趙 淵

(銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,貴州 銅仁 554300)

0 引言

我國(guó)電力部門每年都要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行電力線路巡檢,主要原因則是我國(guó)地勢(shì)遼闊且地形復(fù)雜,而電力線路又分布廣泛,如果遇到天氣惡劣的情況,線路巡檢也能及時(shí)將線路實(shí)際情況進(jìn)行反饋,從而保障所有人都能正常用電[1]。

隨著科技事業(yè)的飛速發(fā)展,無(wú)人機(jī)電力線路巡檢的方式也逐漸出現(xiàn)在大眾視線中,與以往傳統(tǒng)電力巡線方式相比,其突破了地理?xiàng)l件的限制,能夠應(yīng)用于我國(guó)所有地區(qū),而且巡檢效率高,因此目前正廣泛應(yīng)用于我國(guó)電力線路巡檢。在運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行線路巡檢中,無(wú)人機(jī)通過(guò)自身攜帶的設(shè)備對(duì)電力線路進(jìn)行拍攝,工作人員通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析,便能迅速知曉導(dǎo)地線等部件的運(yùn)行狀態(tài)。因此通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),能夠更加有利于相關(guān)部門了解線路的運(yùn)行狀況,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也能第一時(shí)間做出處理[2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)廣泛進(jìn)入人們的日常生活,民用無(wú)人機(jī)深受當(dāng)代年輕人喜愛(ài)。無(wú)人機(jī)是一種可以通過(guò)無(wú)線遙控或者機(jī)體內(nèi)自帶程序進(jìn)行操控飛行的一種不載人飛機(jī),涉及的領(lǐng)域廣泛,包括通信技術(shù)、信息處理技術(shù)等,是新時(shí)代科技發(fā)展中的一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)成果[3]。無(wú)人機(jī)不同領(lǐng)域的應(yīng)用分類如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)不同領(lǐng)域的應(yīng)用分類

在無(wú)人機(jī)的發(fā)展中,圖像處理技術(shù)也很關(guān)鍵,因?yàn)槠淠軐?duì)電力線路運(yùn)行狀況等方面做出有效判斷。我國(guó)電力線路巡檢中運(yùn)用無(wú)人機(jī)的方式與發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步較晚,國(guó)外在早些年便開(kāi)始運(yùn)用類似無(wú)人機(jī)等高科技設(shè)備進(jìn)行電力線路巡檢,因此其對(duì)后續(xù)的圖像處理技術(shù)研究得更為深入。我國(guó)雖然也開(kāi)始運(yùn)用無(wú)人機(jī)這類高效設(shè)備進(jìn)行電力線路巡檢,但是起步較慢,只是處于研究階段,相關(guān)措施還沒(méi)有完善[4]。我國(guó)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)圖像處理技術(shù)在無(wú)人機(jī)電力線路巡檢中的研究,從而使其能夠更好地應(yīng)用于我國(guó)高壓輸電線路巡檢[5]。

2 圖像處理在無(wú)人機(jī)電力線路巡檢中的應(yīng)用

2.1 無(wú)人機(jī)巡檢的重要性

我國(guó)電力線路分布涉及的地域面積尤為廣泛,所以確保電路穩(wěn)定是一項(xiàng)十分重要的工程。同時(shí),一般供電點(diǎn)都是由多個(gè)小的工作點(diǎn)組成,這個(gè)供電點(diǎn)就是一個(gè)稍有規(guī)模的小電網(wǎng),為了使每個(gè)人都能用上充足的電能,通常都會(huì)在環(huán)境惡劣且地勢(shì)險(xiǎn)峻的偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立相關(guān)供電網(wǎng)[6]。然而,受自然因素和地理環(huán)境的影響,供電網(wǎng)常常會(huì)發(fā)生故障,影響供電質(zhì)量,再加上偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏電力巡檢人員,這就使得電路巡檢工作很難做到位,即使線路發(fā)生故障,也不能第一時(shí)間反饋,因此無(wú)人機(jī)電力線路巡檢方式便能很好地運(yùn)用其中[7]。

以往的線路巡檢方式需要投入大量的成本,工作效率也并不樂(lè)觀,通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)我國(guó)輸電線路進(jìn)行巡檢,比人工檢測(cè)更加細(xì)致深入,而且還不用擔(dān)心會(huì)受到環(huán)境等方面的影響,也能有效避免人工檢測(cè)帶來(lái)的誤差,將準(zhǔn)確信息第一時(shí)間上傳給工作人員。目前,我國(guó)貴州省銅仁市一架多旋翼無(wú)人機(jī)也正在按照既定設(shè)置自主開(kāi)展線路巡檢,并且沿線路順利完成了桿塔之間的自主飛行、自動(dòng)拍照記錄等動(dòng)作[8]。

在以往,貴州省銅仁市的電力線路巡檢通常依賴于運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)與觀察力,非常容易產(chǎn)生由工作人員引起的操作失誤,忽略較為隱蔽的線路缺陷。無(wú)人機(jī)巡檢的開(kāi)展也標(biāo)志著銅仁市無(wú)人機(jī)電力線路巡檢已經(jīng)完成了從“人工操作”向“自主巡檢”的突破與轉(zhuǎn)變,貴州省銅仁市無(wú)人機(jī)電力線路自主巡檢如圖2所示。

圖2 貴州省銅仁市無(wú)人機(jī)電力線路自主巡檢

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)事業(yè)的迅速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升,無(wú)人機(jī)技術(shù)愈加成熟,其中,民用無(wú)人機(jī)得了國(guó)家與社會(huì)的高度重視。筆者從民用無(wú)人機(jī)的相關(guān)報(bào)道中了解到[9-11],在2015年時(shí),民用無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模就已達(dá)到了23億元,2017年上升為65億元,2019年我國(guó)民用無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模突破200億元,2020年同比增長(zhǎng)66%(見(jiàn)圖3)。隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步,在2020年時(shí),我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)599億元,國(guó)家政策導(dǎo)向和地方政府的務(wù)實(shí)推進(jìn),也正大力推動(dòng)我國(guó)無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展,因此明確了民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo),到2025年,民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)值將達(dá)到1 800億元,年均增速25%以上,如果按照這個(gè)增長(zhǎng)速度推算,發(fā)展至2026年,我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將有可能達(dá)到2 250億元,具體如圖4所示。

圖3 2017年中國(guó)民用無(wú)人機(jī)銷售規(guī)模及預(yù)測(cè)

圖4 2021—2026年中國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

2.2 具體應(yīng)用技術(shù)

2.2.1 圖像預(yù)處理

無(wú)人機(jī)電力線路巡檢主要是通過(guò)拍攝圖像并將其傳輸?shù)姆绞?讓工作人員第一時(shí)間了解到線路以及其他設(shè)備的運(yùn)行狀況。然而,在無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程中,受到天氣等因素影響,或者是無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中出現(xiàn)的特殊原因等[12]也會(huì)出現(xiàn)拍攝圖像與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象。為了保證無(wú)人機(jī)所拍攝圖像的準(zhǔn)確性,就需要工作人員對(duì)圖像進(jìn)行針對(duì)性處理,比如去除霧雨背景。霧天和雨天的可見(jiàn)度低,無(wú)人機(jī)的視野受到影響,拍攝的圖片也往往會(huì)出現(xiàn)模糊、難以分辨等情況。對(duì)此,工作人員可以采用像素過(guò)濾的方式去除圖像上的雨霧。然而這個(gè)方法并不適用于所有圖像,如果是正在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的視頻,則不建議使用這種方式將雨霧去除,最好能夠建立一個(gè)相對(duì)應(yīng)的模型,通過(guò)模型更好地將雨霧像素進(jìn)行描述,并且通過(guò)背景分離的方式對(duì)圖像進(jìn)行分離處理,之后便可以檢測(cè)圖像在大小以及亮度上的變化,從而進(jìn)一步將雨霧去除,得到清晰度高且真實(shí)的圖像,如此也更加有利于工作人員對(duì)電力線路進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)[13]。

2.2.2 圖像亮度調(diào)整

無(wú)人機(jī)在對(duì)電力線路進(jìn)行巡檢時(shí),由于無(wú)人機(jī)所處環(huán)境不同,因此亮度也會(huì)隨之發(fā)生改變,這就使得拍攝后的圖像可能會(huì)出現(xiàn)亮度曝光或者是亮度太弱等情況,這也會(huì)為后續(xù)的電腦識(shí)別造成很大困難,所以這就需要工作人員對(duì)圖像進(jìn)行亮度調(diào)整,從而更加準(zhǔn)確地獲取圖像中的信息。工作人員可以采用線性調(diào)整的方式,對(duì)圖像像素做出適當(dāng)調(diào)整,目的是能夠更加直觀地顯示電力線路巡檢過(guò)程中需要強(qiáng)調(diào)的物體[14]。

2.2.3 圖像對(duì)比度調(diào)整

無(wú)人機(jī)傳輸?shù)膱D像可能會(huì)出現(xiàn)特征不明顯等現(xiàn)象,需要工作人員在后期圖像處理中對(duì)其對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整?；谠紙D像,對(duì)太亮或者太暗的圖像進(jìn)行恰當(dāng)處理,從而得到一張清晰度高且直觀的圖像[15]。

2.2.4 圖像拼接技術(shù)

無(wú)人機(jī)電力線路巡檢中,由于攝像條件存在一定的限制,所以拍攝的圖像通常都需要進(jìn)行人工對(duì)比分析,從而更大程度地提升其分辨率。因此,工作人員可以對(duì)無(wú)人機(jī)傳輸?shù)膱D像進(jìn)行拼接處理,從而更好地提高其清晰度。然而由于無(wú)人機(jī)在實(shí)際拍攝中會(huì)遇到很多特殊情況,所以圖像拼接技術(shù)也并不意味著能夠直接將不同圖像進(jìn)行拼接使用,而是應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同圖像的具體特征,將像素導(dǎo)出,通過(guò)對(duì)其特征的了解,從而刪減重疊部分。圖像拼接技術(shù)對(duì)設(shè)備有著很高的要求,而且拼接過(guò)程往往會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間,所以其工作效率并不高,而且對(duì)于重疊區(qū)域的問(wèn)題也很難處理妥當(dāng)。

2.2.5 圖像識(shí)別技術(shù)

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行電力線路巡檢時(shí),線路是通過(guò)計(jì)算機(jī)拍攝的圖像找到的,但是拍攝過(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到天氣的影響,極大地增加了目標(biāo)選取的困難程度。對(duì)此,工作人員應(yīng)當(dāng)通過(guò)圖像處理算法的強(qiáng)適用性更好地解決圖像識(shí)別問(wèn)題,比如根據(jù)所檢測(cè)到的圖像,對(duì)其中有著明顯線路標(biāo)志的地方進(jìn)行提取,將其余類似霧雨等干擾性因素進(jìn)行濾除,從而得到目標(biāo)圖像。

3 圖像處理技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

圖像處理技術(shù)在無(wú)人機(jī)電力巡檢中會(huì)遇到很多問(wèn)題,一些干擾因素會(huì)嚴(yán)重影響巡檢工作,具體通過(guò)以下4個(gè)方面來(lái)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 光學(xué)形成的像差

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行電力線路巡檢中,主要是通過(guò)拍攝圖像的方式達(dá)到巡檢的目的。而在拍攝圖像中,遠(yuǎn)軸區(qū)產(chǎn)生的是實(shí)際圖像,而近軸區(qū)產(chǎn)生的則是理想圖像,這兩者之間在成像上有著明顯的偏差,對(duì)圖像質(zhì)量造成很大影響,同時(shí)也降低了檢測(cè)準(zhǔn)確性。除此之外,輻射失真也會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的圖像造成一定影響。拍攝過(guò)程中,無(wú)人機(jī)利用傳感器觀測(cè)目標(biāo)或者在能量輻射過(guò)程中出現(xiàn)輻射失真,都會(huì)影響遙感器的解讀能力。

3.2 機(jī)械振動(dòng)影響無(wú)人機(jī)拍攝

無(wú)人機(jī)在拍攝線路現(xiàn)狀時(shí),通常都處在飛行的狀態(tài),運(yùn)動(dòng)和拍攝姿態(tài)會(huì)導(dǎo)致最終成像出現(xiàn)模糊等現(xiàn)象。無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的不同和遙感器的不同,都會(huì)使得無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中拍攝的圖像出現(xiàn)失真扭曲,為后續(xù)工作人員進(jìn)行圖像處理帶來(lái)一定難度。

3.3 噪聲影響

圖像噪聲主要是指在無(wú)人機(jī)在巡檢過(guò)程中,對(duì)線路進(jìn)行拍攝或者是將圖像進(jìn)行傳輸時(shí),受到不同的信號(hào)干擾,所拍攝的圖像中出現(xiàn)椒鹽噪聲或者高斯噪聲等。與此同時(shí),噪聲對(duì)無(wú)人機(jī)電力線路巡檢的干擾尤為嚴(yán)重,不僅會(huì)影響無(wú)人機(jī)的正常飛行,同時(shí)也會(huì)對(duì)圖片成像造成很大影響。當(dāng)工作人員對(duì)受到噪聲影響的圖片進(jìn)行處理時(shí),也要花費(fèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間,降低了工作效率。

3.4 季節(jié)變化及氣候原因?qū)o(wú)人機(jī)拍攝造成影響

一年有4個(gè)季節(jié),每個(gè)季節(jié)都不盡相同,再加上雨天、霧天或者烈陽(yáng)天等場(chǎng)景變化,為無(wú)人機(jī)拍攝目標(biāo)造成很大難度。自然氣候等方面的影響使得無(wú)人機(jī)在拍攝時(shí)的成像背景變得尤為復(fù)雜,同時(shí)也會(huì)讓輸電線路及相關(guān)部件的背景變得很難識(shí)別,這在一定程度上為后期工作人員帶來(lái)很大麻煩。

4 結(jié)語(yǔ)

如果輸電線路出現(xiàn)不明原因的故障,那么會(huì)造成城市各大區(qū)域大面積出現(xiàn)斷電斷網(wǎng)現(xiàn)象,隨之而來(lái)的便是道路交通擁堵、鐵路停電,甚至政府部門出現(xiàn)癱瘓。為了確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行,有效的電力線路巡檢尤為重要。我國(guó)目前也正大力推行無(wú)人機(jī)電力線路巡檢方式,其也已經(jīng)逐漸替代人工巡檢,而圖像處理技術(shù)是技術(shù)人員知曉線路運(yùn)行實(shí)際情況的關(guān)鍵所在。隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,圖像處理也必然會(huì)成為電力巡線相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn),從而在日后的不斷進(jìn)步中使其能夠更好地保護(hù)我國(guó)電力系統(tǒng)。