基于低空無人機傾斜攝影技術的電力巡線樹障檢測方法研究

柴芳芳

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

我國電網用戶數量近些年在不斷增加，高壓輸電線路遍布全國。電網的運行以及維護工作在早年間主要是由人工巡線的方式來完成，對于維護人員而言勞動強度較高，但效率低下[1]。無人機技術在近年來發展迅速，因其獨特的優勢被廣泛應用。無人機在電力工業中的應用，其關鍵功能是智能巡檢[2-3]。隨著影像密集匹配技術的迅速發展，傾斜攝影技術也被用于電力檢測領域。由于攝影測量和計算機視覺關鍵算法的突破，線樹距離的定量檢測也得以實現。利用無人機傾斜攝影和測線軟件實現的樹木障礙物檢測系統，進一步豐富了定量測線樹木距離檢測的方法，進一步降低了成本。

1 無人機傾斜攝影技術與方法

根據無人機巡線要求和特點，定制開發了電力巡線飛行控制系統軟件。通過簡單合理的航路設計，可支持無人機實現自動或半自動運行[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的工作原理和具體過程，首先輸入塔架坐標，然后設置飛行高度和需要選擇的參數，如照片重疊度、巡邏任務的開始和結束等，塔臺上傳任務后等待無人機（UAV）加載，點擊啟動任務可以使UAV 開始自動飛行，飛行過程中可以監控飛行狀態，等待無人機完成返回著陸任務。

2 基于傾斜攝影技術的無人機巡線系統設計

2.1 總體設計

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

圖2 3D 無人機巡線系統總體設計方案

無人機機載系統提供方向盤等設備的裝載部分，其穩定性和耐久性決定了瞬時系統的可用性，包括飛行控制系統。無人機能夠準確自動完成電力巡線，主要借助的是導航系統，其主要包括定位的GPS系統、定姿的INS系統和RTK差分系統。由于電纜布放環境的復雜性和無人機對制導精度和穩定性的定位要求，制導技術非常重要。其任務是通過控制無人機到達預定飛行目標點來保證跟蹤巡線項目的順利進行，如果無人探測器偏離目標點很大，跟蹤系統就很難找到檢測目標。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自動識別出塔桿和絕緣子，才能保存響應信息的圖像。地面站系統主要監測和測量無人機的情況，并提供實時圖像信息并發出去。

2.2 功能設計

通過對現有巡線系統和巡線無人機、綜合電力線管理人員的綜合調研分析，結合天際線平臺3D影像數據實現傾斜顯示和應用需求。本文主要研究3D線路傳輸環境，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 環境和故障點恢復顯示實現了原型系統的功能，結合我國當前電力巡檢系統和電力巡檢組現場環境3D虛擬可視化的需求，結合電力巡檢組工作特點設計的原型系統功能，原型系統功能如圖3 所示。

圖3 軟件系統功能框架設計

根據設計開發的要求，先確定待建的巡線區域，然后根據巡線區域獲取相應的衛星影像，并且利用DEM網格數據以此創建3D地形模型，并在此基礎上對寶塔、配送等模型進行建模，對巡邏區域的3D地形進行建模，構建3D地形模型；在此基礎上建設電力走廊輸電線路、塔桿、輔助設備、周邊地形，整合地理模型數據和模型，通過創建景觀模型工程完成數據呈現，實現3D功能二次開發。

3 無人機巡線系統的模型構建

在完成電力公司無人機巡線系統分析基礎上，實現無人巡線3D數據處理系統。主要涉及無人機3D模型實驗設計、巡線系統結構設計、基于無人機的巡線走廊信息采集、運行環境設計、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據，Skyline 軟件用于捕獲圖像數據的過程，最后設置不同的實驗參數，通過一定的技術路徑比較建模效果，技術路線如圖4 所示。

圖4 3D 傾斜攝影呈現路線

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，保證完成巡邏場景的效率，同時也大大降低了成本，縮短了技術難度的建模過程。具體采集過程如下，巡邏區域的確認是巡邏場景3D還原的第一步，一般情況下，巡邏確認通過規劃，或者通過無人機精準拍攝來確定整個巡邏區域的范圍，來確定不同區域所需的不同型號的精度。根據國家測繪地理信息局的《3D地理信息模型數據產品規范》的要求，結合無人機飛行精度，可以看出保證局部空間地理空間精度的需求，數據必須滿足至少1：200 的數字地圖圖像要求，航拍相關技術規定比較復雜，因此考慮到巡檢數據處理的有效性和方便性，對規定內容進行了簡化和優化。依據國家《1：500，1：1000，1：2000 地形圖航空攝影規范》，巡邏區域精度分為高、中、低精度三個階段，在未知區域巡邏時，通過固定翼無人機的位置掃描（Position Scan），確定S 區域以及需要高精度、中等精度、低精度的地域分別為SH、SM、SL，如圖5 所示。

圖5 區域精度示意圖

3.3 3D地理數據模型的構建

電力線通道面的3D 重建主要是通過影像密集匹配技術，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坐標自動測量，直接決定障礙物檢測的準確性、可靠性和效率[5]。目前從效率、匹配精度和可靠性等方面，很多學者提出了影像密集匹配算法，然而多數3D重建算法的優化，都是以城市建筑為目標進行的，并未對電力線信道進行研究。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附近時使用未授權結構對電力線運行構成極大威脅，因此沖擊匹配算法不僅可以滿足電力線通道的覆蓋條件，還可以應用于紋理特征人造建筑。

從數字攝影測量的角度來看，導體的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 測繪環境，通過人工3D采集，實現維度坐標矢量化。然而在實際過程中，人工采集導線3D坐標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行準確采集，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導體的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對組成的圖像對應同一導體，通過軟件自動計算得到導體的3D 空間坐標，輸出最終的導體矢量，實現電力線3D 坐標的自動提取。

3.4 系統體系架構實現

巡線環境的3D 傾斜攝影構建采用TerraExplorerPro6.6.1的二次開發接口函數（API），基于典型的B/S（Browser/Server）架構模式進行構建和開發，主要分為UI 層、業務邏輯層和數據庫層。

4 無人機巡線樹障檢測系統調試

4.1 無人機航攝參數計算實現

為了準確獲取斜射數據，需要控制采樣距地表的距離，控制導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量為n1；將鏡頭的水平視角設置為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航距離Hdg。

由上述公式可知，環繞飛行的高度Hkr和環繞飛行的半徑為Rhr，跟它的俯視角度存在一定的關聯，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系圖

在航拍中，圖像GSD受起伏的地表環境影響。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。為了平衡工作效率，地面采樣距離GSD在廣域測量區可分為兩個階段。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重建模型與內部處理相結合。

4.2 攝影基線長度和航線間隔長度計算

假設攝影過程中，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 實驗內容及結果評價

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行了本地數據采集實驗，以建筑物、丘陵等區域為例，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據

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，野外導航飛行15 分鐘，數據分析處理35 分鐘。樹障凈空距離為6.86m，檢測結果見表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的導線所檢測出來，并通過導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。

通過使用激光雷達支持傾斜攝影，可以精確測量到1cm的距離?；诩す饫走_采集點的數據，通過坡度采集得到視頻數據，通過Skyline 軟件平臺采集數據，圖中可以觀察到的關鍵點有針對性。可實現結合響應安全威脅的智能故障分析系統和管理系統的應用。

5 結論

本文提出了一種基于無人機傾斜攝影技術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。實驗結果表明，采用無人機傾斜攝影技術對電力線進行巡線，可以實現自動3D點云匹配、導線自動生成報告和障礙物的半自動提取，與傳統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。