柴芳芳

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

我國(guó)電網(wǎng)用戶(hù)數(shù)量近些年在不斷增加，高壓輸電線(xiàn)路遍布全國(guó)。電網(wǎng)的運(yùn)行以及維護(hù)工作在早年間主要是由人工巡線(xiàn)的方式來(lái)完成，對(duì)于維護(hù)人員而言勞動(dòng)強(qiáng)度較高，但效率低下[1]。無(wú)人機(jī)技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展迅速，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)在電力工業(yè)中的應(yīng)用，其關(guān)鍵功能是智能巡檢[2-3]。隨著影像密集匹配技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)也被用于電力檢測(cè)領(lǐng)域。由于攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)關(guān)鍵算法的突破，線(xiàn)樹(shù)距離的定量檢測(cè)也得以實(shí)現(xiàn)。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影和測(cè)線(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)的樹(shù)木障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步豐富了定量測(cè)線(xiàn)樹(shù)木距離檢測(cè)的方法，進(jìn)一步降低了成本。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與方法

根據(jù)無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)要求和特點(diǎn)，定制開(kāi)發(fā)了電力巡線(xiàn)飛行控制系統(tǒng)軟件。通過(guò)簡(jiǎn)單合理的航路設(shè)計(jì)，可支持無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)運(yùn)行[4]。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)用于電力巡線(xiàn)樹(shù)障檢測(cè)中的工作流程圖

圖1 描述了電力巡線(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的工作原理和具體過(guò)程，首先輸入塔架坐標(biāo)，然后設(shè)置飛行高度和需要選擇的參數(shù)，如照片重疊度、巡邏任務(wù)的開(kāi)始和結(jié)束等，塔臺(tái)上傳任務(wù)后等待無(wú)人機(jī)（UAV）加載，點(diǎn)擊啟動(dòng)任務(wù)可以使UAV 開(kāi)始自動(dòng)飛行，飛行過(guò)程中可以監(jiān)控飛行狀態(tài)，等待無(wú)人機(jī)完成返回著陸任務(wù)。

2 基于傾斜攝影技術(shù)的無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

如圖2 所示，基于傾斜攝影成像技術(shù)的三維無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)、航點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和地面站控制系統(tǒng)等五部分組成。

圖2 3D 無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)提供方向盤(pán)等設(shè)備的裝載部分，其穩(wěn)定性和耐久性決定了瞬時(shí)系統(tǒng)的可用性，包括飛行控制系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確自動(dòng)完成電力巡線(xiàn)，主要借助的是導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要包括定位的GPS系統(tǒng)、定姿的INS系統(tǒng)和RTK差分系統(tǒng)。由于電纜布放環(huán)境的復(fù)雜性和無(wú)人機(jī)對(duì)制導(dǎo)精度和穩(wěn)定性的定位要求，制導(dǎo)技術(shù)非常重要。其任務(wù)是通過(guò)控制無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定飛行目標(biāo)點(diǎn)來(lái)保證跟蹤巡線(xiàn)項(xiàng)目的順利進(jìn)行，如果無(wú)人探測(cè)器偏離目標(biāo)點(diǎn)很大，跟蹤系統(tǒng)就很難找到檢測(cè)目標(biāo)。掛載的相機(jī)云臺(tái)為電力巡線(xiàn)提供了重要保障，只有云臺(tái)上面識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出塔桿和絕緣子，才能保存響應(yīng)信息的圖像。地面站系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)和測(cè)量無(wú)人機(jī)的情況，并提供實(shí)時(shí)圖像信息并發(fā)出去。

2.2 功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有巡線(xiàn)系統(tǒng)和巡線(xiàn)無(wú)人機(jī)、綜合電力線(xiàn)管理人員的綜合調(diào)研分析，結(jié)合天際線(xiàn)平臺(tái)3D影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)傾斜顯示和應(yīng)用需求。本文主要研究3D線(xiàn)路傳輸環(huán)境，通過(guò)3D虛擬可視化地理信息建模，3D模型庫(kù)建模，集成3D 瀏覽，分析故障點(diǎn)掃描飛行路徑圖，顯示故障點(diǎn)，3D 環(huán)境和故障點(diǎn)恢復(fù)顯示實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)的功能，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前電力巡檢系統(tǒng)和電力巡檢組現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境3D虛擬可視化的需求，結(jié)合電力巡檢組工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)功能，原型系統(tǒng)功能如圖3 所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能框架設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的要求，先確定待建的巡線(xiàn)區(qū)域，然后根據(jù)巡線(xiàn)區(qū)域獲取相應(yīng)的衛(wèi)星影像，并且利用DEM網(wǎng)格數(shù)據(jù)以此創(chuàng)建3D地形模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)寶塔、配送等模型進(jìn)行建模，對(duì)巡邏區(qū)域的3D地形進(jìn)行建模，構(gòu)建3D地形模型；在此基礎(chǔ)上建設(shè)電力走廊輸電線(xiàn)路、塔桿、輔助設(shè)備、周邊地形，整合地理模型數(shù)據(jù)和模型，通過(guò)創(chuàng)建景觀模型工程完成數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)3D功能二次開(kāi)發(fā)。

3 無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)系統(tǒng)的模型構(gòu)建

在完成電力公司無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)人巡線(xiàn)3D數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要涉及無(wú)人機(jī)3D模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、巡線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于無(wú)人機(jī)的巡線(xiàn)走廊信息采集、運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)、匹配攝像頭、云層檢索、攝像頭參考測(cè)量等。

3.1 無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)實(shí)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(wú)人機(jī)平臺(tái)采集電力線(xiàn)和圖像數(shù)據(jù)，Skyline 軟件用于捕獲圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程，最后設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)一定的技術(shù)路徑比較建模效果，技術(shù)路線(xiàn)如圖4 所示。

圖4 3D 傾斜攝影呈現(xiàn)路線(xiàn)

3.2 無(wú)人機(jī)的巡線(xiàn)走廊信息采集

主要是利用拍攝傾斜優(yōu)勢(shì)，使用便宜的小型無(wú)人機(jī)單鏡頭來(lái)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(tái)、不同視點(diǎn)率的圖像以此來(lái)完成采集任務(wù)，保證完成巡邏場(chǎng)景的效率，同時(shí)也大大降低了成本，縮短了技術(shù)難度的建模過(guò)程。具體采集過(guò)程如下，巡邏區(qū)域的確認(rèn)是巡邏場(chǎng)景3D還原的第一步，一般情況下，巡邏確認(rèn)通過(guò)規(guī)劃，或者通過(guò)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)拍攝來(lái)確定整個(gè)巡邏區(qū)域的范圍，來(lái)確定不同區(qū)域所需的不同型號(hào)的精度。根據(jù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局的《3D地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》的要求，結(jié)合無(wú)人機(jī)飛行精度，可以看出保證局部空間地理空間精度的需求，數(shù)據(jù)必須滿(mǎn)足至少1：200 的數(shù)字地圖圖像要求，航拍相關(guān)技術(shù)規(guī)定比較復(fù)雜，因此考慮到巡檢數(shù)據(jù)處理的有效性和方便性，對(duì)規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)化和優(yōu)化。依據(jù)國(guó)家《1：500，1：1000，1：2000 地形圖航空攝影規(guī)范》，巡邏區(qū)域精度分為高、中、低精度三個(gè)階段，在未知區(qū)域巡邏時(shí)，通過(guò)固定翼無(wú)人機(jī)的位置掃描（Position Scan），確定S 區(qū)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(qū)域精度示意圖

3.3 3D地理數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建

電力線(xiàn)通道面的3D 重建主要是通過(guò)影像密集匹配技術(shù)，從匹配的立體像對(duì)中提取3D點(diǎn)云，從而對(duì)電力線(xiàn)通道障礙物進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，其必要條件是電力線(xiàn)路表面和電力線(xiàn)通道3D重建，3D坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量，直接決定障礙物檢測(cè)的準(zhǔn)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(xué)者提出了影像密集匹配算法，然而多數(shù)3D重建算法的優(yōu)化，都是以城市建筑為目標(biāo)進(jìn)行的，并未對(duì)電力線(xiàn)信道進(jìn)行研究。由于電力線(xiàn)信道的地表被茂密的植被覆蓋，所以必須重點(diǎn)研究圖像的弱紋理相似度匹配算法[6]。電力線(xiàn)通過(guò)村莊等居民區(qū)附近時(shí)使用未授權(quán)結(jié)構(gòu)對(duì)電力線(xiàn)運(yùn)行構(gòu)成極大威脅，因此沖擊匹配算法不僅可以滿(mǎn)足電力線(xiàn)通道的覆蓋條件，還可以應(yīng)用于紋理特征人造建筑。

從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的角度來(lái)看，導(dǎo)體的3D重建、道路邊界線(xiàn)、房屋的矢量化等問(wèn)題比較典型，可用于3D 測(cè)繪環(huán)境，通過(guò)人工3D采集，實(shí)現(xiàn)維度坐標(biāo)矢量化。然而在實(shí)際過(guò)程中，人工采集導(dǎo)線(xiàn)3D坐標(biāo)不但降低了巡查效率，同時(shí)也因地表高差，無(wú)法對(duì)架空電力線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，增加人工采集的測(cè)量誤差[7-8]。

利用計(jì)算機(jī)輔助半自動(dòng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的3D重建，從圖像中提取電力線(xiàn)特征，必須使用特征檢測(cè)算法，然后人工選取兩幅由3D對(duì)組成的圖像對(duì)應(yīng)同一導(dǎo)體，通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算得到導(dǎo)體的3D 空間坐標(biāo)，輸出最終的導(dǎo)體矢量，實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)3D 坐標(biāo)的自動(dòng)提取。

3.4 系統(tǒng)體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

巡線(xiàn)環(huán)境的3D 傾斜攝影構(gòu)建采用TerraExplorerPro6.6.1的二次開(kāi)發(fā)接口函數(shù)（API），基于典型的B/S（Browser/Server）架構(gòu)模式進(jìn)行構(gòu)建和開(kāi)發(fā)，主要分為UI 層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。

4 無(wú)人機(jī)巡線(xiàn)樹(shù)障檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)試

4.1 無(wú)人機(jī)航攝參數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)

為了準(zhǔn)確獲取斜射數(shù)據(jù)，需要控制采樣距地表的距離，控制導(dǎo)航高度來(lái)控制距拍攝過(guò)程的距離，拍攝距離D計(jì)算如下。

上式中，待拍攝的長(zhǎng)邊圖像數(shù)量為n1；將鏡頭的水平視角設(shè)置為FOV。相對(duì)高度可以通過(guò)物體之間的距離來(lái)計(jì)算，但是相對(duì)于地面的高度計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果因每個(gè)飛行路徑的起點(diǎn)而異。圖6（a）為地平線(xiàn)飛行角度的關(guān)系圖。在這種情況下，可以得到固定高度的航線(xiàn)拍攝距離D等于從地面高度起飛的相對(duì)導(dǎo)航距離Hdg。

由上述公式可知，環(huán)繞飛行的高度Hkr和環(huán)繞飛行的半徑為Rhr，跟它的俯視角度存在一定的關(guān)聯(lián)，其計(jì)算公式為：

如圖6（b、c）所示，攝像機(jī)鏡頭視角為p，從云臺(tái)中獲取。

圖6 航高線(xiàn)與飛行角度的關(guān)系圖

在航拍中，圖像GSD受起伏的地表環(huán)境影響。但在控制高度和拍攝距離時(shí)，要盡量保持變化合理，使GSD 的變化在合理范圍內(nèi)。為了平衡工作效率，地面采樣距離GSD在廣域測(cè)量區(qū)可分為兩個(gè)階段。高能見(jiàn)度的主要特點(diǎn)是獲得高GSD的高分辨率圖像。后臺(tái)使用低GSD進(jìn)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(nèi)部處理相結(jié)合。

4.2 攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度和航線(xiàn)間隔長(zhǎng)度計(jì)算

假設(shè)攝影過(guò)程中，其基線(xiàn)長(zhǎng)度和航線(xiàn)間隔長(zhǎng)度為Bx和By，那么可以得到計(jì)算公式如：

4.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果評(píng)價(jià)

在本次實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)進(jìn)行了本地?cái)?shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，以建筑物、丘陵等區(qū)域?yàn)槔?，獲得的傾斜攝影電纜彩色點(diǎn)云如圖7 所示。

圖7 電力走廊彩色分類(lèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在對(duì)輸電線(xiàn)路的檢測(cè)中，選擇的這條線(xiàn)的總長(zhǎng)度是0.97 公里，覆蓋3 個(gè)塔基，野外導(dǎo)航飛行15 分鐘，數(shù)據(jù)分析處理35 分鐘。樹(shù)障凈空距離為6.86m，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)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(cè)的導(dǎo)線(xiàn)所檢測(cè)出來(lái)，并通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)垂度的大小明確表示出障礙物類(lèi)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(guò)使用激光雷達(dá)支持傾斜攝影，可以精確測(cè)量到1cm的距離。基于激光雷達(dá)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)坡度采集得到視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)Skyline 軟件平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，圖中可以觀察到的關(guān)鍵點(diǎn)有針對(duì)性?？蓪?shí)現(xiàn)結(jié)合響應(yīng)安全威脅的智能故障分析系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的電力線(xiàn)通道障礙物檢測(cè)方法，解決人工巡檢精度低、效率低、智能化程度低等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)電力線(xiàn)進(jìn)行巡線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)3D點(diǎn)云匹配、導(dǎo)線(xiàn)自動(dòng)生成報(bào)告和障礙物的半自動(dòng)提取，與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法相比，本文提出的方法自動(dòng)化程度較高，可以滿(mǎn)足電力線(xiàn)檢測(cè)人員對(duì)電力線(xiàn)的巡線(xiàn)需求。