基于無人機(jī)傾斜攝像的配電線路樹障檢測方法

黃緒勇，林中愛，唐 標(biāo)，繆 蕊，滕啟韜

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650012）

面對(duì)著對(duì)電力資源需求不斷提高的發(fā)展背景，以電力資源運(yùn)輸為目標(biāo)的輸電線路建設(shè)開始受到了越來越多的關(guān)注[1]。在具體的運(yùn)行過程中，除了由于線路自身老化問題帶來的配電質(zhì)量下降外，外部因素的影響也是導(dǎo)致配電效果難以得到理想狀態(tài)，或出現(xiàn)異常的主要原因之一[2]。其中，由于輸電線路周圍樹木導(dǎo)致的配電異常問題也是較為常見的一種類型。可能存在在布設(shè)配電線路的階段周圍樹木并未對(duì)線路造成影響，但是由于后期的不合理栽種或原有樹木的發(fā)展，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的生長范圍覆蓋了線路所在空間[3]。針對(duì)該問題，開展有效的檢測工作是十分必要的。其中，文獻(xiàn)4 將機(jī)載激光點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用到輸電線路樹障的檢測研究中，設(shè)計(jì)方法具有較高的檢測效率，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路樹障檢測需求的有效適應(yīng)，但是該方法的檢測結(jié)果誤差相對(duì)偏高。文獻(xiàn)5 將衛(wèi)星遙感影像技術(shù)應(yīng)用到輸電線路樹障的檢測研究中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線樹距離的準(zhǔn)確測量，并能夠?qū)Υ嬖诘臉湔想[患作出有效預(yù)警，但是該方法在檢測階段的計(jì)算量相對(duì)較大，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的時(shí)間開銷也相對(duì)較長，對(duì)于覆蓋面積廣、配送距離長的線路而言，其在應(yīng)用方面存在一定的局限性。[4-5]

在上述基礎(chǔ)上，本文提出基于無人機(jī)傾斜攝像的配電線路樹障檢測方法研究，并通過對(duì)比測試的方式分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)檢測方法的實(shí)際應(yīng)用效果。借助本文的設(shè)計(jì)與研究，希望能夠?yàn)榕潆娋€路樹障檢測工作的開展提供有價(jià)值的幫助，同時(shí)也最大限度地降低由于樹障帶來的配電安全問題。

1 配電線路樹障檢測方法設(shè)計(jì)

1.1 基于無人機(jī)的線路環(huán)境圖像采集

要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路樹障的準(zhǔn)確檢測，有效獲取線路環(huán)境圖像信息是極為重要的環(huán)節(jié)之一[6]。由于線路和樹木位置關(guān)系不唯一，采用單一角度采集線路環(huán)境圖像時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致信息采集結(jié)果不完整，或部分信息由于采集裝置的視覺差出現(xiàn)異常[7]。針對(duì)該問題，本文利用無人機(jī)對(duì)線路環(huán)境圖像信息進(jìn)行采集時(shí)，充分考慮了攝影角度對(duì)于最終圖像信息質(zhì)量的影響[8]，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)攝像角度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，傾斜的方式獲取線路環(huán)境圖像。

本文在利用無人機(jī)采集線路環(huán)境圖像信息的過程中，以線路作為核心點(diǎn)，分別采用俯拍和仰拍的方式進(jìn)行攝影。需要注意的是，具體的俯拍和仰拍角度主要取決于無人機(jī)與線路之間的距離。當(dāng)樹木分支的發(fā)散程度較高時(shí)，無人機(jī)難以近距離采集線路環(huán)境圖像，此時(shí)需要適當(dāng)加大俯拍和仰拍角度；當(dāng)樹木分支的發(fā)散程度較低時(shí)，無人機(jī)能夠近距離采集線路環(huán)境圖像，此時(shí)可以適當(dāng)減小俯拍和仰拍角度。針對(duì)該問題，本文為無人機(jī)設(shè)置了具體的采集控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

從表1 中可以看出，在利用無人機(jī)從不同位置采集線路環(huán)境圖像信息時(shí)，本文設(shè)置對(duì)應(yīng)的仰拍角度和俯拍角度是一致的。這樣做的目的是降低后續(xù)對(duì)圖像分析計(jì)算的難度，可以利用統(tǒng)一的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中具體數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確提取。

表1 無人機(jī)攝像角度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

按照這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測線路周圍環(huán)境圖像信息的完整獲取，為后續(xù)的樹障參數(shù)分析提供可靠基礎(chǔ)。

1.2 配電線路樹障檢測

結(jié)合上述的線路環(huán)境圖像采集結(jié)果，對(duì)于配電線路樹障的檢測主要是通過對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析得到的。首先，本文假設(shè)在仰拍下圖像中，顯示樹木與線路之間的直線距離為ly，那么以此為基礎(chǔ)，計(jì)算得到樹木與線路之間的關(guān)系為：

其中，ds表示樹木與線路之間的水平距離，dc表示樹木與線路之間的垂直距離，dq表示樹木與線路之間的凈空距離，a表示攝影仰角。為了避免由于樹葉遮擋等問題導(dǎo)致的檢測結(jié)果異常，再按照同樣的方式，對(duì)俯拍圖像中蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算。通過比較不同圖像資料中對(duì)應(yīng)的樹木與線路之間關(guān)系，對(duì)具體的樹障結(jié)果進(jìn)行校正。在具體的校正過程中，當(dāng)不同拍攝角度下，反映出的樹木與線路之間距離差異小于計(jì)算結(jié)果整體的3.0%時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，造成誤差的原因?yàn)椴豢煽匾蛩兀划?dāng)樹木與線路之間距離差異大于計(jì)算結(jié)果整體的3.0%時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)的計(jì)算結(jié)果需要進(jìn)行校正。本文以仰角圖像和俯角圖像的對(duì)位信息為基礎(chǔ)，調(diào)整距離參數(shù)為一致狀態(tài)，此時(shí)再重復(fù)上述的計(jì)算與對(duì)比校準(zhǔn)分析，直至達(dá)到要求。

通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路樹障的準(zhǔn)確檢測。但是需要注意的是，由于在圖像采集過程中需要以線路的具體位置作為無人機(jī)攝像角度的控制基準(zhǔn)，因此，當(dāng)樹木完全覆蓋配電線路時(shí)，無人機(jī)是難以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像有效采集的。針對(duì)這一情況，則默認(rèn)此時(shí)的樹木與線路之間的距離為非安全距離，需要直接采取對(duì)應(yīng)的管控措施。

2 測試與分析

2.1 測試環(huán)境

在測試階段，本文以實(shí)際的配電線路環(huán)境為基礎(chǔ)開展對(duì)比測試，其中，對(duì)照組采用的檢測方法分別為文獻(xiàn)4 提出的以機(jī)載激光點(diǎn)云技術(shù)為基礎(chǔ)的配電線路樹障檢測方法，文獻(xiàn)5 提出的以衛(wèi)星遙感影像技術(shù)為基礎(chǔ)的配電線路樹障檢測方法。測試線路對(duì)應(yīng)的總長度為1126.30m，塔桿間距最大值為200.0m，最小值為120.0m。在測試環(huán)境范圍內(nèi)，存在某部分區(qū)域樹木生長范圍與線路所在空間范圍重疊的情況，將該部分作為具體的測試位置。

在具體的檢測過程中，本文從安全管理和隱患防治的角度出發(fā)，開展樹障檢測工作。對(duì)于實(shí)際樹障信息的核實(shí)，本文根據(jù)三種方法的檢測結(jié)果，采用人工測量的方式作出判定。檢測方法輸出的結(jié)果與人工實(shí)際測量結(jié)果之間的偏差越小，表明對(duì)應(yīng)方法的可靠性越高，越具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.2 測試結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，在測試階段分別采用三種方法對(duì)3 種不同類型的樹障情況進(jìn)行檢測，并統(tǒng)計(jì)了對(duì)于樹障水平距離、垂直距離以及凈空距離的檢測結(jié)果。具體不同方法對(duì)于線路樹障的檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 不同方法檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表/m

結(jié)合表1 所示的測試結(jié)果可以看出，在三種方法的測試結(jié)果中，對(duì)于不同類型樹障的檢測結(jié)果與實(shí)際值之間均存在一定的偏差。在文獻(xiàn)4方法的測試結(jié)果中，對(duì)于線路與樹之間水平距離的檢測結(jié)果偏差較大，最大誤差達(dá)到了0.33m（測試點(diǎn)1），對(duì)于線路與樹之間垂直距離的檢測結(jié)果偏差相對(duì)較小，最大值僅為0.08m（測試點(diǎn)2），對(duì)于線路與樹之間凈空距離的檢測結(jié)果誤差在0.16m～0.29m 之間。在文獻(xiàn)5 方法的測試結(jié)果中，對(duì)于線路與樹之間水平距離、垂直距離以及凈空距離的檢測結(jié)果偏差并未出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，基本穩(wěn)定在0.2m～0.3m 之間，雖然不存在大幅偏差，但是整體準(zhǔn)確性存在進(jìn)一步提升的空間。在本文設(shè)計(jì)方法的測試結(jié)果中，對(duì)于線路與樹之間水平距離、垂直距離以及凈空距離的檢測結(jié)果偏差不僅表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性，具體的誤差水平也始終處于較低的狀態(tài)，最大值僅為0.07m（測試點(diǎn)3 的水平距離參數(shù)），最小值僅為0.01m（測試點(diǎn)1 的凈空距離參數(shù)、測試點(diǎn)2 的垂直距離參數(shù)和凈空距離參數(shù)以及測試點(diǎn)3的垂直距離參數(shù)）。綜合上述測試結(jié)果可以得出結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的基于無人機(jī)傾斜攝像的配電線路樹障檢測方法可以在不同線路和樹木位置關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹障隱患的準(zhǔn)確檢測，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

為了最大限度保障配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)線路周圍環(huán)境中的安全隱患因素做出準(zhǔn)確分析是十分必要的。

本文以配電線路樹障為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)傾斜攝像的配電線路樹障檢測方法，結(jié)合樹障的存在特點(diǎn)，通過調(diào)整無人機(jī)的攝像角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路與樹木之間位置關(guān)系圖像的準(zhǔn)確獲取，并通過圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹障的準(zhǔn)確檢測。通過本文的設(shè)計(jì)，以期為配電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供幫助。