图像处理技术在无人机电力线路巡检中的应用

赵 渊

(铜仁职业技术学院 信息工程学院,贵州 铜仁 554300)

0 引言

我国电力部门每年都要花费大量的人力、物力、财力进行电力线路巡检,主要原因则是我国地势辽阔且地形复杂,而电力线路又分布广泛,如果遇到天气恶劣的情况,线路巡检也能及时将线路实际情况进行反馈,从而保障所有人都能正常用电[1]。

随着科技事业的飞速发展,无人机电力线路巡检的方式也逐渐出现在大众视线中,与以往传统电力巡线方式相比,其突破了地理条件的限制,能够应用于我国所有地区,而且巡检效率高,因此目前正广泛应用于我国电力线路巡检。在运用无人机进行线路巡检中,无人机通过自身携带的设备对电力线路进行拍摄,工作人员通过对采集到的图像进行分析,便能迅速知晓导地线等部件的运行状态。因此通过图像处理技术对其进行检测,能够更加有利于相关部门了解线路的运行状况,发现问题也能第一时间做出处理[2]。

1 国内外研究现状

无人机广泛进入人们的日常生活,民用无人机深受当代年轻人喜爱。无人机是一种可以通过无线遥控或者机体内自带程序进行操控飞行的一种不载人飞机,涉及的领域广泛,包括通信技术、信息处理技术等,是新时代科技发展中的一项优质成果[3]。无人机不同领域的应用分类如图1所示。

图1 无人机不同领域的应用分类

在无人机的发展中,图像处理技术也很关键,因为其能对电力线路运行状况等方面做出有效判断。我国电力线路巡检中运用无人机的方式与发达国家相比起步较晚,国外在早些年便开始运用类似无人机等高科技设备进行电力线路巡检,因此其对后续的图像处理技术研究得更为深入。我国虽然也开始运用无人机这类高效设备进行电力线路巡检,但是起步较慢,只是处于研究阶段,相关措施还没有完善[4]。我国应当加强对图像处理技术在无人机电力线路巡检中的研究,从而使其能够更好地应用于我国高压输电线路巡检[5]。

2 图像处理在无人机电力线路巡检中的应用

2.1 无人机巡检的重要性

我国电力线路分布涉及的地域面积尤为广泛,所以确保电路稳定是一项十分重要的工程。同时,一般供电点都是由多个小的工作点组成,这个供电点就是一个稍有规模的小电网,为了使每个人都能用上充足的电能,通常都会在环境恶劣且地势险峻的偏远地区设立相关供电网[6]。然而,受自然因素和地理环境的影响,供电网常常会发生故障,影响供电质量,再加上偏远地区缺乏电力巡检人员,这就使得电路巡检工作很难做到位,即使线路发生故障,也不能第一时间反馈,因此无人机电力线路巡检方式便能很好地运用其中[7]。

以往的线路巡检方式需要投入大量的成本,工作效率也并不乐观,通过无人机对我国输电线路进行巡检,比人工检测更加细致深入,而且还不用担心会受到环境等方面的影响,也能有效避免人工检测带来的误差,将准确信息第一时间上传给工作人员。目前,我国贵州省铜仁市一架多旋翼无人机也正在按照既定设置自主开展线路巡检,并且沿线路顺利完成了杆塔之间的自主飞行、自动拍照记录等动作[8]。

在以往,贵州省铜仁市的电力线路巡检通常依赖于运维人员的经验与观察力,非常容易产生由工作人员引起的操作失误,忽略较为隐蔽的线路缺陷。无人机巡检的开展也标志着铜仁市无人机电力线路巡检已经完成了从“人工操作”向“自主巡检”的突破与转变,贵州省铜仁市无人机电力线路自主巡检如图2所示。

图2 贵州省铜仁市无人机电力线路自主巡检

随着我国科学技术事业的迅速发展和经济水平的不断提升,无人机技术愈加成熟,其中,民用无人机得了国家与社会的高度重视。笔者从民用无人机的相关报道中了解到[9-11],在2015年时,民用无人机的市场规模就已达到了23亿元,2017年上升为65亿元,2019年我国民用无人机的市场规模突破200亿元,2020年同比增长66%(见图3)。随着时代的发展、科技的进步,在2020年时,我国民用无人机市场规模约达599亿元,国家政策导向和地方政府的务实推进,也正大力推动我国无人机行业的发展,因此明确了民用无人机产业的发展目标,到2025年,民用无人机产值将达到1 800亿元,年均增速25%以上,如果按照这个增长速度推算,发展至2026年,我国民用无人机市场规模将有可能达到2 250亿元,具体如图4所示。

图3 2017年中国民用无人机销售规模及预测

图4 2021—2026年中国民用无人机市场规模预测

2.2 具体应用技术

2.2.1 图像预处理

无人机电力线路巡检主要是通过拍摄图像并将其传输的方式,让工作人员第一时间了解到线路以及其他设备的运行状况。然而,在无人机拍摄过程中,受到天气等因素影响,或者是无人机在飞行过程中出现的特殊原因等[12]也会出现拍摄图像与实际情况不符的现象。为了保证无人机所拍摄图像的准确性,就需要工作人员对图像进行针对性处理,比如去除雾雨背景。雾天和雨天的可见度低,无人机的视野受到影响,拍摄的图片也往往会出现模糊、难以分辨等情况。对此,工作人员可以采用像素过滤的方式去除图像上的雨雾。然而这个方法并不适用于所有图像,如果是正在运动状态中的视频,则不建议使用这种方式将雨雾去除,最好能够建立一个相对应的模型,通过模型更好地将雨雾像素进行描述,并且通过背景分离的方式对图像进行分离处理,之后便可以检测图像在大小以及亮度上的变化,从而进一步将雨雾去除,得到清晰度高且真实的图像,如此也更加有利于工作人员对电力线路进行实时观测[13]。

2.2.2 图像亮度调整

无人机在对电力线路进行巡检时,由于无人机所处环境不同,因此亮度也会随之发生改变,这就使得拍摄后的图像可能会出现亮度曝光或者是亮度太弱等情况,这也会为后续的电脑识别造成很大困难,所以这就需要工作人员对图像进行亮度调整,从而更加准确地获取图像中的信息。工作人员可以采用线性调整的方式,对图像像素做出适当调整,目的是能够更加直观地显示电力线路巡检过程中需要强调的物体[14]。

2.2.3 图像对比度调整

无人机传输的图像可能会出现特征不明显等现象,需要工作人员在后期图像处理中对其对比度进行调整。基于原始图像,对太亮或者太暗的图像进行恰当处理,从而得到一张清晰度高且直观的图像[15]。

2.2.4 图像拼接技术

无人机电力线路巡检中,由于摄像条件存在一定的限制,所以拍摄的图像通常都需要进行人工对比分析,从而更大程度地提升其分辨率。因此,工作人员可以对无人机传输的图像进行拼接处理,从而更好地提高其清晰度。然而由于无人机在实际拍摄中会遇到很多特殊情况,所以图像拼接技术也并不意味着能够直接将不同图像进行拼接使用,而是应当根据不同图像的具体特征,将像素导出,通过对其特征的了解,从而删减重叠部分。图像拼接技术对设备有着很高的要求,而且拼接过程往往会耗费大量时间,所以其工作效率并不高,而且对于重叠区域的问题也很难处理妥当。

2.2.5 图像识别技术

无人机在进行电力线路巡检时,线路是通过计算机拍摄的图像找到的,但是拍摄过程中经常会受到天气的影响,极大地增加了目标选取的困难程度。对此,工作人员应当通过图像处理算法的强适用性更好地解决图像识别问题,比如根据所检测到的图像,对其中有着明显线路标志的地方进行提取,将其余类似雾雨等干扰性因素进行滤除,从而得到目标图像。

3 图像处理技术在应用过程中存在的问题

图像处理技术在无人机电力巡检中会遇到很多问题,一些干扰因素会严重影响巡检工作,具体通过以下4个方面来进行详细阐述。

3.1 光学形成的像差

无人机在进行电力线路巡检中,主要是通过拍摄图像的方式达到巡检的目的。而在拍摄图像中,远轴区产生的是实际图像,而近轴区产生的则是理想图像,这两者之间在成像上有着明显的偏差,对图像质量造成很大影响,同时也降低了检测准确性。除此之外,辐射失真也会对无人机拍摄的图像造成一定影响。拍摄过程中,无人机利用传感器观测目标或者在能量辐射过程中出现辐射失真,都会影响遥感器的解读能力。

3.2 机械振动影响无人机拍摄

无人机在拍摄线路现状时,通常都处在飞行的状态,运动和拍摄姿态会导致最终成像出现模糊等现象。无人机飞行姿态的不同和遥感器的不同,都会使得无人机在巡检过程中拍摄的图像出现失真扭曲,为后续工作人员进行图像处理带来一定难度。

3.3 噪声影响

图像噪声主要是指在无人机在巡检过程中,对线路进行拍摄或者是将图像进行传输时,受到不同的信号干扰,所拍摄的图像中出现椒盐噪声或者高斯噪声等。与此同时,噪声对无人机电力线路巡检的干扰尤为严重,不仅会影响无人机的正常飞行,同时也会对图片成像造成很大影响。当工作人员对受到噪声影响的图片进行处理时,也要花费很长一段时间,降低了工作效率。

3.4 季节变化及气候原因对无人机拍摄造成影响

一年有4个季节,每个季节都不尽相同,再加上雨天、雾天或者烈阳天等场景变化,为无人机拍摄目标造成很大难度。自然气候等方面的影响使得无人机在拍摄时的成像背景变得尤为复杂,同时也会让输电线路及相关部件的背景变得很难识别,这在一定程度上为后期工作人员带来很大麻烦。

4 结语

如果输电线路出现不明原因的故障,那么会造成城市各大区域大面积出现断电断网现象,随之而来的便是道路交通拥堵、铁路停电,甚至政府部门出现瘫痪。为了确保电力系统安全运行,有效的电力线路巡检尤为重要。我国目前也正大力推行无人机电力线路巡检方式,其也已经逐渐替代人工巡检,而图像处理技术是技术人员知晓线路运行实际情况的关键所在。随着我国无人机技术的不断发展,图像处理也必然会成为电力巡线相关领域研究的重点,从而在日后的不断进步中使其能够更好地保护我国电力系统。