基于图像像素分析技术的铁塔垂直度测试方案

柳 风

（宁波广播电视集团，浙江 宁波 315036）

0 引言

通信铁塔是无线通信传输系统的重要组成部分，在广播电视传输系统具有重要地位，承担着无线信号对外发射的传输任务。对调频广播而言，铁塔是安装固定发射天线、提高调频广播通信覆盖面的重要基础。而对于中波广播来说，铁塔自身就是中波广播信号的发射天线[1]，是中波广播天馈系统的组成部分之一。

通信铁塔普遍具有较大设计高度，铁塔的一般设计使用年限为50 年。作为露天设施，铁塔在常年的使用过程中要承受各种恶劣气象条件、各种地理气候环境的作用，其自身结构与组件都要经受严峻考验[2]。根据《中华人民共和国广播电视和网络视听工程建设行业标准》GY/T 5057—2020 规定，铁塔需要定期进行观测与保养，铁塔垂直度整体偏差不能大于H/1 500，局部弯曲不大于被测高度的L/750（H为桅杆高度，L为被测杆件两点间距离），并保留检测记录。

1 常用经纬仪铁塔垂直度测试方法

当前铁塔垂直度检测的常用方法是通过经纬仪来观测铁塔垂直度偏离并进行数据读取或计算[3]。经纬仪是一种由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成，根据测角原理设计的测量水平角和竖直角的测量仪器。为了照准目标，望远镜内安装了十字丝网，其形状如图1 所示。

图1 经纬仪十字丝网图

仪器正常工作时，十字丝竖丝平行于竖直度盘，横丝平行于水平度盘。基于这一功能，可以通过仪器定平后锁定水平制动旋钮，使得望远镜只能在垂直方向上做俯仰观测，运用十字竖丝与被观测物体的相对位置关系，来观察被测物体在垂直方向上的结构变化。而这一特点也适用于铁塔垂直度观测。在塔基中心点与被观测塔弦杆（即铁塔边缘起主要承重作用的钢结构件，通常为圆柱形钢管）中线点的连线延迟线上设置观测点，以十字刻线中心点、塔基中心点与被测塔弦杆中线点在观测视场中三点重合为起点，自下而上，以十字刻线的垂线等效为铁塔的设计结构中心垂线与被测塔弦杆进行对比，可以分析出被测塔弦杆在观测视场投影平面内相较于塔基水平面的垂直度偏移量[4]。

以横截面为等边三角形的铁塔为例，测量铁塔垂直度时，要求对所有塔弦杆进行观测。考虑实际操作性及观测的全面性，需要在单个观测点位对铁塔观测面进行若干测量段划分，主要测量的位置包含交叉结构件、塔弦杆等。如图2 所示，通过多个观测点位、单点位上多个测量段的综合分析，能够对铁塔垂直度变化进行较为完整的测量。

图2 铁塔垂直度分段测量及观测点选择示意图

观测过程中，在测量段内对被观测塔弦杆偏离量的读取方式主要有两种。

（1）估算法。观测人员在观测点位上使用目视判读，在已知测量塔弦杆直径的前提下，通过经纬仪十字刻线的垂直刻线与塔弦杆中心线的偏离量相对于整根塔弦杆的比例进行读取并记录数值，测量段位置及偏离方向。这种方式的优点是操作简单、读数较快，缺点是读数人为误差不确定性大，不同观测者测量时需要二次调焦，且无法对观测图像进行留存。

（2）水平角计算法。观测到偏离时，锁定俯仰角，通过调节水平方位角旋钮，使十字刻线中心点与塔弦杆中线点重合，而后读取水平角读数。由于实际观测点距离铁塔中心的观测距离一般较远，可将偏移量近似为水平偏移角对应的直角边h，h=L×tanθ。这种测量方式的优点是读数较准确，缺点是距离值L在测量过程中随着仰角的增大而增大，需要通过垂直角进行二次计算，多点测量时频繁调整容易造成经纬仪水平校正失真，另外，不同观察者测量时需要二次调焦，个人视觉误差无法避免，且无法对观测图像进行留存。偏离值计算如图3 所示。

图3 偏离值计算示意图

综上所述，使用经纬仪来目视观测钢塔垂直度，主要有以下不足：

（1）观测评估存在人为估值误差，个人视觉误差无法避免，数值的准确性不够；

（2）经纬仪观测窗口小，仅能单人观测，难以共同讨论分析；

（3）观测图像无法及时有效留存。

因此，需要通过技术升级解决以上难题。

2 基于图像像素分析技术的铁塔垂直度测试方案

2.1 技术路径分析与选择

针对目前垂直度测量存在的判读误差大、图像保存不易等现实问题，设想通过加装电子摄像装置对观测图像进行数字化处理并转移呈现。结合目前现有技术手段，改装技术路径设想为对接经纬仪目镜，使用光纤或其他数据线形式链接到其他可移动成像设备上。

由此做出以下设计：使用定制螺纹式连接件与经纬仪目镜座对接，将CCD 电子目镜与经纬仪进行固定[5]；再通过USB 数据线实现便携式计算机与电子目镜的数据通信，并在便携式计算机上运行图像分析软件，对观测图像进行采集并做后续分析。

2.2 观测图像的数字化采集

采购的CCD 电子目镜为凯诺C3CMOS5100KPA，标定像素为510 万，支持USB 3.0，成像分辨率最大为2 596×1 944，附带ImageView 图像观测软件。

采用定制螺纹旋钮连接杆，在提高安装便利性的同时，最大程度地保证了连接方式的稳定性以及CCD感光原件位于望远镜目镜视场中轴线位置，提高图像的成像质量。在保证结构稳定性的基础上尽可能减小质量。硬件设备的连接如图4 所示。

图4 CCD 电子目镜与经纬仪连接示意图

通过不同尺寸的连接件实验发现，望远镜自带目镜的凸透镜放大效应，造成了使用长尺寸连接件即CCD 电子目镜离得远时，其成像范围反而缩小，间接形成了图像放大效果。除此之外，实验还发现，采用成像更理想的短连接方案时，可以将成像焦点穿透经纬仪原有的十字丝网，使十字丝网不在图像观测软件上成像。结合多次的实验结果，最终确定短连接方式作为最终方案。

CCD 电子目镜连接完成后，通过调节物镜，可以得到清晰的观测图像。相较于经纬仪的肉眼观测，图像被进一步放大，且细节清晰。与此同时，决定在垂直度测量中放弃参考经纬仪自带的十字丝网，计划使用图像观测软件自带的辅助线绘制功能，引入新的测量参考坐标系以取代原有经纬仪的十字丝网。

2.3 以像素中心点为基准的参考坐标验证

无论是经纬仪垂直度目视测试还是基于像素分析的垂直度测试，主要都是对铁塔进行分段测量，查看观测部位中铁塔结构的位置状态。目视测量是读取十字丝线中点和塔弦杆中心线的偏离度，更倾向于判断本测量段的相对倾斜方向。像素分析法是用像素中心点替代十字丝线中心[6]，同样可以与塔弦杆中心线进行对比观测。

结合CCD 目镜2 596×1 944 的分辨率，在观测视窗中区图像像素中心点建立十字中线坐标。像素中心点坐标为（1 293，972），标记为点O。以点O为交点，分别做水平、垂直辅助线，形成十字参考坐标。根据铁塔观测视角投影平面为左右对称原则，且假设铁塔基座底部结构垂直度偏移量最小，满足观测校正需求。使用加装了CCD 电子目镜的经纬仪，在符合观测要求的观测点位上，对铁塔的两个边界塔弦杆以塔基中点为基准的水平对称位置进行校准检验。即当像素中心点O，对准塔基中心点，并分别左右水平移动到两个观测点所得到的水平角θ1=θ2，说明观测点处于观测面的中心垂直线位置，符合测量要求，同时说明以像素中心点为基准，新十字坐标符合测量用参考要求。

通过实际观测点的验证测量，最后测得到左右水平偏移角θ1，θ2分别为：θ1=2o41＇20＂，θ2=2o41＇16＂。两者相差4 角秒，在本测试中可以认为θ1=θ2。

保持水平角零度不变，抬高望远镜仰角（二次校验测量面无变形扭曲），用同样的方式再次验证得到水平角θ1=θ2。由此可知，以画面像素中点为基准的十字参考坐标系符合测量使用的要求。

2.4 像素分析法在测量面参考点的设定及分析应用

实际图像观测及捕捉的位置主要设定如下：设定点A为交叉结构面中线点（即测量段平面投影中线点）；设定点O为图像像素中心点；设定点B为塔弦杆中线点，如图5 所示。

图5 像素坐标系绘制及参考点标定示意图

图5 中各点坐标分别为A（1 293，881），O（1 293，972），B（1 293，1 627）。

基于像素分析法引入交叉结构件中线点A、塔弦杆中线点B、图像像素中心点O以及水平偏差量的概念。将中心点O等效为塔基中心点在测量段水平面垂线上的投影点，通过A，B，O三点在水平方位上的相对关系，可以直观地判断出该测量段内铁塔结构的垂直度倾斜变化情况以及铁塔结构的相对扭转变化情况。

倾斜方向的判断说明：

（1）当点O在点A，B左侧，则说明测量段对应的平面及塔弦杆向右倾，即铁塔在该测量段存在右倾；

（2）当点O在点A，B右侧，则说明测量段对应的平面及塔弦杆向左倾，即铁塔在该测量段存在左倾；

（3）当点O在点A，B之间，则需要计算水平方位上，计算点O分别距离点A，B之间的水平偏差。哪一侧水平偏差大，则表明该测量段向哪一侧倾斜，若水平偏差相等，则说明该测量段无倾斜；

（4）当点A，B，O重合，则说明该测量段无倾斜。扭转方向的判断说明：

（1）当点A在点B左侧，说明铁塔在该测量段存在顺时针扭转；

（2）当点A在点B右侧，说明铁塔在该测量段存在逆时针扭转。

综合以上规律，可总结以下铁塔测量段根据A，B，O三点的相对关系与垂直度及结构扭转的判断规律，如表1 所示。

表1 三点的相对关系与垂直度及结构扭转判断规律表

使用图像分析软件的辅助线功能，在测量段图像中，对观测塔弦杆做横截面标定，读取其所占像素值N，与实际塔弦杆杆径R比较，求得单位像素对应长度值d：d=R/N。

2.5 铁塔的分段及类型的补充说明

完成CCD 电子目镜安装，并校准完观测位置，设好十字坐标系之后，通过调焦镜头进行微调，确保底部段落成像清晰，然后根据事先确定的铁塔分段，逐次向上截取不同分段的图像。截取后的图像导入图像软件进行分析和数据采集。铁塔的分段可以划分为三种类型。

（1）底部段。自铁塔底座向上第一个测量段，包含测量段正面投影结构件及塔弦杆。

（2）中段。有若干段也是数量最多的测量段，其特征是具有交叉结构件及塔弦杆。

（3）顶部段。若干段，靠近塔尖，没有交叉结构件，由于结构尺寸较小，以测量段几何投影的对称中线取点A。

3 新型垂直度测试方案实例

由于各观测点位上测量方式及图像分析方法相同，此处仅以某个观测点测量过程及数据处理为例。

测试当日天气：晴，风力：3～4 级。测试仪器为苏州一光仪器生产的DT402L 电子经纬仪。测试对象为象山中波转播台102 m 自立式三方钢结构中波发射塔。观测点位于铁塔南侧，距离塔底中心点120 m。

将铁塔分为12 个测量段进行测量，分别为：底部段1 段，中部段9 段，顶部段2 段。在测量图像采集过程中，由于仰角增大，图像需要通过经纬仪望远镜物镜调焦微调进行聚焦，以保证图像采集的清晰度，但是操作期间要求经纬仪水平角不得改变。完成图像采集后，对测量段图像进行A，B，O三点标定并完成像素分析。整理数据后得到以下在该观测点位上铁塔的垂直度测量分析报表（如表2 所示）以及铁塔垂直度的变化趋势（如图6 所示）。

由表2 可知，铁塔的被测塔弦杆在观测方向水平投影平面内存在向右的倒C 形弯曲，其最大值为5.23 cm，小于1/1 500 塔身高度，符合铁塔垂直度标准要求。同时根据图6 所示，在2～9 测量段，铁塔存在塔身顺时针扭转现象，在11～12 测量段变为逆时针扭转。

表2 单点位铁塔垂直度测量分析表

图6 单点观测位上铁塔垂直度变化趋势图

4 结语

通过实例分析可知，使用CCD 电子目镜改装并结合图像像素分析软件的经纬仪数字成像及采集系统在铁塔垂直度测量工程中具有实际应用价值。其主要优点在于：

（1）提升经纬仪在铁塔垂直度观测时的成像效果，支持多人同时分析，解决原有观测时只能单人操作读数的不足；

（2）基于像素分析的测量方式，能够更为准确地计算出测量位置的偏离值，降低原有人为观测时的视觉判读误差，提高测量精度；

（3）结合A，B，O三点的位置分析，可以更准确清晰地判断出铁塔测量段的倾斜及结构扭转情况，并可以更准确地体现出铁塔的结构姿态变化特征，为铁塔的后续维护提供有力支持。

该方案目前主要实现的是观测图像的数字化成像及采集，而在数据处理阶段依旧需要人为进行点位标记及辅助线设置。希望在以后能基于图像智能化处理技术，提升该方案的自动化程度。