圖像處理技術在無人機電力線路巡檢中的應用

趙 淵

(銅仁職業技術學院 信息工程學院,貴州 銅仁 554300)

0 引言

我國電力部門每年都要花費大量的人力、物力、財力進行電力線路巡檢,主要原因則是我國地勢遼闊且地形復雜,而電力線路又分布廣泛,如果遇到天氣惡劣的情況,線路巡檢也能及時將線路實際情況進行反饋,從而保障所有人都能正常用電[1]。

隨著科技事業的飛速發展,無人機電力線路巡檢的方式也逐漸出現在大眾視線中,與以往傳統電力巡線方式相比,其突破了地理條件的限制,能夠應用于我國所有地區,而且巡檢效率高,因此目前正廣泛應用于我國電力線路巡檢。在運用無人機進行線路巡檢中,無人機通過自身攜帶的設備對電力線路進行拍攝,工作人員通過對采集到的圖像進行分析,便能迅速知曉導地線等部件的運行狀態。因此通過圖像處理技術對其進行檢測,能夠更加有利于相關部門了解線路的運行狀況,發現問題也能第一時間做出處理[2]。

1 國內外研究現狀

無人機廣泛進入人們的日常生活,民用無人機深受當代年輕人喜愛。無人機是一種可以通過無線遙控或者機體內自帶程序進行操控飛行的一種不載人飛機,涉及的領域廣泛,包括通信技術、信息處理技術等,是新時代科技發展中的一項優質成果[3]。無人機不同領域的應用分類如圖1所示。

圖1 無人機不同領域的應用分類

在無人機的發展中,圖像處理技術也很關鍵,因為其能對電力線路運行狀況等方面做出有效判斷。我國電力線路巡檢中運用無人機的方式與發達國家相比起步較晚,國外在早些年便開始運用類似無人機等高科技設備進行電力線路巡檢,因此其對后續的圖像處理技術研究得更為深入。我國雖然也開始運用無人機這類高效設備進行電力線路巡檢,但是起步較慢,只是處于研究階段,相關措施還沒有完善[4]。我國應當加強對圖像處理技術在無人機電力線路巡檢中的研究,從而使其能夠更好地應用于我國高壓輸電線路巡檢[5]。

2 圖像處理在無人機電力線路巡檢中的應用

2.1 無人機巡檢的重要性

我國電力線路分布涉及的地域面積尤為廣泛,所以確保電路穩定是一項十分重要的工程。同時,一般供電點都是由多個小的工作點組成,這個供電點就是一個稍有規模的小電網,為了使每個人都能用上充足的電能,通常都會在環境惡劣且地勢險峻的偏遠地區設立相關供電網[6]。然而,受自然因素和地理環境的影響,供電網常常會發生故障,影響供電質量,再加上偏遠地區缺乏電力巡檢人員,這就使得電路巡檢工作很難做到位,即使線路發生故障,也不能第一時間反饋,因此無人機電力線路巡檢方式便能很好地運用其中[7]。

以往的線路巡檢方式需要投入大量的成本,工作效率也并不樂觀,通過無人機對我國輸電線路進行巡檢,比人工檢測更加細致深入,而且還不用擔心會受到環境等方面的影響,也能有效避免人工檢測帶來的誤差,將準確信息第一時間上傳給工作人員。目前,我國貴州省銅仁市一架多旋翼無人機也正在按照既定設置自主開展線路巡檢,并且沿線路順利完成了桿塔之間的自主飛行、自動拍照記錄等動作[8]。

在以往,貴州省銅仁市的電力線路巡檢通常依賴于運維人員的經驗與觀察力,非常容易產生由工作人員引起的操作失誤,忽略較為隱蔽的線路缺陷。無人機巡檢的開展也標志著銅仁市無人機電力線路巡檢已經完成了從“人工操作”向“自主巡檢”的突破與轉變,貴州省銅仁市無人機電力線路自主巡檢如圖2所示。

圖2 貴州省銅仁市無人機電力線路自主巡檢

隨著我國科學技術事業的迅速發展和經濟水平的不斷提升,無人機技術愈加成熟,其中,民用無人機得了國家與社會的高度重視。筆者從民用無人機的相關報道中了解到[9-11],在2015年時,民用無人機的市場規模就已達到了23億元,2017年上升為65億元,2019年我國民用無人機的市場規模突破200億元,2020年同比增長66%(見圖3)。隨著時代的發展、科技的進步,在2020年時,我國民用無人機市場規模約達599億元,國家政策導向和地方政府的務實推進,也正大力推動我國無人機行業的發展,因此明確了民用無人機產業的發展目標,到2025年,民用無人機產值將達到1 800億元,年均增速25%以上,如果按照這個增長速度推算,發展至2026年,我國民用無人機市場規模將有可能達到2 250億元,具體如圖4所示。

圖3 2017年中國民用無人機銷售規模及預測

圖4 2021—2026年中國民用無人機市場規模預測

2.2 具體應用技術

2.2.1 圖像預處理

無人機電力線路巡檢主要是通過拍攝圖像并將其傳輸的方式,讓工作人員第一時間了解到線路以及其他設備的運行狀況。然而,在無人機拍攝過程中,受到天氣等因素影響,或者是無人機在飛行過程中出現的特殊原因等[12]也會出現拍攝圖像與實際情況不符的現象。為了保證無人機所拍攝圖像的準確性,就需要工作人員對圖像進行針對性處理,比如去除霧雨背景。霧天和雨天的可見度低,無人機的視野受到影響,拍攝的圖片也往往會出現模糊、難以分辨等情況。對此,工作人員可以采用像素過濾的方式去除圖像上的雨霧。然而這個方法并不適用于所有圖像,如果是正在運動狀態中的視頻,則不建議使用這種方式將雨霧去除,最好能夠建立一個相對應的模型,通過模型更好地將雨霧像素進行描述,并且通過背景分離的方式對圖像進行分離處理,之后便可以檢測圖像在大小以及亮度上的變化,從而進一步將雨霧去除,得到清晰度高且真實的圖像,如此也更加有利于工作人員對電力線路進行實時觀測[13]。

2.2.2 圖像亮度調整

無人機在對電力線路進行巡檢時,由于無人機所處環境不同,因此亮度也會隨之發生改變,這就使得拍攝后的圖像可能會出現亮度曝光或者是亮度太弱等情況,這也會為后續的電腦識別造成很大困難,所以這就需要工作人員對圖像進行亮度調整,從而更加準確地獲取圖像中的信息。工作人員可以采用線性調整的方式,對圖像像素做出適當調整,目的是能夠更加直觀地顯示電力線路巡檢過程中需要強調的物體[14]。

2.2.3 圖像對比度調整

無人機傳輸的圖像可能會出現特征不明顯等現象,需要工作人員在后期圖像處理中對其對比度進行調整。基于原始圖像,對太亮或者太暗的圖像進行恰當處理,從而得到一張清晰度高且直觀的圖像[15]。

2.2.4 圖像拼接技術

無人機電力線路巡檢中,由于攝像條件存在一定的限制,所以拍攝的圖像通常都需要進行人工對比分析,從而更大程度地提升其分辨率。因此,工作人員可以對無人機傳輸的圖像進行拼接處理,從而更好地提高其清晰度。然而由于無人機在實際拍攝中會遇到很多特殊情況,所以圖像拼接技術也并不意味著能夠直接將不同圖像進行拼接使用,而是應當根據不同圖像的具體特征,將像素導出,通過對其特征的了解,從而刪減重疊部分。圖像拼接技術對設備有著很高的要求,而且拼接過程往往會耗費大量時間,所以其工作效率并不高,而且對于重疊區域的問題也很難處理妥當。

2.2.5 圖像識別技術

無人機在進行電力線路巡檢時,線路是通過計算機拍攝的圖像找到的,但是拍攝過程中經常會受到天氣的影響,極大地增加了目標選取的困難程度。對此,工作人員應當通過圖像處理算法的強適用性更好地解決圖像識別問題,比如根據所檢測到的圖像,對其中有著明顯線路標志的地方進行提取,將其余類似霧雨等干擾性因素進行濾除,從而得到目標圖像。

3 圖像處理技術在應用過程中存在的問題

圖像處理技術在無人機電力巡檢中會遇到很多問題,一些干擾因素會嚴重影響巡檢工作,具體通過以下4個方面來進行詳細闡述。

3.1 光學形成的像差

無人機在進行電力線路巡檢中,主要是通過拍攝圖像的方式達到巡檢的目的。而在拍攝圖像中,遠軸區產生的是實際圖像,而近軸區產生的則是理想圖像,這兩者之間在成像上有著明顯的偏差,對圖像質量造成很大影響,同時也降低了檢測準確性。除此之外,輻射失真也會對無人機拍攝的圖像造成一定影響。拍攝過程中,無人機利用傳感器觀測目標或者在能量輻射過程中出現輻射失真,都會影響遙感器的解讀能力。

3.2 機械振動影響無人機拍攝

無人機在拍攝線路現狀時,通常都處在飛行的狀態,運動和拍攝姿態會導致最終成像出現模糊等現象。無人機飛行姿態的不同和遙感器的不同,都會使得無人機在巡檢過程中拍攝的圖像出現失真扭曲,為后續工作人員進行圖像處理帶來一定難度。

3.3 噪聲影響

圖像噪聲主要是指在無人機在巡檢過程中,對線路進行拍攝或者是將圖像進行傳輸時,受到不同的信號干擾,所拍攝的圖像中出現椒鹽噪聲或者高斯噪聲等。與此同時,噪聲對無人機電力線路巡檢的干擾尤為嚴重,不僅會影響無人機的正常飛行,同時也會對圖片成像造成很大影響。當工作人員對受到噪聲影響的圖片進行處理時,也要花費很長一段時間,降低了工作效率。

3.4 季節變化及氣候原因對無人機拍攝造成影響

一年有4個季節,每個季節都不盡相同,再加上雨天、霧天或者烈陽天等場景變化,為無人機拍攝目標造成很大難度。自然氣候等方面的影響使得無人機在拍攝時的成像背景變得尤為復雜,同時也會讓輸電線路及相關部件的背景變得很難識別,這在一定程度上為后期工作人員帶來很大麻煩。

4 結語

如果輸電線路出現不明原因的故障,那么會造成城市各大區域大面積出現斷電斷網現象,隨之而來的便是道路交通擁堵、鐵路停電,甚至政府部門出現癱瘓。為了確保電力系統安全運行,有效的電力線路巡檢尤為重要。我國目前也正大力推行無人機電力線路巡檢方式,其也已經逐漸替代人工巡檢,而圖像處理技術是技術人員知曉線路運行實際情況的關鍵所在。隨著我國無人機技術的不斷發展,圖像處理也必然會成為電力巡線相關領域研究的重點,從而在日后的不斷進步中使其能夠更好地保護我國電力系統。