柳 風(fēng)

（寧波廣播電視集團(tuán)，浙江 寧波 315036）

0 引言

通信鐵塔是無(wú)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(wú)線信號(hào)對(duì)外發(fā)射的傳輸任務(wù)。對(duì)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(duì)于中波廣播來(lái)說(shuō)，鐵塔自身就是中波廣播信號(hào)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(jì)高度，鐵塔的一般設(shè)計(jì)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(yán)峻考驗(yàn)[2]。根據(jù)《中華人民共和國(guó)廣播電視和網(wǎng)絡(luò)視聽工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》GY/T 5057—2020 規(guī)定，鐵塔需要定期進(jìn)行觀測(cè)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(cè)高度的L/750（H為桅桿高度，L為被測(cè)桿件兩點(diǎn)間距離），并保留檢測(cè)記錄。

1 常用經(jīng)緯儀鐵塔垂直度測(cè)試方法

當(dāng)前鐵塔垂直度檢測(cè)的常用方法是通過經(jīng)緯儀來(lái)觀測(cè)鐵塔垂直度偏離并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或計(jì)算[3]。經(jīng)緯儀是一種由望遠(yuǎn)鏡、水平度盤、豎直度盤、水準(zhǔn)器、基座等組成，根據(jù)測(cè)角原理設(shè)計(jì)的測(cè)量水平角和豎直角的測(cè)量?jī)x器。為了照準(zhǔn)目標(biāo)，望遠(yuǎn)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(shí)，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(dòng)旋鈕，使得望遠(yuǎn)鏡只能在垂直方向上做俯仰觀測(cè)，運(yùn)用十字豎絲與被觀測(cè)物體的相對(duì)位置關(guān)系，來(lái)觀察被測(cè)物體在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化。而這一特點(diǎn)也適用于鐵塔垂直度觀測(cè)。在塔基中心點(diǎn)與被觀測(cè)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(diǎn)的連線延遲線上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，以十字刻線中心點(diǎn)、塔基中心點(diǎn)與被測(cè)塔弦桿中線點(diǎn)在觀測(cè)視場(chǎng)中三點(diǎn)重合為起點(diǎn)，自下而上，以十字刻線的垂線等效為鐵塔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中心垂線與被測(cè)塔弦桿進(jìn)行對(duì)比，可以分析出被測(cè)塔弦桿在觀測(cè)視場(chǎng)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(cè)量鐵塔垂直度時(shí)，要求對(duì)所有塔弦桿進(jìn)行觀測(cè)?？紤]實(shí)際操作性及觀測(cè)的全面性，需要在單個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位對(duì)鐵塔觀測(cè)面進(jìn)行若干測(cè)量段劃分，主要測(cè)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)位、單點(diǎn)位上多個(gè)測(cè)量段的綜合分析，能夠?qū)﹁F塔垂直度變化進(jìn)行較為完整的測(cè)量。

圖2 鐵塔垂直度分段測(cè)量及觀測(cè)點(diǎn)選擇示意圖

觀測(cè)過程中，在測(cè)量段內(nèi)對(duì)被觀測(cè)塔弦桿偏離量的讀取方式主要有兩種。

（1）估算法。觀測(cè)人員在觀測(cè)點(diǎn)位上使用目視判讀，在已知測(cè)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(duì)于整根塔弦桿的比例進(jìn)行讀取并記錄數(shù)值，測(cè)量段位置及偏離方向。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)較快，缺點(diǎn)是讀數(shù)人為誤差不確定性大，不同觀測(cè)者測(cè)量時(shí)需要二次調(diào)焦，且無(wú)法對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行留存。

（2）水平角計(jì)算法。觀測(cè)到偏離時(shí)，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(diǎn)與塔弦桿中線點(diǎn)重合，而后讀取水平角讀數(shù)。由于實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)距離鐵塔中心的觀測(cè)距離一般較遠(yuǎn)，可將偏移量近似為水平偏移角對(duì)應(yīng)的直角邊h，h=L×tanθ。這種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是讀數(shù)較準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是距離值L在測(cè)量過程中隨著仰角的增大而增大，需要通過垂直角進(jìn)行二次計(jì)算，多點(diǎn)測(cè)量時(shí)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(cè)量時(shí)需要二次調(diào)焦，個(gè)人視覺誤差無(wú)法避免，且無(wú)法對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行留存。偏離值計(jì)算如圖3 所示。

圖3 偏離值計(jì)算示意圖

綜上所述，使用經(jīng)緯儀來(lái)目視觀測(cè)鋼塔垂直度，主要有以下不足：

（1）觀測(cè)評(píng)估存在人為估值誤差，個(gè)人視覺誤差無(wú)法避免，數(shù)值的準(zhǔn)確性不夠；

（2）經(jīng)緯儀觀測(cè)窗口小，僅能單人觀測(cè)，難以共同討論分析；

（3）觀測(cè)圖像無(wú)法及時(shí)有效留存。

因此，需要通過技術(shù)升級(jí)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(cè)試方案

2.1 技術(shù)路徑分析與選擇

針對(duì)目前垂直度測(cè)量存在的判讀誤差大、圖像保存不易等現(xiàn)實(shí)問題，設(shè)想通過加裝電子攝像裝置對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)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(duì)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(dòng)成像設(shè)備上。

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

2.2 觀測(cè)圖像的數(shù)字化采集

采購(gòu)的CCD 電子目鏡為凱諾C3CMOS5100KPA，標(biāo)定像素為510 萬(wàn)，支持USB 3.0，成像分辨率最大為2 596×1 944，附帶ImageView 圖像觀測(cè)軟件。

采用定制螺紋旋鈕連接桿，在提高安裝便利性的同時(shí)，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(yuǎn)鏡目鏡視場(chǎng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，望遠(yuǎn)鏡自帶目鏡的凸透鏡放大效應(yīng)，造成了使用長(zhǎng)尺寸連接件即CCD 電子目鏡離得遠(yuǎn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，采用成像更理想的短連接方案時(shí)，可以將成像焦點(diǎn)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(cè)軟件上成像。結(jié)合多次的實(shí)驗(yàn)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(cè)圖像。相較于經(jīng)緯儀的肉眼觀測(cè)，圖像被進(jìn)一步放大，且細(xì)節(jié)清晰。與此同時(shí)，決定在垂直度測(cè)量中放棄參考經(jīng)緯儀自帶的十字絲網(wǎng)，計(jì)劃使用圖像觀測(cè)軟件自帶的輔助線繪制功能，引入新的測(cè)量參考坐標(biāo)系以取代原有經(jīng)緯儀的十字絲網(wǎng)。

2.3 以像素中心點(diǎn)為基準(zhǔn)的參考坐標(biāo)驗(yàn)證

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

結(jié)合CCD 目鏡2 596×1 944 的分辨率，在觀測(cè)視窗中區(qū)圖像像素中心點(diǎn)建立十字中線坐標(biāo)。像素中心點(diǎn)坐標(biāo)為（1 293，972），標(biāo)記為點(diǎn)O。以點(diǎn)O為交點(diǎn)，分別做水平、垂直輔助線，形成十字參考坐標(biāo)。根據(jù)鐵塔觀測(cè)視角投影平面為左右對(duì)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(cè)校正需求。使用加裝了CCD 電子目鏡的經(jīng)緯儀，在符合觀測(cè)要求的觀測(cè)點(diǎn)位上，對(duì)鐵塔的兩個(gè)邊界塔弦桿以塔基中點(diǎn)為基準(zhǔn)的水平對(duì)稱位置進(jìn)行校準(zhǔn)檢驗(yàn)。即當(dāng)像素中心點(diǎn)O，對(duì)準(zhǔn)塔基中心點(diǎn)，并分別左右水平移動(dòng)到兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所得到的水平角θ1=θ2，說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)處于觀測(cè)面的中心垂直線位置，符合測(cè)量要求，同時(shí)說(shuō)明以像素中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，新十字坐標(biāo)符合測(cè)量用參考要求。

通過實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證測(cè)量，最后測(cè)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(cè)試中可以認(rèn)為θ1=θ2。

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

2.4 像素分析法在測(cè)量面參考點(diǎn)的設(shè)定及分析應(yīng)用

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

圖5 像素坐標(biāo)系繪制及參考點(diǎn)標(biāo)定示意圖

圖5 中各點(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)A、塔弦桿中線點(diǎn)B、圖像像素中心點(diǎn)O以及水平偏差量的概念。將中心點(diǎn)O等效為塔基中心點(diǎn)在測(cè)量段水平面垂線上的投影點(diǎn)，通過A，B，O三點(diǎn)在水平方位上的相對(duì)關(guān)系，可以直觀地判斷出該測(cè)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(duì)扭轉(zhuǎn)變化情況。

傾斜方向的判斷說(shuō)明：

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

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

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

（4）當(dāng)點(diǎn)A，B，O重合，則說(shuō)明該測(cè)量段無(wú)傾斜。扭轉(zhuǎn)方向的判斷說(shuō)明：

（1）當(dāng)點(diǎn)A在點(diǎn)B左側(cè)，說(shuō)明鐵塔在該測(cè)量段存在順時(shí)針扭轉(zhuǎn)；

（2）當(dāng)點(diǎn)A在點(diǎn)B右側(cè)，說(shuō)明鐵塔在該測(cè)量段存在逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)。

綜合以上規(guī)律，可總結(jié)以下鐵塔測(cè)量段根據(jù)A，B，O三點(diǎn)的相對(duì)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(diǎn)的相對(duì)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(cè)量段圖像中，對(duì)觀測(cè)塔弦桿做橫截面標(biāo)定，讀取其所占像素值N，與實(shí)際塔弦桿桿徑R比較，求得單位像素對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度值d：d=R/N。

2.5 鐵塔的分段及類型的補(bǔ)充說(shuō)明

完成CCD 電子目鏡安裝，并校準(zhǔn)完觀測(cè)位置，設(shè)好十字坐標(biāo)系之后，通過調(diào)焦鏡頭進(jìn)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(jìn)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(gè)測(cè)量段，包含測(cè)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(cè)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(cè)量段幾何投影的對(duì)稱中線取點(diǎn)A。

3 新型垂直度測(cè)試方案實(shí)例

由于各觀測(cè)點(diǎn)位上測(cè)量方式及圖像分析方法相同，此處僅以某個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量過程及數(shù)據(jù)處理為例。

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

將鐵塔分為12 個(gè)測(cè)量段進(jìn)行測(cè)量，分別為：底部段1 段，中部段9 段，頂部段2 段。在測(cè)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(yuǎn)鏡物鏡調(diào)焦微調(diào)進(jìn)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(duì)測(cè)量段圖像進(jìn)行A，B，O三點(diǎn)標(biāo)定并完成像素分析。整理數(shù)據(jù)后得到以下在該觀測(cè)點(diǎn)位上鐵塔的垂直度測(cè)量分析報(bào)表（如表2 所示）以及鐵塔垂直度的變化趨勢(shì)（如圖6 所示）。

由表2 可知，鐵塔的被測(cè)塔弦桿在觀測(cè)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(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)根據(jù)圖6 所示，在2～9 測(cè)量段，鐵塔存在塔身順時(shí)針扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在11～12 測(cè)量段變?yōu)槟鏁r(shí)針扭轉(zhuǎn)。

表2 單點(diǎn)位鐵塔垂直度測(cè)量分析表

圖6 單點(diǎn)觀測(cè)位上鐵塔垂直度變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)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(cè)量工程中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。其主要優(yōu)點(diǎn)在于：

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

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

（3）結(jié)合A，B，O三點(diǎn)的位置分析，可以更準(zhǔn)確清晰地判斷出鐵塔測(cè)量段的傾斜及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)情況，并可以更準(zhǔn)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(hù)提供有力支持。

該方案目前主要實(shí)現(xiàn)的是觀測(cè)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(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)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(dòng)化程度。