電力巡線無人機圖像處理技術

魏君義 張巖 常昊 冉陳理 王銘梓 向傳龍

【摘? 要】巡線無人機作為一種新型的電力巡檢方式，具有能夠適應多種作業環境的特點，通過這種巡線方式可以有效的提高電力巡檢的工作效率，減少巡線工人的工作量并對他們的人身安全提供保障，因此，本文將從巡線無人機圖像處理技術重點敘述其研究重點以及現有的解決方案，在綜合考慮圖像處理技術方面的發展現狀和現有問題的基礎上，進行新的研究重點和發展方向的展望，該文可為之后電力巡線無人機技術的發展和成熟提供參考。

【關鍵詞】巡線無人機;圖像處理;圖像匹配;圖像識別

引言

隨著現代科技的迅猛發展，無人機在軍用、民用都實現了質的飛躍，發揮著重要作用。在“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃中，無人機得到了充足的發展。而在“十四五”期間，無人機將以大視野、大科學、廣融合、高維度視角獲得更快的發展以及更大的突破。目前，中國已建成330kV及以上輸電線路長度30.2萬千米。在2020年中，國家新增220kV及以上輸電線路長度達到2.9萬千米。另外，預計到2025年，中國有望特高壓線路突破4萬千米。國家對用電需求的增加將帶來更高的用電負荷。近年來，無人機與電力巡檢的結合應運而生并在快速發展。巡線無人機是裝配有高清數碼攝像機和照相機以及GPS定位系統的無人機，可沿電網進行定位自主巡航，實時傳送拍攝影像，監控人員可在電腦上同步收看與操控。工作人員對傳輸的圖像仔細分析后得出此段輸電線路是否受損。

本文針對目前巡線無人機廣泛存在的問題，選取了巡線無人機圖像處理技術進行綜述，首先闡述已有的研究結果，之后對這些關鍵技術的未來發展提出創新，進行展望。

1.巡線無人機圖像處理技術

無人機攝影技術也稱為無人機航拍，是以無人駕駛飛機作為空中平臺，以機載遙感設備，用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像。

目前巡線無人機上常搭載著如光學相機、熱紅外成像儀、激光掃描儀等傳感器。其中，光學相機主要用于拍攝桿塔、電力線、電力線走廊的光學影像，用于絕緣子自爆污穢、導地線斷股變形、金屬類設備銹蝕缺失、螺栓脫落等缺陷、隱患的診斷;熱紅外成像儀用于輸電線路設備紅外視頻采集，獲取金具、電力線以及絕緣子等設備的發熱狀況;激光點云成像常用于輸電線及其走廊環境的檢測。

與平常的拍攝不同，巡線無人機對電力線路進行高空拍攝時，會受到抖動、光照、復雜背景等因素的干擾。復雜的干擾因素會使無人機拍攝的輸電線路圖像出現嚴重的畸變，使圖像難以匹配。對于巡線無人機拍攝得到的圖像，需要進行圖像預處理，圖像匹配與拼接和圖像識別。

1.1圖像預處理

由于圖像在形成的過程中會受到天氣、飛機飛行的姿態及噪聲等因素的影響，因此巡線無人機器拍攝到的圖像可能與實際情況有一定的偏差。首先需要對巡線無人機拍攝的圖像進行預處理，保證拍攝的準確性。Jiawei Chen，Wenrui Ding提出首先通過PCA法將功能維度降低，提取并轉化為計算機處理的規范格式后，利用波變換，DCT，HAAR對圖像預處理的方法。陳之堯提出一種基于OpenCV開放源代碼函數庫的預處理技術。都有效提高了圖像的識別精度，達到了預處理的目的。

1.2圖像匹配與拼接

由于無人機飛行高度、距離以及相機角度的限制，常常不能拍攝到電力線和電塔的全景圖像。為了獲得可用于檢測的全景圖像，需要將巡檢得到的圖片刪去重復的部分后進行拼接。彭泓，李紅利，杜宇提出用于圖像匹配的Opponent-AKAZE算法以及巡檢圖像拼接的APAP 配準模型，通過改良AKAZE算法提取特征點和主方向，利用加權疊加算法融合拼接電力巡線圖像。Xu Wang等人改良ORB算法提出了L-SURB算法。此外，匹配算法還有如ORB算法、SIFT算法等。

1.3圖像識別

圖像識別的目的是對輸電線路檢測目標進行識別、定位及故障判定，實現圖像識別的方法主要有形態學檢測、機器學習分類器檢測、深度神經網絡檢測。關于機器學習分類器檢測方面，Jiawei Chen等人提出基于SVM的圖像分類與識別技術。Srikanth Vemula; Michael Frye提出在無人機上部署深度神經網絡Mask RCNN識別算法，工作更安全，更快捷。從巡線無人機拍攝到第一張圖像到獲得可分析的巡檢圖像，過程是十分復雜的。越來越多優化算法的提出帶來了一定的幫助，但客觀上，天氣，地形等環境因素的多變，會對巡檢圖像的造成很大甚至無法分析的干擾;主觀上，匹配與拼接算法一般需要較長的時間，對于短時間就能造成巨大損失的電力事故，都仍需要在未來提高算法的精度和速度。

2.總結

本文首先從巡線無人機的發展現狀出發，通過一系列數據闡述了研究巡線無人機相關技術的必要性，之后選取了在巡線無人機工作過程中的圖像處理技術這一關鍵問題進行綜述，分別闡述了其相關研究進展，并為巡線無人機相關技術的發展提出展望。

本文有助于加深對巡線無人機工作方式的認識，以及文中提到的兩種關鍵技術的理解，將為巡線無人機提供更可靠、更可行的設計方案，為巡線無人機相關問題的解決提供參考。伴隨著這些技術的不斷突破與創新，將有利于巡線無人機更廣泛地應用在實踐之中，為我國的巡線工作帶來便利。

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