基于GIS和VR技术的输电线路巡线可视化研究及应用

基于 GIS和 VR技术的输电线路巡线可视化研究及应用

樊雪涛

内蒙古电力（集团）有限责任公司阿拉善电业局 内蒙古 阿拉善， 750306

摘要：输电线路传输距离长、覆盖范围广，易受到自然环境和人为因素的影响，可能导致倒塌、断股、磨损等。为保证输电线路运行的稳定和安全。需要定期进行输电线路巡检。当前，地理信息系统GIS逐渐应用于电力线检查系统，但是大多数电力系统都建立在二维GIS平台上。在输电线路的实际运行、维护和安全评估中，二维GIS电力信息系统将无法满足更深入的应用需求。因此，需要建立更直观、更真实的电力巡检可视化平台。如果将虚拟现实技术VR与GIS结合使用，则可以相互学习并弥补各自的不足。一方面，VR技术可以大大改善GIS技术的建模工作，提高GIS技术的可视化能力。另一方面，GIS可以为虚拟现实技术提供双向查询、空间分析、决策辅助等功能。因此，研究基于GIS和VR技术的输电线路巡逻可视化系统具有重要的现实意义。

关键词：GIS；VR；输电线路；应用分析

1系统原理

将GIS技术和VR技术应用于输电线路巡检可视化中，可以有效地克服传统输电线路管理的不足。GIS是综合各种统计信息和地理空间特征的信息系统。具有强大的信息管理功能和空间分析功能。GIS技术不仅提供输电线路数据的图形化管理，并能完成输电线路网络分析，对输电线路巡检起到辅助作用。VR技术是在计算机网络、人机交互、立体显示等技术基础上发展起来的新型技术。借助虚拟现实技术，可以将输电线路的周边环境、交叉关系和空间布局真实、准确地向客户呈现，给客户带来真实的体验。为了减少日常开销，将GIS和VR系统的功能独立起来。对于需要交互的功能，开发一套交互接口，通过网络方式传输数据和控制指令。

2故障检测网络模型

2.1识别和检测网络架构

在卷积神经网络的浅层输出端定义RPN，对损失函数进行约束，并提取有效的目标检测候选区域。基于深度学习的无人机图像采集输电线路部件识别和诊断网络，由数据集、特征提取、区域建议网络和分类微调网络组成。

2.2分类位置精修

主要由ROI池化层、全连接层、类别判断层和位置精修层组成分类位置精修网络。该层的输入包含两部分：RPN网络输出建议窗口和提取网络提取特征图。最后，通过精修网络输出目标类别判断和位置信息。

3故障检测分析

3.1故障识别

在实验中，选择了两个特征提取网络ZFNet和VGG16，分别进行迭代训练。包括四个故障类别：均压环锈蚀变形、防振锤脱落、绝缘子外表破损和塔架锈蚀弯曲。每个故障类别500张，共2000张。特征提取网络VGG16的平均识别率高于ZF。同时，对于同一特征提取网络，经过不同的迭代后，网络的最终平均识别率是不同的。迭代次数越多，识别率越高。VGG16特征提取网络在经过40万次迭代后识别率最高，达到94.7％，最终选择了该模型。

3.2背景影响

无人机采集的图像背景不同，对不同背景进行测试。文中选取拍摄背景为湖泊、雪地、居住区、树林、农田的图片，分别选择均压环锈蚀变形、防振锤脱落、绝缘子外表破损和塔架锈蚀弯曲。每个背景20张输电线路部件数据，总共测试了400张输电线路部件图像。平均识别率最高达到100%，最低的达到。最高的农田背景，最低的湖泊和雪地。在5种不同背景下的平均识别率为97.5％，都高于平均识别率。

3.3光照影响

由于输电线路检测时间长和天气变化大，不同光强对无人机采集的部件图像的影响不同。各部件分别选取了20张夏季中午拍摄的照片，采用不同亮度和不同对比度对识别率的影响进行分析，4种亮度和4种对比度，总共1280张测试图片。

当亮度和对比度分别为20和1.0时，检测到的图像具有最高的识别率，最终的识别率达到97.5％。当亮度和对比度为-20和0.6时，识别率最低。

4基于GIS和VR技术的输电线路巡线

利用电网GIS图，为输电线路巡视提供图形数据支撑，无人机拍摄的多角度图像可以准确地对杆塔和线路进行建模。输电线路部件故障检测的重点是对无人机拍摄图片进行自动检测，输入到三维模型中，为巡线提供重点巡视区域。模型详细信息根据捕获图像的分辨率按比例放大或缩小。将杆塔、线路三维模型导入VR场景进行三维仿真。

实现了输电线路的可视化，通过VR感知设备进入三维场景，可以通过按键进行传输、地面和空中巡检切换等。

可以通过切换到地面，在杆塔周围进行巡视，通过杆塔现场实时监控摄像头，可以切换到摄像头的实时影像，并观察杆塔现场的当前状况。通过按键切换到无人机巡检，通过杆塔现场实时监控摄像头，可以全方位地看到线路情况，完成输电线路巡检。

4.1三维场景显示

地理信息系统可以将目标范围内的地表特征和输电线路的三维模型形象化地展示出来，通过计算机可以显示杆塔的定位及但他在地貌中的走向；山脊的坡度和等高线，山脊的坡度不同，对杆塔的建造要求也不一样，包括其距离、高度就会有新的标准。三维场景可以更真实地反映出输电线路电力基础建设过程中遇到的一些困难，可以尽早通过合理规划规避掉一些可能出现的问题，为电力设备的高效建设提供有力保障。在三维场景中可以对立体模型图进行缩放、旋转，通过比例尺的调控可以查看整体的布局，包括电力杆塔的数量、输电线路的距离，方便设计规划人员做出及时调整。三维场景显示是输电线路可视化系统三维GIS技术的一项重要技术，需要电力管理人员深谙于心，并且随着系统的不断升级管理人员也不断提升自己，让自己的知识储备更加丰沛，在操作系统时更加游刃有余。

4.2数据查询功能

输电线路包括了发电端、用电端和输送端，由于主要的电力供应流向了城市，而城市的结构复杂，既有居民区的居民用电，又有工业制造厂的工业用电，涉及的信息之多、线路之繁杂只有通过高校计算机才可以进行统计整理。如需要方便快捷的查询任意线路上的有关数据资料，比如线路上的电压等级、起止点、路径长度等设备属性，就可以通过地理信息系统技术进行线路查询，方便查询人员及时找到需要的相关信息。在统计和管理输电线路的数据时需要足够强大的服务器，只要每天产生的大量信息储存在数据库中。之后通过季节性、年度性对数据库的数据进行分析，分析出不同城市不同季节所需要的电量大小，可以得出一些配电过程中的一些规律，可以帮助输电线路高效有序稳定的运行。因为电能资源不能大量存储的特殊性质，在供求平衡的关系中要找到一个平衡点，当供大于求时会造成资源上的浪费和电力设备的损耗，当供小于求时，难以满足人们日常生活的电力需要，会对城市的运转企业的生产造成严重影响。通过查询功能和统计功能的综合分析，使供电和用电达成一个平衡，为社会的正常运转提供稳定的保障。

文中提出系统的建立和应用，可以通过构建输电线路基础数据使电力公司的相关管理人员可以充分了解现有输电线路的使用情况、未来的输电线路建设规划以及所有输电线路的具体走向，充分利用现有资源。另一方面该系统的应用为输电线路巡线提供了准确的故障位置信息。但是目前该系统只能通过输电线路杆塔部件外观是否完好来判断故障，后续还将对各部件故障精细化辨识进行研究。

5结束语

文中在分析GIS技术和VR技术的基础上，提出了一种基于GIS和VR的输电线路可视化巡检系统，主要研究输电线路部件的故障检测方法。通过实验验证了模型的准确性。结果表明，该模型能够有效地检测出输电线路中的常见故障部件。使用GIS和VR开发工具进行了系统实现，考虑到当前的实验设备和数据规模，文中还处于起步阶段。在此基础上，进一步改进和完善基于GIS和VR技术的输电线路巡检可视化系统。以适应未来不断变化的应用环境。

参考文献：

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3. 钱正浩, 胡长华. VR技术和GIS技术相结合的电力通道可视化管理[J]. 自动化技术与应用, 2019, 38(04):173-176.