無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)臺(tái)州供電公司 萬(wàn)廣雷

早在2011年，中國(guó)電網(wǎng)規(guī)模已經(jīng)位居世界第一，基于此，除了需要加快相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)外，還需要優(yōu)化輸電線路運(yùn)維工作。我國(guó)幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，輸電線路并不總是在城市范圍內(nèi)，因此，其運(yùn)維難免會(huì)受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量精準(zhǔn)性不高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有靈活、操作方便、成本低、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸電線路的運(yùn)行維護(hù)工作中。

1 輸電線路運(yùn)維

1.1 輸電線路常見(jiàn)故障問(wèn)題

雷擊、單相接地、鳥害、甚至人為因素都可以造成輸電線路故障，輸電線路運(yùn)維和故障排除時(shí)必須特別注意上述要點(diǎn)。雷擊故障不但會(huì)使輸電線路正常工作受影響，而且還容易造成人員傷亡。單相接地故障的發(fā)生和天氣影響有著一定關(guān)系，單相電壓的數(shù)值會(huì)由于輸電線路單相接地而置零，因此所產(chǎn)生的不合理電壓將提高電力設(shè)備的受損機(jī)率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致輸電線路癱瘓。而鳥害則會(huì)導(dǎo)致輸電線路產(chǎn)生絕緣子串短接現(xiàn)象。人為因素影響則主要是指不法分子故意破壞電力輸電線路、偷盜輸電設(shè)備等，進(jìn)而阻礙輸電線路正常運(yùn)行。

1.2 輸電線路運(yùn)維工作

隨著供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)施工規(guī)模的不斷擴(kuò)大，輸電線路運(yùn)維管理工作難度也逐漸加大。基于此，有必要深入探究輸電線路運(yùn)維管理中出現(xiàn)的各類問(wèn)題，并給出相對(duì)比較完善的處理對(duì)策。同時(shí)，應(yīng)加大對(duì)輸電線路運(yùn)維管理工作的監(jiān)察力度，進(jìn)而確保輸電線路運(yùn)行安全穩(wěn)定。

為確保管理運(yùn)維工作得到更好推進(jìn)，必須規(guī)范化輸電線路設(shè)計(jì)、針對(duì)性檢查周邊環(huán)境、嚴(yán)格檢查輸電線路經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀情況，上述工作的落實(shí)是管理運(yùn)維工作開(kāi)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另外，各地電力部門還必須注重研究、引進(jìn)、運(yùn)用新型現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備，以進(jìn)一步提升輸電線路運(yùn)維管理工作的效能與品質(zhì)。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

2.1 傾斜攝影技術(shù)原理

傾斜攝影技術(shù)改變了過(guò)去僅僅從垂直視角攝取影像的局限，通過(guò)將多個(gè)感應(yīng)器引入同一飛行平臺(tái)上，能夠從五個(gè)不同視角收集圖像（1垂直、4傾斜），使得數(shù)據(jù)的收集更加真實(shí)、直觀，便于更精確地構(gòu)造出現(xiàn)場(chǎng)的三維模型，同時(shí)有效降低了三維建模的成本。圖1為傾斜攝影原理圖[1]。

圖1 傾斜攝影原理圖

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理

使用無(wú)人機(jī)傾斜拍攝測(cè)量對(duì)象，進(jìn)而使用點(diǎn)云技術(shù)將各照片全方位模塊化地集成。之后再利用三維模型系統(tǒng)，自動(dòng)生成1:1比例的三維模型影像，將現(xiàn)場(chǎng)情景原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)移到辦公室內(nèi)。最后將三維模型輸入測(cè)距軟件中，測(cè)量必要的數(shù)據(jù)信息。原理路線如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理路線

2.3 無(wú)人機(jī)地面站

無(wú)人機(jī)地面站作為整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)總體的指揮中心，能夠進(jìn)行地面控制和無(wú)人機(jī)管理。地面站主體硬件部分包括了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地面通信數(shù)據(jù)鏈路以及輔助控制設(shè)備等，并能夠與相關(guān)的軟件配套，以完成對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)攝影過(guò)程的整體管控[2]。

2.4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，使得工程測(cè)量不再局限于模擬測(cè)量和手繪圖紙階段。其由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理與分析數(shù)據(jù)，精度高且快捷，且能夠形成數(shù)據(jù)共享的信息化機(jī)制[3]。當(dāng)然，目前中國(guó)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)還沒(méi)有完全成熟，仍面臨著許多問(wèn)題，但其巨大的潛能及需求正激勵(lì)著相關(guān)技術(shù)企業(yè)不斷創(chuàng)新和開(kāi)拓。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用

在輸電線路的運(yùn)維過(guò)程中，必然會(huì)途經(jīng)部分建筑物。當(dāng)運(yùn)維工作點(diǎn)的最佳位置無(wú)法避開(kāi)居住建筑物時(shí)，實(shí)地檢測(cè)精度會(huì)產(chǎn)生巨大偏差，且工作量也會(huì)大增?；诖耍F(xiàn)在通常會(huì)選用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，來(lái)進(jìn)行輸電線路運(yùn)維的數(shù)據(jù)采集工作[4]。通過(guò)精準(zhǔn)收集所需數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維模型，可以正確探析輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)。圖3是正在執(zhí)行傾斜攝影任務(wù)的無(wú)人機(jī)。

圖3 執(zhí)行傾斜攝影任務(wù)的無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅有助于提高數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確度，還有助于降低三維建模成本、提高建模效率。另外，其系統(tǒng)操作比較簡(jiǎn)單，對(duì)場(chǎng)地的要求不高。其優(yōu)勢(shì)具體有以下幾點(diǎn)。

3.1 高真實(shí)性

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在開(kāi)展傾斜拍攝工作時(shí)，由無(wú)人機(jī)搭載傾斜的拍攝用云臺(tái)，在低空繞行。傾斜攝影云臺(tái)的信號(hào)捕獲裝置非常敏感，可以清楚地記錄下地面建筑和植物分布等有關(guān)數(shù)據(jù)，而且準(zhǔn)確度極高。

3.2 高效率

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在保證精度的前提下，能夠顯著減少輸電線路運(yùn)維作業(yè)的工作量，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，進(jìn)而有效控制運(yùn)維周期，提高運(yùn)維效率。

3.3 低成本

圖像是最生動(dòng)、最直接的表現(xiàn)形式，三維模型更是能夠給人與現(xiàn)實(shí)世界基本相同的體驗(yàn)。因此，使用傾斜成像技術(shù)收集數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維模型是測(cè)量領(lǐng)域的新趨勢(shì)，相對(duì)較低的成本也加快了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，最大限度地縮短了測(cè)繪分析周期，大大提高了工作效率。

3.4 可模擬地質(zhì)災(zāi)害

為最大限度地降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，必須在線路建設(shè)時(shí)就模擬出可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害，并完成預(yù)控。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立輸電線路三維模型，能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能需要。

3.5 有利于把控運(yùn)維工作細(xì)節(jié)部分

其一，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)對(duì)輸電線路范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠獲得直觀可視的影像資料，進(jìn)而便于測(cè)算區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)；其二，運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)能夠精確地測(cè)定邊坡面積，以及與輸電線路桿塔的水平間距，便于后期運(yùn)維時(shí)解決輸電線路邊坡塌方等問(wèn)題；其三，在輸電線路運(yùn)維工作中應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)，有助于更清晰直觀地在計(jì)算機(jī)上測(cè)定出各細(xì)節(jié)部分參數(shù)。

3.6 發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有助于快速完成輸電線路整體的三維建模工作，但細(xì)節(jié)部分仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，基于該技術(shù)構(gòu)建出的三維建模是一個(gè)整體，如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單體化也是接下來(lái)的研究重點(diǎn)。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

以某新遷改桿塔運(yùn)維工作為例。其位于丘陵地帶，區(qū)域范圍內(nèi)地形復(fù)雜，給運(yùn)維工作帶來(lái)了很大的不便。因此，運(yùn)維工作中的信息收集環(huán)節(jié)，最終選擇用搭載高像素CMOS 傳感器和廣角鏡頭的微型多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)完成。

4.1 收集數(shù)據(jù)

選用微型多旋翼無(wú)人機(jī)，結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)輸電線路相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。多旋翼無(wú)人機(jī)的主要特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低、續(xù)航能力好。通過(guò)在多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行平臺(tái)上搭載傾斜攝影相機(jī)，并與IMU 和高精度的GPS 接收機(jī)結(jié)合：傾斜攝影相機(jī)用于抓拍影像，GPS 和IMU 則為無(wú)人機(jī)提供定位和坐標(biāo)信息。

傾斜攝影測(cè)量的飛行方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)底圖應(yīng)基于高清影像圖，并按我國(guó)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和輸電線路運(yùn)維需要，標(biāo)繪其飛行范圍。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)航線的自動(dòng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)航線設(shè)計(jì)通常設(shè)定66%的航線重合度和30%旁向重合度，但在航線設(shè)計(jì)軟件中，航線設(shè)計(jì)和旁向重疊率一般都設(shè)定為66%。此外，航線設(shè)計(jì)軟件還能夠按運(yùn)維要求自動(dòng)生成飛行計(jì)劃文件，文件內(nèi)容包括：無(wú)人機(jī)飛行線路、巡檢點(diǎn)坐標(biāo)位置信息、拍攝頻率等。在實(shí)際飛行過(guò)程中，傾斜攝影相機(jī)能夠基于飛行計(jì)劃文件自動(dòng)進(jìn)行拍攝曝光。

在試飛前還需要先進(jìn)行地標(biāo)點(diǎn)選擇工作，以便于后期影像數(shù)據(jù)處理。地標(biāo)點(diǎn)選取的準(zhǔn)則是不能在航線正下方布設(shè)，而是盡量布設(shè)在飛行范圍邊緣。地標(biāo)點(diǎn)間距一般在一公里以內(nèi)，與主要地區(qū)之間間隔一般在五百米以內(nèi)。而每隔十公里，需采用雙電布設(shè)模式[5]。

4.2 建立三維模型

處理好傾斜攝影后所得到的建筑圖形，并通過(guò)專用測(cè)繪軟件，進(jìn)一步獲得輸電線路的傾斜攝影建模。傾斜攝影建?？梢苑譃榻ㄖ误w對(duì)象化模型與非建筑單體模型。同時(shí)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)也可以用以豐富現(xiàn)有三維模型，補(bǔ)充細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，并在舊三維模型的基礎(chǔ)上利用紋理映射技術(shù)構(gòu)建出全新的三維空間模型。

獲得影像數(shù)據(jù)后，需要先將相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，再通過(guò)勻光勻色處理技術(shù)和專業(yè)化自動(dòng)建模軟件進(jìn)行三維建模的構(gòu)建。這一過(guò)程是全自動(dòng)化的，能夠顯著縮短建模周期且降低建模成本。并在圖像分析處理的基礎(chǔ)上，首先利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生影像，并將其轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的超高密度點(diǎn)云。最后利用點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了TIN 模式的建立，進(jìn)而得到了高分辨率傾斜攝影三維建模。確保了所建立的三維建模可以適應(yīng)任意縮放、360°傾斜、多角度觀察等的需求，最后在屏幕或移動(dòng)終端上展現(xiàn)出更加直觀真實(shí)的場(chǎng)景。

4.3 分析數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傾斜影像檢測(cè)的準(zhǔn)確度，在三維模型上對(duì)桿塔根開(kāi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，無(wú)人機(jī)傾斜影像技術(shù)所得測(cè)量值是6.8m，實(shí)測(cè)值6.77m，在實(shí)測(cè)偏差容許范圍內(nèi)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)跨度大，或傳統(tǒng)檢測(cè)困難的地方也進(jìn)行了檢測(cè)，如坡高的測(cè)量值是58.23m，實(shí)測(cè)值為58.21m，同樣在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)傾斜影像檢測(cè)的準(zhǔn)確度完全能夠滿足輸電線路運(yùn)維需要。圖4為桿塔根開(kāi)測(cè)量圖。

圖4 桿塔根開(kāi)測(cè)量圖

5 優(yōu)化無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在輸電線路運(yùn)維中的應(yīng)用

5.1 加強(qiáng)安全分級(jí)管控

輸電線路運(yùn)維單位應(yīng)遵循“安全第一、預(yù)防為主”的原則，對(duì)所轄無(wú)人機(jī)進(jìn)行安全分級(jí)管控。安全分級(jí)管控的目的在于確保無(wú)人機(jī)飛行安全監(jiān)控?zé)o死角，全方位保障人員與設(shè)備安全。

5.2 實(shí)行“N+4”巡視方法

在對(duì)桿塔進(jìn)行常規(guī)運(yùn)維時(shí)，缺少經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的可靠拍攝方法，導(dǎo)致運(yùn)維作業(yè)時(shí)隨意性較大，采集到的圖片信息雜亂且有疏漏，不能保障巡檢質(zhì)量。針對(duì)上述情況，通過(guò)實(shí)行“N+4”巡視方法可以有效提升巡視質(zhì)量和巡檢效率。其中“N”是針對(duì)輸電線路中不同塔型應(yīng)針對(duì)巡視的“N”個(gè)關(guān)鍵部位，“4”是指輸電線路桿塔中桿塔大小號(hào)側(cè)通道以及縱向左右側(cè)兩個(gè)方向共計(jì)4條通道的巡視工作。

5.3 優(yōu)化無(wú)人機(jī)巡檢路徑

目前，無(wú)人機(jī)巡視主要采用高性能鋰電池作為動(dòng)力來(lái)源。但由于鋰電池容量有限，且體積受限于無(wú)人機(jī)載荷，往往導(dǎo)致無(wú)人機(jī)續(xù)航能力較差?；诖?為了提升無(wú)人機(jī)巡檢效率與安全性，需要選定最合理的飛行路線，路線應(yīng)滿足運(yùn)維巡檢需要，確保在無(wú)人機(jī)電池續(xù)航時(shí)限內(nèi)遍歷所有巡檢點(diǎn)。結(jié)合大量試驗(yàn)結(jié)果分析，采用窮舉法進(jìn)行路線規(guī)劃效果最佳，其能夠結(jié)合輸電線路實(shí)際情況將全部可行路線都列舉出來(lái)，進(jìn)而比較確定運(yùn)維巡檢路線。

隨著社會(huì)用電需求的擴(kuò)大，輸電線路所面對(duì)的壓力陡增，因此，運(yùn)維管理工作已成為重中之重。由于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍正在逐步地由軍用領(lǐng)域延伸至民用領(lǐng)域，與傳統(tǒng)傾斜拍攝技術(shù)的融合也在不斷深入，這給其廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的工作原理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，探討了其在輸電線路運(yùn)行維護(hù)方面的應(yīng)用實(shí)例。