航拍圖像在輸電線路識別與狀態(tài)檢測中的應(yīng)用研究

黃曉胤，李寧，邱鵬，陶志焱，劉曉偉

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，河北石家莊 050000；2.武漢傲睿爾科技有限公司，湖北武漢 430000）

工作人員需要根據(jù)航拍的特點(diǎn)，對圖像預(yù)成像展開研究。通過光學(xué)相關(guān)內(nèi)容保證航拍圖像亮度均衡，改善對比度下降的缺陷。根據(jù)航拍的圖像噪音等內(nèi)容，提出相關(guān)的計(jì)算方法，并引入更多的函數(shù)內(nèi)容，提高維納濾波的實(shí)際效果，改善圖像復(fù)原的質(zhì)量。在輸電線路的基礎(chǔ)上，需針對輸電線路的特點(diǎn)展開分析，隨后明確合理的輸電線路計(jì)算內(nèi)容，保證最終計(jì)算的有效性。

1 航拍圖像在輸電線路識別與狀態(tài)檢測中的應(yīng)用研究意義

航空攝影與測量技術(shù)能夠?qū)︼w機(jī)航行過程中所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體化和數(shù)字化的處理，處理后得到了更多的數(shù)據(jù)信息、空間信息以及狀態(tài)信息，從而滿足了人類對各種事物的信息需要。而航空圖像的相關(guān)數(shù)據(jù)處理方式則大致包括目標(biāo)圖像識別與定位、空間信息建立、三維空間模型及其重建、三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。當(dāng)前，航空照相檢測技術(shù)被普遍應(yīng)用于軍事、災(zāi)害評價(jià)、城市規(guī)劃等方面。在供電系統(tǒng)內(nèi)，航空照相檢測也被應(yīng)用，且輸電線路巡檢是重點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域。

在直升機(jī)的巡檢過程中，還能夠搭載可見光數(shù)碼攝影機(jī)、數(shù)字?jǐn)z相機(jī)和紅外線熱成像器等設(shè)備，并以此紀(jì)錄下巡檢航班的圖片信息資料內(nèi)容，圖片信息資料內(nèi)包括了輸電線路的基本特征和運(yùn)行情況。通過對這種航拍圖片信息的處理，能夠掌握輸電線路的基本情況，并發(fā)現(xiàn)了各類設(shè)備問題和故障隱患等。到目前為止，通過直升機(jī)巡視系統(tǒng)可以完成的巡視項(xiàng)目主要有檢查桿塔、導(dǎo)地線以及金具、復(fù)合懸式絕緣子等主要配件的正常工作狀況，檢查內(nèi)容大致分為：①路面狀況，包含水污源布置變化情況、路面周圍房舍及其他基礎(chǔ)設(shè)施變化情況、塔基周圍地勢變動狀況、護(hù)坡方法、橫向排水管渠的完整狀況等；②道路標(biāo)示牌、警告牌的完整狀況，檢查鐵幢塔材破損、銹蝕狀況，塔上異物等狀況；③防振錘掉落或滑移、間隔棒偏斜或滑移、接地線路與充放電間隙變動狀況等；④單懸式高壓支柱絕緣子斷裂情形或復(fù)合懸式高壓支柱絕緣子串傾斜，金具零部件的銹蝕、變形等狀況。另外，還可進(jìn)行接點(diǎn)過熱檢測、異常電暈、絕緣距離變化等的檢測。

當(dāng)前，在日常的直升機(jī)巡查工作中，直升機(jī)巡查的工作方法大致有肉眼目測、儀器觀測、肉眼與儀器自動監(jiān)測有機(jī)地結(jié)合。巡檢最主要的工作方法目測主要是通過使用望遠(yuǎn)鏡觀察情況，或在事后查閱圖片、拍攝筆錄下的圖片等，以確定該線是否存在故障情況或存在危險(xiǎn)隱患。很顯然，這種方法檢測效果欠佳且受主客觀因素影響較大，因此檢測精確度無法提高；同時(shí)，由于直升機(jī)巡查工作使用目測方法自身的風(fēng)險(xiǎn)本來就非常高，且極易造成危害人身安全和損壞硬件等的交通事故。因此截至目前，直升機(jī)巡查工作并不屬于高新技術(shù)領(lǐng)域。于是，將航拍攝影測量技術(shù)融入到了輸電線路巡檢管理工作中，通過收集到的航拍圖片采用圖像測量的方式得到測量結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸電線路巡查全自動化目的。這樣一來，不但能夠解決人工方式的各種問題，大幅度提高工作效率以及檢測準(zhǔn)確度，提高巡檢服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)也能夠增強(qiáng)了直升機(jī)巡檢的穩(wěn)定性，從而減少了惡性事故的出現(xiàn)。此外，航空攝影檢測技術(shù)同時(shí)也是現(xiàn)代無人機(jī)巡查的重要技術(shù)基石，涵蓋了無人機(jī)的導(dǎo)航、飛行器狀態(tài)管理、航拍圖像獲取以及巡檢結(jié)果管理等方面。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)開始，部分歐美國家逐漸在架空式輸電線路搶修時(shí)應(yīng)用直升機(jī)。經(jīng)過長時(shí)間的研究后，通過總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大型直升機(jī)應(yīng)用于輸電線路方面，其應(yīng)用模式逐漸從以往的人力、機(jī)械運(yùn)輸?shù)綄芸站€路展開定期的維修以及檢查，并且明確了相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容，積極開展線路維修工作。中國也針對無人飛行器、巡檢管理體系以及相關(guān)技術(shù)積極展開深入的研究探索。同時(shí)，國內(nèi)電網(wǎng)集團(tuán)也對直升機(jī)巡查展開合理的嘗試，并總結(jié)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，針對航空圖片展開處理的過程中，也獲得一定的成就。

由于直升機(jī)巡檢所具有的特點(diǎn)，對航空圖像展開信息處理的過中，與其他領(lǐng)域內(nèi)存在顯著的差異，主要如下。首先，圖像退化過程中的問題得以解決，在巡檢過程中對收集到的圖像信息進(jìn)行完善，明確其存在不同的衰退情況。比如，在圖像處理過程中存在的畸形、扭曲以及模糊等情況，最終導(dǎo)致圖像品質(zhì)發(fā)生變化。而導(dǎo)致圖像出現(xiàn)退化的因素也比較多，主要的內(nèi)容包括以下5 點(diǎn)：①光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)存在的差衍射、帶寬等情況導(dǎo)致圖像出現(xiàn)畸形變化；②陽光暴曬、大氣環(huán)境內(nèi)的干擾效果等因素導(dǎo)致電子圖像發(fā)生變化；③電子圖像元件的拍攝姿勢、光電轉(zhuǎn)換器件等非線性狀態(tài)等因素致使最終的電子圖像出現(xiàn)畸形變化；④圖像系統(tǒng)以及被攝影景色出現(xiàn)的相對運(yùn)動等誘發(fā)圖形運(yùn)行逐漸模糊；⑤圖像在成像、數(shù)字化以及信息采集的過程中，由于處理誘發(fā)的噪音等。同時(shí)，運(yùn)動模糊以及各種噪音對其產(chǎn)生的危害程度比較大。其次，確定目標(biāo)以及獲取。隨著中國氣候發(fā)生變暖，輸電線路的自然條件以及地形條件均會發(fā)生顯著的變化，收集到的圖片信息也會由于地理環(huán)境的變化而發(fā)生較為復(fù)雜的變化，且對比度顯著降低，對實(shí)際收集的干擾程度更加大。而且，部分天然的地形以及人工建筑物都會導(dǎo)致周圍的圖形發(fā)生顯著的變化，增加實(shí)際的復(fù)雜性。而部分復(fù)雜地形以及人工建筑物都會讓周圍的圖形背景復(fù)雜性顯著增加。復(fù)雜條件下獲取并明確目標(biāo)，是當(dāng)前輸電線路檢測的重點(diǎn)。最后，還需對設(shè)備存在的故障進(jìn)行診斷以及定位。輸電線路在實(shí)際檢測的過程中，設(shè)備的類型因檢測需求不同而不同，且存在的故障種類也不同。因此，在自動檢測的過程中，還需對各項(xiàng)設(shè)備的類型以及故障展開分析，明確檢測方式以及定位技術(shù)。當(dāng)前，國內(nèi)巡檢圖像信息技術(shù)的研發(fā)工作，在不斷完善過程中，并獲得了一定成就。

21 世紀(jì)初，美國猶他州立大學(xué)針對直升機(jī)輸電線路展開巡查過程的研究中，論述了應(yīng)用航拍圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路巡查的可能性以及技術(shù)特點(diǎn)，且認(rèn)為大型直升機(jī)在實(shí)際巡查時(shí)，涉及的內(nèi)容包括模型辨識、主動視覺系統(tǒng)以及視野反饋監(jiān)控等技術(shù)。同時(shí)，需要解決的問題涉及多個(gè)方面，需明確實(shí)際的問題，進(jìn)而完善技術(shù)，為后續(xù)的科研工作提供更多的思路。

3 輸電線路的常規(guī)檢修內(nèi)容

3.1 完善輸電線路運(yùn)維檢修技術(shù)

首先，需要建設(shè)設(shè)備主人制度，這項(xiàng)制度的主要作用就是將原有的運(yùn)維管理制度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而將相對應(yīng)的檢修任務(wù)分配給個(gè)人。這項(xiàng)制度的出現(xiàn)能夠使設(shè)備主人對高壓輸電線路運(yùn)行檢修工作進(jìn)行全方位的管理與落實(shí)，這能夠幫助相關(guān)工作人員建立設(shè)備主人與檢修人員的連續(xù)責(zé)任制度[1]。使用這種方式，能夠更好地提升檢修人員工作意識和責(zé)任意識，進(jìn)而提高相對應(yīng)的檢修效率和檢修效果。

其次，需要建立完善的運(yùn)維資料庫。電力企業(yè)在未來工作的過程中需要充分使用先進(jìn)的信息技術(shù)，建立相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)檔案庫，從而對運(yùn)維工作的基本情況進(jìn)行采集，采集之后通過云儲存對數(shù)據(jù)進(jìn)行保管。這一工作的意義在于能夠?yàn)樵O(shè)備主人的安全評估工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)還能夠提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。未來電力企業(yè)在工作的過程中還需要注意對電力設(shè)備安全維護(hù)工作進(jìn)行加強(qiáng)，從而讓運(yùn)維工作實(shí)現(xiàn)連續(xù)的運(yùn)行與發(fā)展[2]。

最后，需要保證運(yùn)維工作機(jī)制逐漸走向合理化。主要的方式就是明確運(yùn)維人員的工作規(guī)范以及工作周期，從而更好地提升運(yùn)維工作質(zhì)量以及運(yùn)維工作效率。

3.2 檢修輸電線路設(shè)備性能

未來在對設(shè)備進(jìn)行性能檢修的過程中需要明確，主要的工作方向就是對相對應(yīng)的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行檢修，只有保證設(shè)備的質(zhì)量，才能夠更好地提升整體運(yùn)行狀態(tài)。如果在檢修的過程中發(fā)現(xiàn)部件有絕緣子性能不達(dá)標(biāo)的情況，就需要及時(shí)更換，從而保證絕緣子的絕緣性能。如果在檢修導(dǎo)地線的過程中，想要修復(fù)相對應(yīng)的導(dǎo)地線，可以使用單線纏繞和管道連接的方式來進(jìn)行修復(fù)。如果導(dǎo)地線出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的損傷，那么在必要的情況下需要截?cái)喑霈F(xiàn)問題的部分，將全新的導(dǎo)地線進(jìn)行連接，這能夠極大地提升導(dǎo)地線質(zhì)量。如果出現(xiàn)了雷電氣候，那么此時(shí)質(zhì)量較好的導(dǎo)地線就能夠發(fā)揮出作用。檢修其他元件的過程中，還需要關(guān)注元件的整體連接質(zhì)量，這對于工程要求標(biāo)準(zhǔn)來說非常關(guān)鍵。未來對于高壓線路當(dāng)中存在的一些安全隱患，需要在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行解決，從而避免較大的損失出現(xiàn)[3]。

3.3 做好輸電線路管理工作

在未來對高壓輸電線路進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的過程中，電力企業(yè)需要注意建立合理的計(jì)劃以及管理工作機(jī)制，從而制定出更加合理的管理計(jì)劃。在工作之前需要制定出整體運(yùn)維管理工作規(guī)劃，從而保證高壓輸電線路能夠合理運(yùn)行。未來制定工作計(jì)劃時(shí)，首先需要根據(jù)電力企業(yè)的運(yùn)行檢修工作數(shù)據(jù)以及相對應(yīng)的電力企業(yè)發(fā)展需求來進(jìn)行制定。工作的過程中需要盡量合理地安排工作人員，對各項(xiàng)人力物力資源進(jìn)行最大化配置。并且，在工作的過程中需要制定出運(yùn)維管理具體規(guī)劃。未來需要保證能夠在整體規(guī)劃的指導(dǎo)下來建立相對應(yīng)的具體工作規(guī)劃，這對于運(yùn)維檢修工作的細(xì)化來說非常關(guān)鍵也非常重要。

與此同時(shí)，相關(guān)人員需要建立更加合理化的監(jiān)督機(jī)制，這能夠保證工作計(jì)劃實(shí)現(xiàn)更好地開展與實(shí)施。電力企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要注意成立監(jiān)督小組，對于各個(gè)部門的工作水平以及工作方向進(jìn)行監(jiān)督，要求工作的過程中既能夠強(qiáng)化各個(gè)部門之間的合作交流，同時(shí)也能夠讓各個(gè)部門進(jìn)行相互監(jiān)督[4]。

4 航拍圖像在輸電線路識別中的應(yīng)用

當(dāng)前，直升機(jī)在巡查的過程中，其采集到的圖像較為有限，主要為輸電線路與桿塔等內(nèi)容。目標(biāo)物始終在有效的視野內(nèi)，再加上直升機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其存在問題時(shí)，才會停止飛行。因此，直升機(jī)巡查過程中采集到的圖像多為動態(tài)圖像，再加上目標(biāo)物體的相對運(yùn)動，常會出現(xiàn)圖像退化的情況。此種情況下，圖像的退化將直接關(guān)系到最終的圖像采集效果。

而對于巡檢圖像實(shí)施的處理，目標(biāo)圖像的識別以及提取工作十分重要。因背景所存在的復(fù)雜性以及變化較多，導(dǎo)致目標(biāo)圖像以及背景圖出現(xiàn)較大的差異。所以，目標(biāo)圖像的實(shí)際提取與去除背景是巡檢圖像的常見問題。在輸電線路的識別以及提取方面，中國對其展開一定的研究并具有一定的技術(shù)處理[5]。

4.1 圖像分割

圖像分割主要是指根據(jù)相關(guān)原則，將圖像分解成多個(gè)不相交、具有共同屬性的區(qū)域。處于同一個(gè)圖像內(nèi)，人們感興趣的目標(biāo)常占據(jù)一定的區(qū)域，且某些特點(diǎn)十分顯著，與周圍存在一定的差異。圖像分割作為圖像識別與圖像理解的后續(xù)內(nèi)容直接關(guān)系到最終的成敗。

4.2 輸電線的提取算法

通過圖像分解算法，可以將圖像中的邊緣像素提取。但是，這些邊緣中包含輸電線的邊緣成分以及背景內(nèi)物體的邊緣成分。怎樣從邊緣內(nèi)獲取輸電線的邊緣部分是諸多學(xué)者的研究重點(diǎn)。學(xué)者對其展開深入研究后發(fā)現(xiàn)，輸電線路在高分辨率影像內(nèi)具有以下特點(diǎn)：①輸電線路較長；②輸電線率的像素寬度顯著低于3個(gè)像素；③輸電線路的圖像與直線十分相似；④輸電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖較為簡單，貫穿整個(gè)圖像內(nèi)容，僅有中間部分被桿塔分開；⑤各個(gè)輸電線路內(nèi)的圖像處于平行關(guān)系，二者并不會存在顯著的相交；⑥輸電線路背景作為自然與人工地貌較為復(fù)雜的內(nèi)容，像道路、河流等建筑物，這些建筑體的圖像與輸電線路十分相似，甚至?xí)⑵溲蜎]其中無法分辨。根據(jù)上述總結(jié)輸電線路的特征，可以將其分為3 個(gè)不同的像素，故實(shí)際工作中常采取直線檢測方法對其展開檢測[6]。

5 航拍圖像在狀態(tài)檢測中的應(yīng)用

狀態(tài)檢測主要是指根據(jù)輸電線路的狀態(tài)特征對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行合理的判定，進(jìn)而對存在的故障展開診斷的過程。輸電線路的狀態(tài)檢測中，國外對其展開深入研究，并研究出一種高分辨率的圖像，以此測量弧垂裝置。這一裝置主要指將“聰明相機(jī)”固定在桿塔上，隨后對準(zhǔn)固定懸掛的導(dǎo)線標(biāo)靶，對裝置內(nèi)部的圖像進(jìn)行軟處理，進(jìn)而獲取標(biāo)靶內(nèi)的空間坐標(biāo)，對導(dǎo)線的弧垂進(jìn)行計(jì)算。而日本則通過對直升機(jī)巡檢采集過程中的輸電線纜相關(guān)圖像展開處理，進(jìn)而明確電纜的亮度以及性狀，隨后對電纜損害程度展開分析研究。同時(shí)，直升機(jī)對輸電線路進(jìn)行巡檢的過程中，也可應(yīng)用紅外熱像掃描過熱點(diǎn)，檢查絕緣子表面存在的污穢情況。應(yīng)用紫外電暈可以發(fā)現(xiàn)線路非正常電暈的情況，進(jìn)而判定電纜的水平以及是否損傷等。

中國通過將多種技術(shù)結(jié)合，分析并研究出機(jī)載多角度電力巡線系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多角度的數(shù)據(jù)，可以獲取特定的目標(biāo)，進(jìn)而對高壓輸電走廊展開三維的重建工作，對高壓線路周圍的物體以及輸電線距離展開測量，明確危險(xiǎn)定位，其被廣泛用于當(dāng)前狀態(tài)檢測中[7]。

6 結(jié)束語

綜上所述，通過對航拍圖像的輸電線路展開識別以及檢測工作，可以對其進(jìn)行深入研究，將輸電線路檢查過程中獲取的航拍圖像作為對象，將多種測量技術(shù)用于實(shí)際檢測中，最終實(shí)現(xiàn)輸電線路以及設(shè)備等相關(guān)狀態(tài)的識別。本文通過研究航拍圖像的預(yù)處理內(nèi)容，可以在復(fù)雜背景下對其展開提取以及處理，為當(dāng)前工作提供更多的建議。