倾斜摄影技术的无人机电力巡检设计研究

洪梓铭

（广东电网有限责任公司广州供电局 广东省广州市 510610）

电力对促进当地经济的快速发展起到了至关重要的作用，未来输电线路更多的是建设在经济欠发达的山区以及环境恶劣的地区。在复杂地形以及恶劣的环境下，输电线路更容易产生故障，影响输电安全，使得电力系统的安全运行面临巨大挑战。电力巡检的目的是确保输电线路的安全，及时、准确查找输电线路故障位置，分析线路故障原因。传统电力巡检方法为人工巡检，工作人员通过相关的辅助设备检查输电线路和各种电力设备，发现输电线路故障，给予维修，确保输电线路安全。人工电力巡检需要投入大量的人力资源，巡检的效率比较低，同时在各种恶劣的环境下高危作业，其生命安全受到巨大的威胁[1]。伴随着输电线路的持续增加以及输电线路所在环境的恶劣性，传统的人工电力巡检不能够很好地与其相匹配。导航技术和图像识别技术的快速发展使得无人机电力巡检备受关注，通过导航技术将无人机导航到特定的拍摄点，利用图像识别

技术对输电线路以及电力设备进行拍摄识别，找出输电线路或电力设备存在的故障。无人机电力巡检可以在很大程度上提高电力巡检的效率，避免人为所造成的操作失误，同时也降低了电力巡检的成本。基于此，本文对无人机电力巡检设计进行研究。

1 无人机倾斜摄影技术

1.1 无人机倾斜摄影测量技术优势

图1：倾斜摄影技术的流程图

图2：无人机电力巡检系统

图3：三维模型重建

作为一项新的摄影技术，倾斜摄影测量能够弥补传统遥感技术在反映物体外形、位置以及高度等属性方面的不足。在无人机上搭载倾斜摄影相机可以从五个角度来采集物体的属性，包括一个垂直角度和四个倾斜角度，这样对客观物体的在线也更加清晰、完整。利用倾斜摄影技术所展示的世界更加符合人视觉的真实世界，获得高精度的物体纹理信息，同时通过图像融合技术、三维建模技术等生产输电线路以及电力设备的真实模型[2]。目前，倾斜摄影技术已经被广泛应用于无人机电力巡检、城市管理、应急指挥等领域，同时也取得了显著的成绩。在无人机上搭载倾斜摄影相机避免了传统航测相机只能从垂直角度去拍摄物体信息的弊端，在无人机上搭载多台影像传感器，通过不同的传感器来获得不同角度所采集的影像信息，从而对地物文理细节的反映精度更高、更加全面。借助图像分割、图像识别等图像处理技术对地物纹理信息的提取，大大降低了地物三维建模的成本[3]。无人机搭载倾斜摄影相机来对数据进行测量和影像进行拍摄，是一种自动化模式，可以大大的缩短三维建模的时间，提高三维建模的效率。基于倾斜摄影技术的无人机电力巡检节约了电力巡检的成本、提高了电力巡检的效率，将传统人工电力巡检的室外作业转变为现代电力巡检的室内作业，大大降低了电力巡检人员室外作业的时间和高危作业的时间，室外作业劳动强度降低。

1.2 无人机倾斜摄影技术设计

无人机倾斜摄影所搭载的倾斜摄像机为RCD30 Oblique，该倾斜摄像机可以从五个角度进行地物拍摄，由一个下视摄像头和四个倾斜摄像头来完成。RCD30 Oblique 倾斜摄像机的像素为六千万，还可以对其进行升级，达到八千万像素，倾斜摄像机的镜头可以选择RGB 镜头，也可以选择RGBN 镜头。结合不同的影像拍摄任务，倾斜摄像机的镜头可以选择三视模式，也可以选择五视模式。三视模式和五视模式的镜头倾斜角不同，三视模式倾斜角为45°，五视模式倾斜角为35°。

倾斜摄影技术主要包括空中地物测量、倾斜影像匹配以及拼接等，通过倾斜摄影技术更加直观地再现地物属性。倾斜摄影技术流程图如图1所示。

由图1 可知，在任务下达之后，无人机需要对飞行的空域进行申请，只有通过申请之后才能够进行数据采集和控制点布置的工作。在确定了无人机飞行的空域之后，无人机搭载倾斜摄影相机进行多角度的影像采集，同时对采集到的多角度影像数据进行预处理和POS 数据格式的转换，完成对所布置控制点的测量。接下来对采集到的影像数据进行几何校正、联合平差、影像匹配、生产数字地表（DSM）模型，主要包括输电线路、输电设备以及输电线路设备周围的环境信息。由于所生产的DSM 模型存在误差，甚至错误，需要对影像进行纠正，结合三维不规则三角网（TIN）模型，最终生产包含地物纹理等信息的高精度三维模型。

2 无人机电力巡检设计

2.1 无人机技术

无人机简单来讲就是无人驾驶的航空设备，其以无线电遥控技术为基础，采用适配性比较强的程度来进行控制，完成特定的飞行任务。无人机往往需要和控制站、通信设备以及设备保障系统相互配合，才能够充分地发挥无人机的作用，其目前在许多的行业发挥着越来越重要的作用。无人机和普通的飞行器相同，在外形的设计上必须满足流体力学的基本原理，这样才能够确保无人机在复杂的空域环境中稳定飞行，完成特定的飞行任务要求。无人机在不同行业的应用必须搭建和行业应用向匹配的设备，这样才能发挥无人机的作用。从这个角度上来讲，无人机必须具备搭载一定负载的能力，这样才能够完成特定的功能需求。例如无人机电力巡检系统，其必须搭载倾斜摄像机，才能够采集地物影像。另外，实现无人机电力巡检的功能要求必须将采集到的多角度影像进行传输，同时对采集影像的位置进行定位。控制站是无人机的核心部分，通过控制站来控制无人机的飞行状态。无人机的控制站承担飞行航线的规划、任务执行控制、数据收集等功能，确保无人机的安全、稳定飞行。无人机通信系统的功能是实现无人机和控制站之间的信息传递，控制站发布控制指令，借助通信系统传输给无人机，实现对无人机飞行的控制，同时无人机采集到的各种影像信息借助通信系统传输给控制站，从而实现无人机和控制站之间的双向通信。无人机的设备保障系统是为无人机提供后勤保障的系统，如电力能源、燃料供给等[4]。

图4：电塔模型局部放大

2.2 无人机电力巡检

国民经济的进一步发展使得国民的生活水平得到了进一步提升，国民对生活的稳定性要求和幸福感要求也在不断地提升。电力是国民经济发展的基础，同时也是确保国民生活稳定性和提升国民生活幸福感的关键产业，这使得电力巡检工作面临更高的要求和更大的挑战。传统的人工电力巡检效率低、任务重，不能够和当前电力需求相匹配，利用无人机进行电力巡检势在必行。在无人机上搭载倾斜摄影相机，完成定位、拍摄等操作，更加客观、真实地在线复杂地形、恶劣环境下的电力巡检模型，这使得电力巡检人员室外巡检作业的时间大大缩短，工作的难度大大减低。图2 为无人机电力巡检系统。

由图2 可知，无人机进行电力巡检要借助GPS 传感器来获取位置坐标信息，通过获取的位置坐标信心进行导航寻找飞行路径。通过无人机上搭载的倾斜摄影相机来拍摄输电线路以及电力设备的影像，将拍摄的影像信息、GPS 位置信息以及无人机飞行状态等信息通过无线传输方式传输到地面接收站[5]。地面接收站将接收到各种信息进行保存，同时通过获取的信息来进一步控制无人机的飞行和导航，实现对各种图像信息的处理，找出输电线路及电力设备存在的安全隐患以及故障。对可能存在的安全隐患及故障，由专业的电力工作人员去现场进行排查，消除安全隐患以及存在的故障，确保输电线路及电力设备的安全运转。

目前市场上无人机的型号很多，其中含光A700 四旋翼无人机作为常见。含光A700 四旋翼无人机的优点在于可以在机身全封闭的情况下正常工作，飞行控制体系十分完善，具有比较突出的容错率，同时无人机的飞行状况相对比较稳定，不容易出现飞行事故。另外，该无人机的搭载能力比较强，且具有良好的巡航能力，因此在电力巡检中具有十分广泛的应用。GPS 系统是无人机完成电力巡检不可或缺的部分，通过GPS 系统为无人机提供定位服务，确保电力巡检无人机的安全性和稳定性。在无人机上搭载的导航系统能够实现GPS 全球定位，通过全球定位实现对无人机电力巡检路线的规划，同时对云台的高度进行调节，达到对输电线路、电力设备以及周围环境的高精度拍摄目的。搭载倾斜摄影相机的无人机为了实现对地物影像拍摄的精度，常常是选择变焦和定焦相结合的模型，通过变焦和定焦的相互配合来完成特定的地物拍摄任务。无人机电力巡检系统必须具备实时控制的功能，这样才能顺利完成对整个输电线路和电力设备的巡检任务。搭载倾斜摄像机的无人机对各种图像、视频等数据进行分类化信息管理，这样对不同的位置所采集到的信息能够被精确的保存下来，实现对输电线路、电力设备以及周围环境三维模型的重建。电力巡检人员通过重建的三维模型可以在室内第一时间找出输电线路故障位置所在，大大缩短了在室外作业的时间。

3 系统测试分析

电力巡检对输电线路、电力设备的检查，对确保电力输送发挥着至关重要的作用。传统的人工电力巡检耗费大量的人力、物力、财力资源，同时巡检效率低，不能够满足长距离输电线路巡检的要求。搭载倾斜摄影相机的无人机电力巡检系统，通过无人机航拍输电线路、电力设备以及周围环境，对拍摄的影像进行密集匹配、区域网平差等数据处理，最终可以重构输电线路、电力设备以及周围环境的三维虚拟模型，同时三维虚拟模型的精度比较高，符合人的视觉。搭载倾斜摄像机的无人机电力巡检系统所获得的三维模型如图3所示。为了进一步对输电线路、电力设备进行巡检，对输电线路的电塔模型进行局部放大，这样可以更加清晰地找出输电线路、电力设备的安全隐患以及存在的故障。图4 为电塔模型的局部放大图。

由图3 和图4 可知，搭载倾斜摄影相机的无人机电力巡检系统能够高精度获取地物目标的多视角影像，同时采用相关的软件对获得的多视角地物影像进行处理和模型细化，快速实现对输电线路三维模型的重建以及模型的局部放大细化，从而找出输电线路的安全隐患与故障。

4 结论

电力巡检是确保输电安全性与可靠性的关键，传统人力电力巡检效率低、工作量大、成本高、人工室外高危作业时间长等缺点使得借助无人机实施电力巡检势在必行。无人机搭载倾斜摄影相机可以更好地实现对输电线路、电力设备及周围环境的多角度拍摄，通过倾斜摄影技术快速重构输电线路实景模型，从而达到对输电线路巡检的目的，大大提高输电线路巡检的效率。通过对设计的电力巡检系统进行测试，结果表明，无人机搭载倾斜摄影相机可以有效地获取地面目标的多视角影响，快速实现对三维模型的构建与细化制作。本论文的研究对电力巡检的智能化和高精度化具有一定的参考价值。