基于無人機的輸電線路工程圖像采集研究

李海龍，劉金慧，張志國，王照華，劉曉龍

（國網遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽 110004）

近幾年來，隨著我國電力工程建設的迅速發展，電力網的輸電線路長度不斷增加，滿足了社會工業和生活用電的持續增長需求[1]。以現在的發展速度，到2030 年，中國的輸電線路將達到240 萬千米，并網規模位居世界第一。

由于高壓輸電線路地域覆蓋范圍廣，受復雜地形和自然環境（如雷擊、大風冰雹、強對流天氣等）的影響，或受外力破壞，造成線路故障[2]。一旦輸變電線路發生故障，那么整個配電站將難以正常運行，嚴重影響工業、交通、醫療衛生等多個部門的正常運轉，給人們生產生活帶來極大不便[3]。因此，必須對輸電線路進行定期檢查維護，以保證電力系統安全穩定地運行。

基于此，相關學者設計了一種輸電線路一體化圖像監拍裝置，實時采集輸電線路狀態圖像，然后上傳到監控中心的軟件平臺[4]。在此期間，工作人員可以通過APP 瀏覽監控照片，及時分析處理現場情況，快速排除險情。該設備需要無線網絡傳輸圖像數據，可以實時監控，但其角度固定不變。若被外界干擾物遮擋，將影響采集效果。

為解決這一問題，文中提出了基于無人機的輸電線路工程圖像采集方法。智能無人機因重量輕且可從任何角度對線路巡視，以及受干擾程度小而成為巡視輸電線路的有效工具。

1 工程圖像采集裝置

基于無人機的工程圖像采集裝置如圖1 所示。

圖1 基于無人機的工程圖像采集裝置

如圖1 所示，在無人機上搭載相機組，圖像采集卡分別與相機組和嵌入式板連接，最后嵌入式板與內存板連接，嵌入式計算機通過圖像傳輸模塊和數據傳輸模塊進行傳送[5]。

相機組由多個攝像機組成，攝像機的一端與圖像采集卡相連，另一端與可擴展USB 插槽的圖像采集卡連接，而可擴展USB 插槽與嵌入板上的串口相連。圖像傳輸模塊包括圖像傳輸天線和圖像接收天線，其中圖像傳輸天線通過編碼器連接到嵌入式板，圖像接收天線通過解碼器連接到筆記本電腦；數據傳輸模塊包括數據傳輸天線和數據接收天線，其中數據傳輸天線與嵌入式板連接，數據接收天線與筆記本電腦連接，兩個天線可以相互收發數據[6-8]。

將手提電腦放到地面，打開電源，將無人機與攝像機連接并啟動，然后在手提電腦操作與照相機組拍攝下，開始無人機的飛行巡檢工作[9]。

2 工程圖像采集流程設計

在無人機采集圖像數據之前，需要根據業務需求提前制訂任務計劃，并對測試區域進行了解。

步驟一：設置航拍參數。將航高、像片重疊度、航線這3 個參數作為航拍參數進行設置。

1）計算航高。通過檢查所測區域的地理位置，根據相關業務需求，對所測區域的地形和存在的遮擋進行不同比例的航拍，并選擇圖像的地面分辨率[10-12]。通過比例尺和地面分辨率的對比來確定圖像的地面分辨率，結果如表1 所示。

表1 比例尺和分辨率分析

根據式（1）計算航高：

式中，H表示航高；f表示物鏡焦距；a表示像素元尺寸；k表示航空攝影地面分辨率[13]。

2）像片重疊度。按照測繪行業的技術規范和標準，結合被調查地區的地理因素和有關業務要求，圖像重疊度應滿足縱向重疊度不小于1/2，橫向重疊度不小于1/8。

3）航線。根據航測范圍大小確定航程和航程長度，式（2）和（3）分別用來計算拍攝到的圖像的基準長度和行寬。

式（2）、（3）中，S表示實際拍攝長度；D表示實際無人機航拍軌跡間隔寬度；Lx、Ly分別表示拍攝到的像幅長和寬；Px、Py分別表示航向和旁向重疊度[14]。

步驟二：調整無人機拍攝參數。為使調整效果更好，用戶在筆記本電腦上輸入相關指令，通過數據傳輸模塊傳輸給嵌入板。嵌入板可將拍攝參數根據相應的指令發送到筆記本電腦，用戶可根據拍攝參數對無人機實時飛行的拍攝效果進行評估，及時調整無人機的拍攝參數，以達到最佳拍攝效果[15]。

步驟三：畫面數據編碼。拍攝的實時圖像數據由嵌入板通過編碼器進行編碼，并通過圖像傳送天線將編碼后的圖像數據傳送至地面終端接收天線。

步驟四：數據傳輸。圖像傳送接收天線接收圖像資料并傳送給解碼器，解碼器解碼實時圖像資料并傳送給筆記本電腦。

步驟五：基于無人機工程圖像三維重建。以無人機工程圖像為基礎的三維重建無人機攝影測量系統，利用傾斜攝影測量技術，通過無人機搭載攝像機從多角度獲取地面圖像，快速生成三維模型[16]。

三維重建的目的就是為輸電線路工程建立適合于圖像采集的結構模型，能夠在無線網絡環境下對三維數據進行分析與處理。圖2 中顯示了三維投影和重建的過程。從圖2 可以看出，三維重建過程是相機成像的反過程，了解照相機的成像過程，就能更好地進行三維重建。無人機獲取的圖像序列都是二維的，因此使用二維圖像序列來重建傳輸線的三維結構模型。

圖2 三維投影與重建流程

攝像機模型有4 個坐標系，關系如圖3 所示。

圖3 四大坐標關系

圖3 中，P(X,Y,Z)點投影與圖像素坐標系之間的關系如下所示：

式中，R、T表示無人機拍攝到的動態信息；n表示無人機拍攝相機的內部參數。

利用動態數據恢復技術，以無人機拍攝到的動態信息R和T為初始值對新圖像進行動態數據恢復。新建的點云對應的特征點占新建點的50%以上，利用最小全投影誤差算法對重建點云進行迭代優化，從而對重建點云進行優化。無人機采集到的動態數據由二維圖像序列轉換為三維結構。

步驟六：圖像畸變矯正。由于不同攝像機鏡頭不同，所以鏡頭拍攝時都會產生一定的偏差，容易導致原始圖像變形失真，其中徑向畸變是指鏡頭半徑處失真的表現行為是鏡頭中心光線比其余光線彎曲，這一變形在普通的鏡頭中更為明顯，如圖4所示。

圖4 徑向畸變示意圖

由圖4 可知，成像儀光軸中心基本沒有失真，但是從鏡頭半徑到邊緣的失真越來越嚴重。前者的失真由幾個圍繞泰勒級數展開的數學模型的主要部分來描述，而后者的失真一般可由O1、O2兩個部分來描述。也就是說，對于這樣一個失真的大魚眼透鏡，可由數學模型來描述。成像器在某一點上，可根據其徑向分布進行調節，調節公式為：

式（5）中，(x0,y0)表示發生畸變初始位置；(x,y)表示畸變校正后位置，徑向畸變后，點位偏移與光心距離不同的點。修正結果是成像點距離光心越遠，徑向位移越大，說明成像失真越嚴重。當光心附近像點基本無偏差時，校正完畢。

步驟七：圖像保存。無人機在飛行中到達預定地點后，根據系統預設的飛行路徑和預定的地理位置信息，使用筆記本電腦調用OpenCV 截圖功能，直接捕獲當前筆記本電腦顯示的不同攝像機的實時圖像，并將捕獲的圖像數據保存到該電腦中。

步驟八：畫面顯示。攝像機通過數據采集卡將數據交換后的實時圖像傳送給嵌入式面板，嵌入式面板再將圖像采集結果傳遞給計算機，最終由計算機LED 屏幕顯示采集結果[17-18]。

3 實驗與分析

以某輸電線路為研究對象，應用該研究設計的基于無人機的輸電線路工程圖像采集方法進行詳細測試。

3.1 實驗裝置與環境

選取陰天、大霧、大雪的實驗場景，如圖5 所示。

圖5 實驗場景確定

實驗中使用DJI和DNaN 飛行控制軟件對無人機進行控制。無人機配置參數為：延遲拍攝時間要求在2.0 s 以內；飛行高度可達到150 m；拍攝圖像分辨率為1 080 P；焦距為25 mm；偏航角度是60°；拍攝時以水平方向為拍攝軌跡，橫向拍攝8張，縱向拍攝8張。

3.2 實驗結果與分析

對比在不同場景下，輸電線路一體化圖像監拍裝置和文中設計的基于無人機的圖像采集方法的應用效果，對比結果如表2 所示[19]。

表2 兩種方法圖像分辨率對比分析

分析表2 所示結果可知，使用輸電線路一體化圖像監拍裝置最高分辨率為1 920×1 080，最低為640×480。而應用文中設計的基于無人機的圖像采集方法后，最高分辨率為2 048×1 080，在大霧和大雪環境下也可以將分辨率保持在1 920×1 080 的水平。因此，設計的基于無人機的圖像采集方法的應用效果更好。

4 結束語

文中提出的基于無人機的輸電線路工程圖像采集方法結合了動態數據恢復技術，重新構建輸電線路工程三維圖像，并矯正圖像徑向畸變，大大提高了圖像分辨率。

雖然該研究在提高圖像采集質量方面取得了一定研究成果，但仍存在問題，需后續進行深入研究，如在傳輸線工程中，圖像重建的效果還有待提高。因此，在接下來的研究中，將充分考慮線輪廓形狀的規律性，將傳輸線輪廓的先驗知識引入三維重建中，進一步提高圖像采集效果。