基于視覺分析軟測量的礦區(qū)輸電線路線下樹障隱患識別

狄 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團電業(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，近年來因外力破壞等危害線路安全運行的事件約占35%以上，不僅帶來人員傷亡和設(shè)備毀損等直接財產(chǎn)損失，還對整個地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和社會的經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展帶來嚴重影響。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。線下樹障是樹閃事故多發(fā)的重要原因之一，對線路造成極大威脅．因此，構(gòu)建針對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量方式

目前對樹木和線路距離測量預(yù)警方式主要有：

（1）人工巡檢，實地走訪輸電線路桿塔，借助紅外測距工具遠程測量樹木高度，然后計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、及時性無法保證。

（2）通過固定翼無人機搭載三維激光掃描儀獲取輸電線路點云數(shù)據(jù)，提取點云中電力線點并模擬出完整電力線，計算電力線與電力線保護區(qū)范圍內(nèi)植被的歐式距離，將計算的結(jié)果與電力線安全規(guī)范比較得到樹障點或預(yù)警點等信息。無人機三維點云測量成本高、技術(shù)要求高。受目前無人機航時影響，仍需要到現(xiàn)場測量，同樣效率低、及時性無法保證。

（3）樹高生長預(yù)測模型。需要對管轄區(qū)域的輸電線路進行實地調(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)理查德生長方程對樹木生長進行預(yù)測。樹高生長預(yù)測模型要求詳細專業(yè)的前期勘察，建模受不確定影響較大，預(yù)測準確性難以保證[1]。

對于礦區(qū)輸電線路線下樹木離導(dǎo)線的距離，除了現(xiàn)場實地測量外仍沒有較好的方法。軟測量是指應(yīng)用計算機技術(shù)對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計的方法。本文采用視覺分析技術(shù)測量樹影、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際距離。

2 基于軟測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)測設(shè)備獲取每半小時一張的現(xiàn)場視頻照片，根據(jù)已有的線路桿塔坐標、塔高、線長等進行視覺識別分析計算，具有無需去現(xiàn)場、無需知道何種樹木、實時監(jiān)控樹木高度及時預(yù)警的優(yōu)勢。

基于視覺分析軟測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)合的方式實現(xiàn)對線下樹木距離的實時監(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，并對采集到的大量線路走廊照片分析獲得樹影像素高度，同時根據(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，進而計算樹線高度，達到識別預(yù)警的目的。該方法的計算流程如下：

圖1 計算流

3 線下樹木樹影提取及測量方法

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

圖2 視頻在線監(jiān)測設(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分鐘會拍攝一張輸電走廊的照片。采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大量照片樣本建模，根據(jù)不同時間場景樹影變化分離提取樹影灰度特征，計算樹影和樹木的的像素長度，實現(xiàn)樹影的自動提取。

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)信息計算出塔臺位置的坡度角，可以等效為傳輸通道下樹木的坡度角。同時，可以根據(jù)照片拍攝的時間信息計算出當(dāng)前的太陽方位角。幾何光學(xué)可以用來估計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，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 樹影幾何模型計算示意圖

當(dāng)0≤θ＜90°時，

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，對立木陰影的中軸線進行矢量化；

(3)計算立木陰影矢量線段的長度，提取線段的端點；

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

(5)計算A點和C點的坡度方向，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，計算樹高。

4 樹木安全距離測量方法

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

其中F是攝像機焦距，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就是攝像機與物體的實際距離[4],原理如圖6所示：

圖6 單目測距原理

根據(jù)這一公式，攝像機焦距已知，樹木高度已知，通過識別特征標記樹木，對成像后的影像像素進行測量，就能實時計算出視頻在線監(jiān)測與樹木的距離。

通過弧垂計算公式計算在特殊條件下（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)點的直線AB為對稱軸，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)點分別為A、B點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)用實例

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

圖8 線下樹木隱患

6 結(jié)論

基于視覺分析軟測量的礦區(qū)輸電線路隱患識別技術(shù)研究及應(yīng)用，可對輸電線路可能發(fā)生的異物影響進行提前預(yù)警，極大提升線路管控水平，實現(xiàn)遠程實時自動監(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)濟損失。