設(shè)計、巡線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、基于無人機的巡線走廊信息采集、運行環(huán)境設(shè)計、匹配攝像頭、云層檢索、攝像頭參考測量等。

3.1 無人機巡線實景3D建模

單鏡頭傾斜攝影是一種低成本、高精度的傾斜圖像采集方式，使用小型六旋翼無人機平臺采集電力線和圖像數(shù)據(jù)，Skyline 軟件用于捕獲圖像數(shù)據(jù)的過程，最后設(shè)置不同的實驗參數(shù)，通過一定的技術(shù)路徑比較建模效果，技術(shù)路線如圖4 所示。

圖4 3D 傾斜攝影呈現(xiàn)路線

3.2 無人機的巡線走廊信息采集

主要是利用拍攝傾斜優(yōu)勢，使用便宜的小型無人機單鏡頭來匹配飛行模型精度要求，在不同飛行高度、尾跡、重疊捕捉不同云臺、不同視點率的圖像以此來完成采集任務(wù)，保證完成巡邏場景的效率，同時也大大降低了成本，縮短了技術(shù)難度的建模過程。具體采集過程如下，巡邏區(qū)域的確認(rèn)是巡邏場景3D還原的第一步，一般情況下，巡邏確認(rèn)通過規(guī)劃，或者通過無人機精準(zhǔn)拍攝來確定整個巡邏區(qū)域的范圍，來確定不同區(qū)域所需的不同型號的精度。根據(jù)國家測繪地理信息局的《3D地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》的要求，結(jié)合無人機飛行精度，可以看出保證局部空間地理空間精度的需求，數(shù)據(jù)必須滿足至少1：200 的數(shù)字地圖圖像要求，航拍相關(guān)技術(shù)規(guī)定比較復(fù)雜，因此考慮到巡檢數(shù)據(jù)處理的有效性和方便性，對規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行了簡化和優(yōu)化。依據(jù)國家《1：500，1：1000，1：2000 地形圖航空攝影規(guī)范》，巡邏區(qū)域精度分為高、中、低精度三個階段，在未知區(qū)域巡邏時，通過固定翼無人機的位置掃描（Position Scan），確定S 區(qū)域以及需要高精度、中等精度、低精度的地域分別為SH、SM、SL，如圖5 所示。

圖5 區(qū)域精度示意圖

3.3 3D地理數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建

電力線通道面的3D 重建主要是通過影像密集匹配技術(shù)，從匹配的立體像對中提取3D點云，從而對電力線通道障礙物進(jìn)行自動檢測，其必要條件是電力線路表面和電力線通道3D重建，3D坐標(biāo)自動測量，直接決定障礙物檢測的準(zhǔn)確性、可靠性和效率[5]。目前從效率、匹配精度和可靠性等方面，很多學(xué)者提出了影像密集匹配算法，然而多數(shù)3D重建算法的優(yōu)化，都是以城市建筑為目標(biāo)進(jìn)行的，并未對電力線信道進(jìn)行研究。由于電力線信道的地表被茂密的植被覆蓋，所以必須重點研究圖像的弱紋理相似度匹配算法[6]。電力線通過村莊等居民區(qū)附近時使用未授權(quán)結(jié)構(gòu)對電力線運行構(gòu)成極大威脅，因此沖擊匹配算法不僅可以滿足電力線通道的覆蓋條件，還可以應(yīng)用于紋理特征人造建筑。

從數(shù)字?jǐn)z影測量的角度來看，導(dǎo)體的3D重建、道路邊界線、房屋的矢量化等問題比較典型，可用于3D 測繪環(huán)境，通過人工3D采集，實現(xiàn)維度坐標(biāo)矢量化。然而在實際過程中，人工采集導(dǎo)線3D坐標(biāo)不但降低了巡查效率，同時也因地表高差，無法對架空電力線進(jìn)行準(zhǔn)確采集，增加人工采集的測量誤差[7-8]。

利用計算機輔助半自動測量實現(xiàn)導(dǎo)體的3D重建，從圖像中提取電力線特征，必須使用特征檢測算法，然后人工選取兩幅由3D對組成的圖像對應(yīng)同一導(dǎo)體，通過軟件自動計算得到導(dǎo)體的3D 空間坐標(biāo)，輸出最終的導(dǎo)體矢量，實現(xiàn)電力線3D 坐標(biāo)的自動提取。

3.4 系統(tǒng)體系架構(gòu)實現(xiàn)

巡線環(huán)境的3D 傾斜攝影構(gòu)建采用TerraExplorerPro6.6.1的二次開發(fā)接口函數(shù)（API），基于典型的B/S（Browser/Server）架構(gòu)模式進(jìn)行構(gòu)建和開發(fā)，主要分為UI 層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫層。

4 無人機巡線樹障檢測系統(tǒng)調(diào)試

4.1 無人機航攝參數(shù)計算實現(xiàn)

為了準(zhǔn)確獲取斜射數(shù)據(jù)，需要控制采樣距地表的距離，控制導(dǎo)航高度來控制距拍攝過程的距離，拍攝距離D計算如下。

上式中，待拍攝的長邊圖像數(shù)量為n1；將鏡頭的水平視角設(shè)置為FOV。相對高度可以通過物體之間的距離來計算，但是相對于地面的高度計算過程和計算結(jié)果因每個飛行路徑的起點而異。圖6（a）為地平線飛行角度的關(guān)系圖。在這種情況下，可以得到固定高度的航線拍攝距離D等于從地面高度起飛的相對導(dǎo)航距離Hdg。

由上述公式可知，環(huán)繞飛行的高度Hkr和環(huán)繞飛行的半徑為Rhr，跟它的俯視角度存在一定的關(guān)聯(lián)，其計算公式為：

如圖6（b、c）所示，攝像機鏡頭視角為p，從云臺中獲取。

圖6 航高線與飛行角度的關(guān)系圖

在航拍中，圖像GSD受起伏的地表環(huán)境影響。但在控制高度和拍攝距離時，要盡量保持變化合理，使GSD 的變化在合理范圍內(nèi)。為了平衡工作效率，地面采樣距離GSD在廣域測量區(qū)可分為兩個階段。高能見度的主要特點是獲得高GSD的高分辨率圖像。后臺使用低GSD進(jìn)行一般分辨率的圖像采集，最終將不同分辨率的3D重建模型與內(nèi)部處理相結(jié)合。

4.2 攝影基線長度和航線間隔長度計算

假設(shè)攝影過程中，其基線長度和航線間隔長度為Bx和By，那么可以得到計算公式如：

4.3 實驗內(nèi)容及結(jié)果評價

在本次實驗中，在低空拍攝塔桿和電纜，并獲得和分析不同的圖像。我們使用低成本的小型無人機進(jìn)行了本地數(shù)據(jù)采集實驗，以建筑物、丘陵等區(qū)域為例，獲得的傾斜攝影電纜彩色點云如圖7 所示。

圖7 電力走廊彩色分類激光點云數(shù)據(jù)

在對輸電線路的檢測中，選擇的這條線的總長度是0.97 公里，覆蓋3 個塔基，野外導(dǎo)航飛行15 分鐘，數(shù)據(jù)分析處理35 分鐘。樹障凈空距離為6.86m，檢測結(jié)果見表1。

表1 重大隱患分布表

在表1 中，障礙物被地球表面和空間距離右側(cè)的導(dǎo)線所檢測出來，并通過導(dǎo)線垂度的大小明確表示出障礙物類型的水平距離、距小桿塔障礙物的水平距離和距其隱患位置的信息。

通過使用激光雷達(dá)支持傾斜攝影，可以精確測量到1cm的距離?；诩す饫走_(dá)采集點的數(shù)據(jù)，通過坡度采集得到視頻數(shù)據(jù)，通過Skyline 軟件平臺采集數(shù)據(jù)，圖中可以觀察到的關(guān)鍵點有針對性?？蓪崿F(xiàn)結(jié)合響應(yīng)安全威脅的智能故障分析系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于無人機傾斜攝影技術(shù)的電力線通道障礙物檢測方法，解決人工巡檢精度低、效率低、智能化程度低等問題。實驗結(jié)果表明，采用無人機傾斜攝影技術(shù)對電力線進(jìn)行巡線，可以實現(xiàn)自動3D點云匹配、導(dǎo)線自動生成報告和障礙物的半自動提取，與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比，本文提出的方法自動化程度較高，可以滿足電力線檢測人員對電力線的巡線需求。