基于圖像像素分析技術(shù)的鐵塔垂直度測試方案

柳 風(fēng)

（寧波廣播電視集團，浙江 寧波 315036）

0 引言

通信鐵塔是無線通信傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，在廣播電視傳輸系統(tǒng)具有重要地位，承擔(dān)著無線信號對外發(fā)射的傳輸任務(wù)。對調(diào)頻廣播而言，鐵塔是安裝固定發(fā)射天線、提高調(diào)頻廣播通信覆蓋面的重要基礎(chǔ)。而對于中波廣播來說，鐵塔自身就是中波廣播信號的發(fā)射天線[1]，是中波廣播天饋系統(tǒng)的組成部分之一。

通信鐵塔普遍具有較大設(shè)計高度，鐵塔的一般設(shè)計使用年限為50 年。作為露天設(shè)施，鐵塔在常年的使用過程中要承受各種惡劣氣象條件、各種地理氣候環(huán)境的作用，其自身結(jié)構(gòu)與組件都要經(jīng)受嚴峻考驗[2]。根據(jù)《中華人民共和國廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽工程建設(shè)行業(yè)標準》GY/T 5057—2020 規(guī)定，鐵塔需要定期進行觀測與保養(yǎng)，鐵塔垂直度整體偏差不能大于H/1 500，局部彎曲不大于被測高度的L/750（H為桅桿高度，L為被測桿件兩點間距離），并保留檢測記錄。

1 常用經(jīng)緯儀鐵塔垂直度測試方法

當(dāng)前鐵塔垂直度檢測的常用方法是通過經(jīng)緯儀來觀測鐵塔垂直度偏離并進行數(shù)據(jù)讀取或計算[3]。經(jīng)緯儀是一種由望遠鏡、水平度盤、豎直度盤、水準器、基座等組成，根據(jù)測角原理設(shè)計的測量水平角和豎直角的測量儀器。為了照準目標，望遠鏡內(nèi)安裝了十字絲網(wǎng)，其形狀如圖1 所示。

圖1 經(jīng)緯儀十字絲網(wǎng)圖

儀器正常工作時，十字絲豎絲平行于豎直度盤，橫絲平行于水平度盤?；谶@一功能，可以通過儀器定平后鎖定水平制動旋鈕，使得望遠鏡只能在垂直方向上做俯仰觀測，運用十字豎絲與被觀測物體的相對位置關(guān)系，來觀察被測物體在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化。而這一特點也適用于鐵塔垂直度觀測。在塔基中心點與被觀測塔弦桿（即鐵塔邊緣起主要承重作用的鋼結(jié)構(gòu)件，通常為圓柱形鋼管）中線點的連線延遲線上設(shè)置觀測點，以十字刻線中心點、塔基中心點與被測塔弦桿中線點在觀測視場中三點重合為起點，自下而上，以十字刻線的垂線等效為鐵塔的設(shè)計結(jié)構(gòu)中心垂線與被測塔弦桿進行對比，可以分析出被測塔弦桿在觀測視場投影平面內(nèi)相較于塔基水平面的垂直度偏移量[4]。

以橫截面為等邊三角形的鐵塔為例，測量鐵塔垂直度時，要求對所有塔弦桿進行觀測。考慮實際操作性及觀測的全面性，需要在單個觀測點位對鐵塔觀測面進行若干測量段劃分，主要測量的位置包含交叉結(jié)構(gòu)件、塔弦桿等。如圖2 所示，通過多個觀測點位、單點位上多個測量段的綜合分析，能夠?qū)﹁F塔垂直度變化進行較為完整的測量。

圖2 鐵塔垂直度分段測量及觀測點選擇示意圖

觀測過程中，在測量段內(nèi)對被觀測塔弦桿偏離量的讀取方式主要有兩種。

（1）估算法。觀測人員在觀測點位上使用目視判讀，在已知測量塔弦桿直徑的前提下，通過經(jīng)緯儀十字刻線的垂直刻線與塔弦桿中心線的偏離量相對于整根塔弦桿的比例進行讀取并記錄數(shù)值，測量段位置及偏離方向。這種方式的優(yōu)點是操作簡單、讀數(shù)較快，缺點是讀數(shù)人為誤差不確定性大，不同觀測者測量時需要二次調(diào)焦，且無法對觀測圖像進行留存。

（2）水平角計算法。觀測到偏離時，鎖定俯仰角，通過調(diào)節(jié)水平方位角旋鈕，使十字刻線中心點與塔弦桿中線點重合，而后讀取水平角讀數(shù)。由于實際觀測點距離鐵塔中心的觀測距離一般較遠，可將偏移量近似為水平偏移角對應(yīng)的直角邊h，h=L×tanθ。這種測量方式的優(yōu)點是讀數(shù)較準確，缺點是距離值L在測量過程中隨著仰角的增大而增大，需要通過垂直角進行二次計算，多點測量時頻繁調(diào)整容易造成經(jīng)緯儀水平校正失真，另外，不同觀察者測量時需要二次調(diào)焦，個人視覺誤差無法避免，且無法對觀測圖像進行留存。偏離值計算如圖3 所示。

圖3 偏離值計算示意圖

綜上所述，使用經(jīng)緯儀來目視觀測鋼塔垂直度，主要有以下不足：

（1）觀測評估存在人為估值誤差，個人視覺誤差無法避免，數(shù)值的準確性不夠；

（2）經(jīng)緯儀觀測窗口小，僅能單人觀測，難以共同討論分析；

（3）觀測圖像無法及時有效留存。

因此，需要通過技術(shù)升級解決以上難題。

2 基于圖像像素分析技術(shù)的鐵塔垂直度測試方案

2.1 技術(shù)路徑分析與選擇

針對目前垂直度測量存在的判讀誤差大、圖像保存不易等現(xiàn)實問題，設(shè)想通過加裝電子攝像裝置對觀測圖像進行數(shù)字化處理并轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)。結(jié)合目前現(xiàn)有技術(shù)手段，改裝技術(shù)路徑設(shè)想為對接經(jīng)緯儀目鏡，使用光纖或其他數(shù)據(jù)線形式鏈接到其他可移動成像設(shè)備上。

由此做出以下設(shè)計：使用定制螺紋式連接件與經(jīng)緯儀目鏡座對接，將CCD 電子目鏡與經(jīng)緯儀進行固定[5]；再通過USB 數(shù)據(jù)線實現(xiàn)便攜式計算機與電子目鏡的數(shù)據(jù)通信，并在便攜式計算機上運行圖像分析軟件，對觀測圖像進行采集并做后續(xù)分析。

2.2 觀測圖像的數(shù)字化采集

采購的CCD 電子目鏡為凱諾C3CMOS5100KPA，標定像素為510 萬，支持USB 3.0，成像分辨率最大為2 596×1 944，附帶ImageView 圖像觀測軟件。

采用定制螺紋旋鈕連接桿，在提高安裝便利性的同時，最大程度地保證了連接方式的穩(wěn)定性以及CCD感光原件位于望遠鏡目鏡視場中軸線位置，提高圖像的成像質(zhì)量。在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡可能減小質(zhì)量。硬件設(shè)備的連接如圖4 所示。

圖4 CCD 電子目鏡與經(jīng)緯儀連接示意圖

通過不同尺寸的連接件實驗發(fā)現(xiàn)，望遠鏡自帶目鏡的凸透鏡放大效應(yīng)，造成了使用長尺寸連接件即CCD 電子目鏡離得遠時，其成像范圍反而縮小，間接形成了圖像放大效果。除此之外，實驗還發(fā)現(xiàn)，采用成像更理想的短連接方案時，可以將成像焦點穿透經(jīng)緯儀原有的十字絲網(wǎng)，使十字絲網(wǎng)不在圖像觀測軟件上成像。結(jié)合多次的實驗結(jié)果，最終確定短連接方式作為最終方案。

CCD 電子目鏡連接完成后，通過調(diào)節(jié)物鏡，可以得到清晰的觀測圖像。相較于經(jīng)緯儀的肉眼觀測，圖像被進一步放大，且細節(jié)清晰。與此同時，決定在垂直度測量中放棄參考經(jīng)緯儀自帶的十字絲網(wǎng)，計劃使用圖像觀測軟件自帶的輔助線繪制功能，引入新的測量參考坐標系以取代原有經(jīng)緯儀的十字絲網(wǎng)。

2.3 以像素中心點為基準的參考坐標驗證

無論是經(jīng)緯儀垂直度目視測試還是基于像素分析的垂直度測試，主要都是對鐵塔進行分段測量，查看觀測部位中鐵塔結(jié)構(gòu)的位置狀態(tài)。目視測量是讀取十字絲線中點和塔弦桿中心線的偏離度，更傾向于判斷本測量段的相對傾斜方向。像素分析法是用像素中心點替代十字絲線中心[6]，同樣可以與塔弦桿中心線進行對比觀測。

結(jié)合CCD 目鏡2 596×1 944 的分辨率，在觀測視窗中區(qū)圖像像素中心點建立十字中線坐標。像素中心點坐標為（1 293，972），標記為點O。以點O為交點，分別做水平、垂直輔助線，形成十字參考坐標。根據(jù)鐵塔觀測視角投影平面為左右對稱原則，且假設(shè)鐵塔基座底部結(jié)構(gòu)垂直度偏移量最小，滿足觀測校正需求。使用加裝了CCD 電子目鏡的經(jīng)緯儀，在符合觀測要求的觀測點位上，對鐵塔的兩個邊界塔弦桿以塔基中點為基準的水平對稱位置進行校準檢驗。即當(dāng)像素中心點O，對準塔基中心點，并分別左右水平移動到兩個觀測點所得到的水平角θ1=θ2，說明觀測點處于觀測面的中心垂直線位置，符合測量要求，同時說明以像素中心點為基準，新十字坐標符合測量用參考要求。

通過實際觀測點的驗證測量，最后測得到左右水平偏移角θ1，θ2分別為：θ1=2o41＇20＂，θ2=2o41＇16＂。兩者相差4 角秒，在本測試中可以認為θ1=θ2。

保持水平角零度不變，抬高望遠鏡仰角（二次校驗測量面無變形扭曲），用同樣的方式再次驗證得到水平角θ1=θ2。由此可知，以畫面像素中點為基準的十字參考坐標系符合測量使用的要求。

2.4 像素分析法在測量面參考點的設(shè)定及分析應(yīng)用

實際圖像觀測及捕捉的位置主要設(shè)定如下：設(shè)定點A為交叉結(jié)構(gòu)面中線點（即測量段平面投影中線點）；設(shè)定點O為圖像像素中心點；設(shè)定點B為塔弦桿中線點，如圖5 所示。

圖5 像素坐標系繪制及參考點標定示意圖

圖5 中各點坐標分別為A（1 293，881），O（1 293，972），B（1 293，1 627）。

基于像素分析法引入交叉結(jié)構(gòu)件中線點A、塔弦桿中線點B、圖像像素中心點O以及水平偏差量的概念。將中心點O等效為塔基中心點在測量段水平面垂線上的投影點，通過A，B，O三點在水平方位上的相對關(guān)系，可以直觀地判斷出該測量段內(nèi)鐵塔結(jié)構(gòu)的垂直度傾斜變化情況以及鐵塔結(jié)構(gòu)的相對扭轉(zhuǎn)變化情況。

傾斜方向的判斷說明：

（1）當(dāng)點O在點A，B左側(cè)，則說明測量段對應(yīng)的平面及塔弦桿向右傾，即鐵塔在該測量段存在右傾；

（2）當(dāng)點O在點A，B右側(cè)，則說明測量段對應(yīng)的平面及塔弦桿向左傾，即鐵塔在該測量段存在左傾；

（3）當(dāng)點O在點A，B之間，則需要計算水平方位上，計算點O分別距離點A，B之間的水平偏差。哪一側(cè)水平偏差大，則表明該測量段向哪一側(cè)傾斜，若水平偏差相等，則說明該測量段無傾斜；

（4）當(dāng)點A，B，O重合，則說明該測量段無傾斜。扭轉(zhuǎn)方向的判斷說明：

（1）當(dāng)點A在點B左側(cè)，說明鐵塔在該測量段存在順時針扭轉(zhuǎn)；

（2）當(dāng)點A在點B右側(cè)，說明鐵塔在該測量段存在逆時針扭轉(zhuǎn)。

綜合以上規(guī)律，可總結(jié)以下鐵塔測量段根據(jù)A，B，O三點的相對關(guān)系與垂直度及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的判斷規(guī)律，如表1 所示。

表1 三點的相對關(guān)系與垂直度及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)判斷規(guī)律表

使用圖像分析軟件的輔助線功能，在測量段圖像中，對觀測塔弦桿做橫截面標定，讀取其所占像素值N，與實際塔弦桿桿徑R比較，求得單位像素對應(yīng)長度值d：d=R/N。

2.5 鐵塔的分段及類型的補充說明

完成CCD 電子目鏡安裝，并校準完觀測位置，設(shè)好十字坐標系之后，通過調(diào)焦鏡頭進行微調(diào)，確保底部段落成像清晰，然后根據(jù)事先確定的鐵塔分段，逐次向上截取不同分段的圖像。截取后的圖像導(dǎo)入圖像軟件進行分析和數(shù)據(jù)采集。鐵塔的分段可以劃分為三種類型。

（1）底部段。自鐵塔底座向上第一個測量段，包含測量段正面投影結(jié)構(gòu)件及塔弦桿。

（2）中段。有若干段也是數(shù)量最多的測量段，其特征是具有交叉結(jié)構(gòu)件及塔弦桿。

（3）頂部段。若干段，靠近塔尖，沒有交叉結(jié)構(gòu)件，由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，以測量段幾何投影的對稱中線取點A。

3 新型垂直度測試方案實例

由于各觀測點位上測量方式及圖像分析方法相同，此處僅以某個觀測點測量過程及數(shù)據(jù)處理為例。

測試當(dāng)日天氣：晴，風(fēng)力：3～4 級。測試儀器為蘇州一光儀器生產(chǎn)的DT402L 電子經(jīng)緯儀。測試對象為象山中波轉(zhuǎn)播臺102 m 自立式三方鋼結(jié)構(gòu)中波發(fā)射塔。觀測點位于鐵塔南側(cè)，距離塔底中心點120 m。

將鐵塔分為12 個測量段進行測量，分別為：底部段1 段，中部段9 段，頂部段2 段。在測量圖像采集過程中，由于仰角增大，圖像需要通過經(jīng)緯儀望遠鏡物鏡調(diào)焦微調(diào)進行聚焦，以保證圖像采集的清晰度，但是操作期間要求經(jīng)緯儀水平角不得改變。完成圖像采集后，對測量段圖像進行A，B，O三點標定并完成像素分析。整理數(shù)據(jù)后得到以下在該觀測點位上鐵塔的垂直度測量分析報表（如表2 所示）以及鐵塔垂直度的變化趨勢（如圖6 所示）。

由表2 可知，鐵塔的被測塔弦桿在觀測方向水平投影平面內(nèi)存在向右的倒C 形彎曲，其最大值為5.23 cm，小于1/1 500 塔身高度，符合鐵塔垂直度標準要求。同時根據(jù)圖6 所示，在2～9 測量段，鐵塔存在塔身順時針扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在11～12 測量段變?yōu)槟鏁r針扭轉(zhuǎn)。

表2 單點位鐵塔垂直度測量分析表

圖6 單點觀測位上鐵塔垂直度變化趨勢圖

4 結(jié)語

通過實例分析可知，使用CCD 電子目鏡改裝并結(jié)合圖像像素分析軟件的經(jīng)緯儀數(shù)字成像及采集系統(tǒng)在鐵塔垂直度測量工程中具有實際應(yīng)用價值。其主要優(yōu)點在于：

（1）提升經(jīng)緯儀在鐵塔垂直度觀測時的成像效果，支持多人同時分析，解決原有觀測時只能單人操作讀數(shù)的不足；

（2）基于像素分析的測量方式，能夠更為準確地計算出測量位置的偏離值，降低原有人為觀測時的視覺判讀誤差，提高測量精度；

（3）結(jié)合A，B，O三點的位置分析，可以更準確清晰地判斷出鐵塔測量段的傾斜及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)情況，并可以更準確地體現(xiàn)出鐵塔的結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化特征，為鐵塔的后續(xù)維護提供有力支持。

該方案目前主要實現(xiàn)的是觀測圖像的數(shù)字化成像及采集，而在數(shù)據(jù)處理階段依舊需要人為進行點位標記及輔助線設(shè)置。希望在以后能基于圖像智能化處理技術(shù)，提升該方案的自動化程度。