基于UAV的输电线路周围植被管理分析_罗建斌.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：广东电网有限责任公司科技项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，）：，（），：；：；：基于 的输电线路周围植被管理分析罗建斌，郑耀华，何 勇，张 雨，孙 仝，陆勇生，袁新星（广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆；北京数字绿土科技股份有限公司，北京）摘 要：输电线路周围树枝触碰线路会导致大面积停电，因此，有必要对输电线路周围植被进行方便有效管理。为了实现输电线路周围植被简单高效管理，提出了一种基于无人机（）测量技术的管理方法，通过无人机从输电线路正上方以外的位置和远离输电线路的位置获取图像，来得到不同时间下输电线路数据和传输设备信息，对输电线周围植被进行时间序列管理，通过电力公司提供的关于塔架位置和结构以及电力线垂度的信息，将弧垂信息与塔架的位置信息相结合来估计输电线路的位置，采用的输电线路与植被间距测量方法无需对场景进行全面 重构，所提方法通过 个实验验证了有效性，所得结论有助于提高输电线路的巡检效率。关键词：；输电线路；植被；弧垂中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）随着电网规模的不断扩大，高电压等级、长距离的输电线路也日益增长。由于我国幅员辽阔，地形复杂多变，长输电线路不可避免会经过山区。而且，考虑到电磁效应对人体的影响，输电线路通常也会选择建在人烟稀少的山区。输电线路周围的树枝接触线路会导致重大停电事故，树障隐患是造成输电线路运作失常的主要原因之一。因此，有必要对架空输电线路导线周围的植被进行有效准确分析，保持导线和植被间的间距。传统输电线路周围植被通过人工巡检进行管理，工作环境艰苦、人身安全面临挑战，且需要携带全站仪、测距仪等笨重的传统设备，造成巡检效率低、工作强度大。机载激光系统能够进行高精度的间距测量，但维护成本高昂，不能经常使用。随着多旋翼无人机的普及，航测技术成为植被分析管理中应用最广泛的技术。文献通过无人机获取输电线路周围图像，并利用卷积神经网络进行图像识别，来监测输电线路周围植被；文献通过使用大约 个像素捕获导线并重建 点云，使导线的位置变得清晰，从而充分重建输电线路，但这种方法需要从靠近导线的位置捕获数据，会增加无人机接触输电线的风险。当无人机直接飞越输电线时，如果无人机坠毁，则存在损坏输电线的风险。由于杆塔的位置一般不会改变，因此，提出利用第 期罗建斌，郑耀华等：基于 的输电线路周围植被管理分析 电力公司提供的塔架位置信息和不同时间获得的无人机数据，以低成本实现电力线周围植被的时间序列管理。此外，由于输电设备的信息还包括输电线的弧垂，因此不需要从图像中重构输电线，也可以通过将下垂信息与塔架的位置信息相结合来估计输电线的位置。此外，通过使用这些信息，可以省略摄影测量 所 需 的 地 面 控 制 点（，）的安装。研究的线路及数据 研究线路研究区域选择某电力公司的四条线路。表 显示了所研究的输电线路的详细信息。表 所研究的输电线路详细信息线路 线路 线路 线路 塔架结构格子格子管状钢格子电压 回路 图 为输电线路设备的外观。线路 为 同塔双回线路。线路 的一侧有一座山，在规划无人机飞行路线时必须考虑到山体的影响。线路 使用的是管状钢塔架，输电线路周围的空间比其他的塔架小。如图（）所示，线路 是两条平行线，两平行线的间距很小，使得无人机很难在 线和 线之间的空间中飞行。此外，线路 的塔架之间高度差异很大，需要综合考虑各因素规划无人机飞行路径。图 各输电线路外观 图像数据获取使用的无人机是由 制造的 。图像数据是分别在 年 月 日（月数据）、年 月 日（月数据）、年 月 日（月数据）和 年 月 日（月数据）使用无人机内置可见光相机获取的。无人机斜飞在输电线路上方，飞行高度在输电线路最高点上方 处，视输电线路输电等级而定。摄像机瞄准输电线路。在线路 的西侧，也就是山所在的一侧，无人机只向一个方向飞行。随着线路 向南延伸，输电线路和植被的海拔高度增高。因此，在线路 上，无人机在从起点到终点的行程中以不同的高度飞行。此外，捕获的静止图像跟实际线路图像重叠了 以上，可用于 模型重建。输电线路信息由某电力公司提供所使用输电线路的塔架结构图、塔架位置坐标和线路弧垂信息。计算方法提出了一种通过使用无人机数据创建的 重建数据来计算输电线路与植被之间距离的方法。图 显示了所提出方法的流程。首先，从获取的无人机数据中创建 重建数据，并使用从塔架结构图创建的塔架结构数据指定 数据上塔架的坐标和高度。接下来，使用塔架位置坐标校正 数据的坐标。最后，计算了输电线路坐标和线路与植被之间的距离。图 计算方法流程图 重建基于无人机数据，利用运动恢复结构（，）技术对输电线路及其周围环境进行三维重建，该技术可以从多个图像中具有共同特征的点（即连接点）估计相机的位置、方向以及物体的形状。通过设置坐标系，可以以各种方式测量由电 子 器 件第 卷 技术创建的 数据。以 开发的 作为 软件，作为坐标系。在 重建过程中，首先根据连接点匹配结果和摄像机的内部信息（如焦距）估计摄像机的位置和方向。随后，根据估计的相机位置构建了密集的点云。使用 点云使过程复杂化，因为必须考虑三个方向。在本文中，将 点云转换为体素模型，并在 平面中对其进行处理。此外，体素模型的分辨率设置为 ，以保持植被的目标重建误差在 以内。塔架结构数据创建基于塔架结构图中描述的塔架尺寸创建了一个简单的塔架模型。塔架模型由以下四种类型的部件组成：两个臂，定义为水平直线，其两端是输电线或架空地线的支点；单臂，定义为水平直线，其一端是输电线的支点；有线柱，定义为垂直直线，其上端是架空地线的支点。非有线柱，定义为垂直直线，其上端不是支点。图 塔架模型图 为创建的塔架模型。其中 是塔架臂的宽度或支柱的 坐标，是手臂的 坐标或支柱的高度，是塔架原点，代表不同的组成部分（大于或等于 的整数）。塔架模型的创建方式如下：双回路格子塔架（线路）：对应于两个臂固定供电线路，对应于两个臂固定架空地线，对应于非有线柱。双回路格子塔架（线路）：对应于两个臂固定供电线路，对应于有线柱。单回路格子塔架：对应于两个臂固定供电线路，对应于单个臂，对应于有线柱。管状钢：对应于两个臂固定动力线，对应于单个臂（），对应于非有线支柱。塔架数据库创建通过将塔架位置坐标等信息与第 节中创建的塔架结构数据相关联，创建了一个数据库。输入关联的信息如下：塔架名称：输入塔架名称，例如 线路 编号；塔架结构信息：输入第 节中定义的塔架结构信息。塔架位置坐标：在平面矩形坐标系中输入塔架的、和 坐标。这些数据由电力公司提供。电压：输入输电线电压。用于在测量间距时设置输电线路面积。塔架底部一侧的宽度：输入通过向塔架结构图底部一侧的宽度值。此值用于在测量间距时设置塔架面积。悬挂绝缘子长度：如果绝缘子是悬式的，则输入悬挂绝缘子长度。图 塔架坐标和高度标定流程图 塔架坐标和高度标定读取 点云和体素模型的坐标，并指定塔架坐标。图 显示了具体的处理流程：塔架候选区域提取：以塔架数据库中记录的塔架位置信息为中心，提取水平面中 区域的正方形。旋转和体素转换：提取的目标塔架区域中的点云围绕 轴旋转。旋转值 是连接 平面正交体素模型中塔架臂两端的直线与 轴之间的角度。旋转后，再次执行体素转换。在本文中，轴、轴和 轴为旋转轴。塔架角度设置和塔架坐标选定：在某些情况下，由 重建的 点云以一定角度输出，因此，导致塔架围绕塔架模型的原点倾斜角度。塔架的坐标和高度是使用 以及叠加在包含塔架原点的 平面上的整个塔架的 分布。第 期罗建斌，郑耀华等：基于 的输电线路周围植被管理分析 点云校正为了通过叠加在不同时间获取的数据来确定植被的变化，与在第 节中创建的两个塔原点之间进行了 仿射变换，即从校正的塔架坐标（）到塔架数据库中指定的数据库塔架坐标（），并使用此变换方程校正了整个点云。在本节中，由于是在齐次坐标系中处理的，因此 被定义为矩阵（，）和（，），并且 被定义为矩阵（，）和（，）。图 显示了点云校正的过程，包括以下步骤：图 点云校正过程 转化：执行并行转化，将 转化至原点。旋转：执行围绕 轴的旋转，以便连接 和 的直线在 平面上。旋转（倾斜校正）：倾斜度校正通过 和 来实现。具体说来，近似为连接点（，）和点（，）的直线与 轴之间的夹角，是塔架角度，并且此值用于围绕 轴旋转。旋转：每当执行中描述的过程时（即，当 不满足时），转换为不在 平面上的坐标。因此，再次执行了围绕 轴的旋转，并且 在 平面上移动。标定：为了使 之间的水平距离等于 之间的水平距离，在 轴方向上执行了标定。波动 倾斜：为了在不改变塔架和植被高度的情况下将两个 的 坐标转换为相应的，将 轴方向的切线在 轴方向上平移。旋转：为了与 在水平方向上统一两个塔架的方向，围绕 轴执行旋转。转化：将两个 转换为相应的。点云校正：执行步骤。此外，当一个数据集中存在多个塔架时（如在 线路 中），将对每个塔架执行处理。因此，由于线路 有三对塔架，因此现需要执行这些步骤三次。输电线路坐标计算在校正后的三维点云上再次指定了塔架的坐标和高度，并利用各塔架中输电线支点的坐标和电力公司提供的输电线弧垂信息计算出输电线的坐标。图 显示了处理流程，其中包括以下步骤：图 输电线坐标计算流程图塔架坐标和高度标定：与在第 节中处理的方法类似。输电线平面提取：根据中创建的塔架数据，创建了一个平行于 轴的平面，穿过两个塔架的相应输电线支点。输电线坐标计算：输电线坐标在 平面中计算，并在中创建的平面上绘制，单位为 。为了计算输电线坐标，采用式（）给出的悬链线曲线（是悬链线数）。此外，跨度长度为 的悬链线曲线的弧垂 是通过式（）获得的。（）|（）间距测量使用 平面计算输电线与植被之间的间隔距离。图 显示了具体的测量流程。旋转：旋转校正后的 点云，使连接塔架的直线平行于任何平面。输电线和塔架面积定义：在间距测量中，计算 平面中输电线和点云之间的最短距离。必须排除输电线本身和塔架的影响，以便计算电力线和植被之间的距离。因此，输电线和塔架的区域被定义为矩电 子 器 件第 卷图 间距测量流程图形。电源线区域是一个矩形，在输电线坐标的左侧、右侧和向下方向上有长度为 的边距。此外，是根据输电线的电压，塔架的大小和塔架产生的噪声设置的。但是，对于塔架 坐标上方和下方 的区域，下缘设置为。塔架区域位于一个一侧宽度为 的矩形内，该值在塔架数据库中记录，位于塔架的底部，并以 轴和 轴方向的塔架坐标为中心。最短距离计算：计算了第 节中定义的输电线坐标与周围环境（如植被）之间的最短距离。实验结果及分析为了验证所提方法的有效性，采用体素模型进行了 个修正前后实验：点云校正实验、体素模型叠加实验和间距测量实验。点云校正实验表 显示了更正前 和 之间的误差。表 显示了第 节中标定的塔架角度。表 校正前 和 之间的误差塔架和飞行路径方向误差 月数据 月数据 月数据线路 编号，南水平高度线路 编号，南水平高度线路 编号，西水平高度线路 编号，西水平高度表 校正前的塔架角度塔架和飞行路径（）月数据 月数据 月数据线路 编号，南线路 编号，南线路 编号，西线路 编号，西 在简单的 重建中，与 相比，水平方向误差可能会大于 ，高度误差会超过 。由于 月数据中的塔架坐标与正常的相机相去甚远，因此高度误差较大。此外，水平方向的误差往往与 成比例。表 显示了与表 中相同的塔架校正后的 和 之间的误差。通过应用校正，使 的水平方向误差在 以内，高度误差为 。此外，当使用激光测距仪（）测量树木，并比较恢复的树木时，个树木中有 个误差在 范围内。由于基于塔架之间距离的比例因子在顶部和底部约为，因此点云校正对绝对精度的影响很小。表 校正后 和 之间的误差塔架和飞行路径方向误差 月数据 月数据 月数据线路 编号，南水平高度线路 编号，南水平高度线路 编号，西水平高度线路 编号，西水平高度图 平面叠加结果 由表 与表 对比可知，校正后的 和 之间的误差远远低于校正前二者的误差，且校正后二者误差值几乎均为。因此，证明了所提校正方法的有效性。体素模型叠加