基于不可见光的铁塔倾斜监测方法及系统与流程

本发明属于铁塔监测技术领域，涉及一种通信铁塔倾斜监测技术，具体涉及一种基于不可见光的铁塔倾斜监测方法。

背景技术：

近年来，随着电力、通信网络的覆盖面积越来越广，高压输电线铁塔、通信基站铁塔等被广泛应用。然而一些自然现象(如雨雪、大风等)、工程施工、矿产开采及人为破坏等原因，在成塔体倾斜的情况时有发生。铁塔倾斜会造成输电线路和通信网络的中断，这不仅对输电网的安全运行和通信网的正常工作造成极大的威胁，产生难以估量的经济损失，还会威胁到人民生命安全！通过对铁塔倾斜度进行监测，有助于线路运行人员及时掌握铁塔运行状况，从而确保通信的安全运行。

铁塔测量目前主要通过经纬仪、全站仪等专用测量仪器，其优点在于测量精度高，然而其测量速度慢、效率较低。

申请号为201521054508.6的专利申请文件公开了一种基于无线传感器网络的通信铁塔监测系统，该监测系统主要是由安装在通信铁塔顶端且可发生不同频率信号的超声波发射器、多个安装在通信铁塔底端且分别与超声波发射器无线通信的无线传感器节点以及与多个无线传感器节点无线数据通信的监控平台组成。由超声波发射器发射多个不同频率的超声波信号，不断的检测通信铁塔各无线传感器节点数据变化，实现对铁塔倾斜的监测。

申请号为201711423516.7的专利申请文件公开了一种铁塔倾斜角度与倾斜距离显示方法及系统，其系统包括设置铁塔倾斜角度或倾斜距离显示参数模块、获取及筛选倾角数据模块、显示倾斜角度或倾斜距离模块、显示铁塔倾斜程度模块等。其实在模板中采用倾斜角度值或倾斜距离值表示刻度，根据刻度采用不同半径的同心圆显示铁塔倾斜角度或倾斜距离。

上述两种铁塔倾斜度测量系统不仅结构复杂、成本高，而且测量过程繁琐，影响因素较多，难以确保特别倾斜度的测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对现有技术中存在的铁塔倾斜监测效率低、成本高、测量精度低等技术缺陷，提供一种基于不可见光的铁塔倾斜监测方法及系统，在提高测量精度和测量效率的同时，实现对铁塔倾斜情况的实时监测。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，包括以下步骤：

(1)拍摄含有不可见光光源的图像：利用摄像头拍摄设置于铁塔上的不可见光光源，得到含有不可见光光源的图像；

(2)获取图像中不可见光光源坐标；

(3)获取图像中不可见光光源坐标相对于初始位置坐标的偏差；

(4)铁塔倾斜判别：将获取的偏差与设定阈值比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，所述摄像头设置有不可见光滤光片。例如当采用的不可见光为不可见红外光时，滤光片为910-970nm滤光片，从而仅允许910-970nm的光进入摄像头，并在摄像头的感光元器件上成像。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，为了便于后续不可见光光源相对于不可见光光源初始位置坐标偏斜情况(即铁塔倾斜情况)，本发明以图像中不可见光光源所成像中的中心点坐标为不可见光光源坐标。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，所述不可见光光源初始位置坐标对于后续判断铁塔情况十分重要，为了尽可能减少不可见光光源初始位置坐标的影响，本发明中不可见光光源的初始位置坐标通过以下方法获取：

(a1)在不可见光光源安装于铁塔上的初始时刻，拍摄多组含有不可见光光源的图像；

(a2)获取多组图像中不可见光光源坐标；

(a3)去掉多组不可见光光源坐标中的最大值和最小值，取剩余组不可见光光源坐标的平均值作为不可见光光源的初始位置坐标。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，三角通信塔(简称三角塔)，其偏移1/1500则需报警，对于单杆通信塔(简称单杆塔)，其偏移1/750则需报警。因此对于不同结构的铁塔，设定阈值不同，经研究发现，当铁塔为单管塔时，设定阈值为当铁塔为三角塔时，设定阈值为p为摄像头的有效最大分辨率。

本发明进一步提供了一种基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，包括：

不可见光光源，安装于铁塔上；

摄像头，用于拍摄含有不可见光光源的图像；

图像识别模块，用于获取图像中不可见光光源坐标；

计算模块，用于获取图像中不可见光光源坐标相对于初始位置坐标的偏差；

判别模块，将获取的偏差与设定阈值比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，不可见光光源可根据实际情况，安装于铁塔顶部或铁塔底部。包括发射不可见光的led灯、发光控制板。led灯组至少包括一颗发射不可见光的led灯。发光控制板为led灯控制板，led灯控制板用于控制led灯按照一定的频率发射不可见光。当采用多个led灯时，以拍摄图像中多个led灯所成像前后位置偏差的统计平均值作为铁塔偏移量，以提高铁塔倾斜测量精度。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，摄像头接收来自不可见光光源发射的不可见光，并经其上的感光元器件成像，摄像头设置有不可见光滤光片，其仅允许与不可见光波段对于的光进入摄像头。本发明中，不可见光的颜色应不同于拍摄的图片中的背景色，例如背景色若为黑色，不可见光光源在图像中可以呈现为白色、红色或者其它易于黑色的颜色。例如当采用的是不可见红外光时，摄像头设置的滤光片为有910-970nm滤光片，以允许910-970nm的光进入摄像头，并在其感光元器件上成像。此外，当不可见光在图像中的成像为点光源时，该点光源坐标即为不可见光光源位置坐标；当不可见光光源在图像中呈现为其它几何形状，例如圆形、椭圆形等，为了提高铁塔倾斜测量精度，可以取其中心位置坐标作为不可见光光源坐标；当然也可以根据实际需要取其他位置的坐标。初始安装时，摄像头与不可见光源位置相对，不可见光光源所成像中心位于摄像头拍摄图像的中心位置。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，不可见光光源和摄像头通过lora芯片或433m无线发射接收模块实现通讯；

当不可见光光源和摄像头通过lora芯片实现通讯时，所述不可见光光源和摄像头分别设置有lora芯片；

当不可见光光源和摄像头通过433m无线发射接收模块实现通讯时，所述433m无线发射接收模块包括发射模块和接收模块，发射模块安装于摄像头上，接收模块安装于不可见光光源上。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，图像识别模块用于从摄像头拍摄的图像中识别出不可见光光源所成像，并给出不可见光光源在图像中的坐标。图像识别模块可以为本领域已经披露的常规模块，例如cn201210355397.7、201310602763.9或201711401424.9中公开的图像识别模块。图像识别模块可以设置于摄像头上，于摄像头的pcba主控板连接。当环境光线较亮，环境中910-970nm光线进入摄像头并成像，造成环境成像和光源成像对比不明显，从而对光源坐标的识别造成一定干扰；此时，图像识别模块将难以识别不可见光光源的操作结果由摄像头的pcba主控板经lora芯片或433m无线发射接收模块反馈给不可见光光源的led灯控制板，led灯控制板调控led灯的亮度，使亮度更明显，从而增加环境和光源对比度。图像识别模块将获取的不可见光光源坐标信息发送给计算模块。

上述基于不可见光的铁塔倾斜监测系统，计算模块用于根据图像中不可见光光源坐标及其初始位置坐标，计算得到两者的偏差；此外计算模块还可用于计算不可见光光源的初始位置坐标。判别模块用于将获取的偏差与设定阈值比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜。计算模块和判别模块可以设计于作为后台控制层的中心服务器中。中心服务器为具有显示、保存和数据统计等功能的计算机，当铁塔发生倾斜时，中心服务器报警，并通知相关负责人。摄像头通过设置的nb-iot芯片与中心服务器通讯，图像模块将不可见光光源坐标信息由摄像头的pcba主控板经nb-iot芯片发送给中心服务器，再由计算模块对接收的数据进行处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法及系统，通过摄像头实时获取安装于铁塔上的不可见光光源位置，并通过计算不可见光光源当前位置相对于初始安装时刻的位置偏差，便可实现对铁塔倾斜情况的实时监测，相比于传统的经纬仪测量方式，极大提高了测量效率；

2、本发明提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法及系统，通过图像识别算法，放大倾斜值，能够识别铁塔的轻微倾斜(可识别1/60000的倾斜)，相对于目前标准，提高了约40-80倍，具有很高的测量精度；

3、本发明提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法及系统，具有较好的普适性，能够适用于各种形式的铁塔倾斜监测。

附图说明

图1为本发明基于不可见光的铁塔倾斜监测方法流程示意图。

图2为本发明针对单杆塔的铁塔倾斜测量装置。

图3为本发明针对三角塔的基于光电法的铁塔倾斜测量装置。

图4为摄像头的拍摄范围。

图5为摄像头成像示意图。

图中，1-不可见光光源，2-摄像头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测系统包括铁塔倾斜测量装置、基站和中心服务器。

铁塔倾斜测量装置包括不可见光光源1及用于拍摄不可见光光源的摄像头2。

不可见光光源安装于铁塔上，其包括用于发射不可见红外光(940nm)的led灯、led灯控制板、433m无线接收模块和电源。433m无线接收模块的信号输出端与led灯控制板的信号输入端连接，led灯控制板的信号输出端与led灯连接，电源为电池，分别与433m无线接收模块和led灯控制板连接，为两者供电。本实施例中led灯的数量为一个，led灯控制板用于控制led灯按照一定的频率亮灯。

摄像头为红外镜头，其包括带有滤光片的镜头、433m无线发射模块、图像识别模块、nb-iot芯片、pcba主控板和电源。pcba主控板分别与433m无线发射模块、图像识别模块和nb-iot芯片连接，用于控制各元件的运行，同时控制摄像头的拍摄。电源为电池，分别与433m无线发射模块、图像识别模块、nb-iot芯片和pcba主控板连接，用于为各元件供电。本实施例中滤光片可允许910-970nm的光进入摄像头，并在其感光元器件上成像。图像识别模块用于从摄像头拍摄的图像中识别出不可见光光源所成像，并给出不可见光光源在图像中的坐标；由于本实施例中led灯所成像为点光源，其所成像为圆形，因此本实施例中采用的图像识别模块首先将拍摄的图像进行灰度处理，根据设定阈值，提取图像中亮的区域，然后对亮的区域轮廓进行判断，若轮廓为圆形，即为不可见光光源所成像，图形的圆心坐标即为不可见光光源在图像中的坐标；若轮廓不是圆形，继续对下一个亮的区域判断，直至找到轮廓为圆形的区域。此外，当环境光线较亮，环境中910-970nm光线进入摄像头并成像，造成环境成像和光源成像对比不明显，从而对光源坐标的识别造成一定干扰；此时，图像识别模块将难以识别出不可见光光源的操作结果由摄像头的pcba主控板433m无线发射接收模块反馈给不可见光光源的led灯控制板，led灯控制板调控led灯的亮度，使亮度更明显，从而增加环境和光源对比度。

中心服务器为具有显示、保存和数据统计等功能的常规计算机。计算机设置有计算模块和判别模块。计算模块用于根据图像中不可见光光源坐标及其初始位置坐标，计算得到两者的偏差；此外计算模块还可用于计算不可见光光源的初始位置坐标。判别模块用于将获取的偏差与设定阈值比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜。

不可见光光源可以根据实际情况安装于铁塔顶部或底部。摄像头的镜头拍摄范围覆盖不可见光源。初始安装时，摄像头还可与hdmi显示器连接，用于实时显示摄像头所拍摄的图像，并根据成像情况，调节摄像头的位置，以保证不可见红外光光源成像位于屏幕中央。摄像头和不可见光光源分别通过各自设置的433m无线发射模块和433m无线接收模块实现通讯。摄像头通过其设置的nb-iot芯片与中心服务器通讯。

上述铁塔倾斜测量装置作为前端硬件设备负责获取不可见光光源位置，基站作为信息传输层，中心服务器作为后台控制层。铁塔倾斜测量装置将含有红外线光源(即led灯)位置坐标信息在内的图像信息利用nb-iot芯片通过基站传送给后台中心服务器，中心服务器对接收的数据进行显示、保存和数据统计。

实施例2

本实施例针对的对象为单管塔，如图2所示，不可见光光源1安装在铁塔塔顶，摄像头安装在铁塔塔底所在基座(这里指地面)上，摄像头与铁塔塔底在同一水平面内，不可见光光源1和摄像头2位置相对。

本实施例提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)拍摄含有不可见光光源的图像：摄像头的pcba主控板控制其433m无线发射模块与不可见光光源433m无线接收模块通讯，不可见光光源433m无线接收模块接收到来自摄像头的信号后，led灯控制板控制led灯亮灯发射不可见红外光，摄像头对不可见光光源进行拍摄，得到含有不可见光光源的图像；

(2)获取图像中不可见光光源坐标：由图像识别模块获取图像中不可见光光源坐标，摄像头将获取的不可见光光源坐标由nb-iot芯片经基站发送给中心服务器；

(3)获取图像中不可见光光源坐标相对于初始位置坐标的偏差：中心服务器的计算模块根据图像中不可见光光源坐标及其初始位置坐标，按照以下公式计算得到两者的偏差：

其中，(x0，y0)为不可见光光源的初始坐标，(xa，ya)为不可见光光源在当前图像中的坐标，为不可见光光源当前坐标相对于初始位置坐标的偏差；

(4)铁塔倾斜判别：中心服务器的判别模块将获取的偏差与设定阈值(87.99个像素点)比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜，由中心服务器报警并通知相关负责人，相关负责人根据铁塔倾斜情况及时采取相应措施，避免引起通信网络中断，给人民造成生命安全及财产损失；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜，中心服务器将当前不可见光光源坐标数据进行保存并显示，但不报送数据，之后返回步骤(1)重复上述操作，继续对铁塔倾斜情况进行监测。

初始安装时，不可见光光源与摄像头在铁塔上时两者相对且两者轴线重合，位于同一竖直方向上，铁塔没有倾斜。此时，不可见光光源初始位置坐标通过以下方法获取：

(a1)摄像头调焦校准后，拍摄多组含有不可见光光源的图像，由图像识别模块获取图像中不可见光光源坐标，并将获取的不可见光光源坐标发送给中心服务器；

(a2)从中心服务器接收的多组不可见光光源坐标中提取6组坐标值(2011,1511)、(2010,1509)、(2009,1507)、(2008,1506)、(2005,1503)和(2003,1501)；

(a3)去掉不可见光光源坐标中的最大值(2011,1511)和最小值(2003,1501)，利用计算模块取剩余组不可见光光源坐标(2010,1509)(2009,1507)(2008,1506)(2005,1503)的平均值(2008,1506)(横纵坐标分别取平均值)作为不可见光光源的初始位置坐标，并设(2008,1506)为原点0。

下面对设定阈值的确定方法进行描述。摄像头随着拍摄高度的不同，拍摄范围也有一定的区别。本实施例采用的摄像头水平拍摄角度为4°，垂直拍摄角度为3°。

如图4所示，假设h、d、v分别为摄像头拍摄范围内物体的水平方向长度、垂直方向长度及有两者构成的矩形的对角线长度。则根据图5给出摄像头成像示意图，h＝h*tanβ*2，v＝h*tanβ′*2，其中β为水平半角，β′为垂直半角，即β＝2°，β′＝1.5°。

如表1所示，当拍摄距离为20m时，摄像头可拍摄的范围为1.397m*1.047m。

表1摄像头的拍摄范围与拍摄距离的关系

上述摄像头采用1600像素，水平分辨率为4608，垂直分辨率为3456，则，水平方向和垂直方向获取图像的像素精度见表2所示。

表2摄像头水平方向和垂直方向的像素精度

假设摄像头的有效最大分辨率为p，则p＝a*b，且即

对于单管塔，当其偏移量大于高度的1/750时，则应实时维护工作。假设铁塔高度为h，偏移量为x，则铁塔安全范围为对于20mm的铁塔，其x≤26.66mm。

将其换算至图像坐标系，设水平倾斜阈值为y，垂直倾斜阈值为y′。

根据以下公式组：

h＝h*tanβ*2，v＝h*tanβ’*2(1)

联立得到

即对于单管塔，水平和垂直倾斜像素点阈值均相同，且仅与摄像头有效最大分辨率有关。当p＝1600万像素时，y＝y′＝87.99个像素点，结果见表3所示。因此当不可见光光源当前坐标与初始位置坐标的偏差个像素点时，表示铁塔倾斜；当个像素点时，表示铁塔未倾斜。

表3单管塔倾斜阈值

对于本实施例，若检测到的不可见光光源当前坐标为(2038,1546)，其与初始位置坐标(2008,1506)的偏差为：

由于因此判定铁塔无倾斜，中心服务器进行保存当前数据。

为了便于与铁塔倾斜标准对比及计算机显示，可以进一步设定也即当w≤1时，铁塔未倾斜，中心服务器不报警；当w＞1时，铁塔倾斜，中心服务器报警。

实施例3

本实施例针对的对象为三角塔，如图3所示，摄像头2安装在铁塔塔顶，不可见光光源1安装在铁塔塔底所在基座(这里指地面)上，且位于等腰三角塔底边的中心位置，不可见光光源1和摄像头2位置相对。

本实施例提供的基于不可见光的铁塔倾斜监测方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)拍摄含有不可见光光源的图像：摄像头的pcba主控板控制其433m无线发射模块与不可见光光源433m无线接收模块通讯，不可见光光源433m无线接收模块接收到来自摄像头的信号后，led灯控制板控制led灯亮灯发射不可见红外光，摄像头对不可见光光源进行拍摄，得到含有不可见光光源的图像；

(2)获取图像中不可见光光源坐标：由图像识别模块获取图像中不可见光光源坐标，摄像头将获取的不可见光光源坐标由nb-iot芯片经基站发送给中心服务器；

(3)获取图像中不可见光光源坐标相对于初始位置坐标的偏差：中心服务器的计算模块根据图像中不可见光光源坐标及其初始位置坐标，按照以下公式计算得到两者的偏差：

其中，(x0，y0)为不可见光光源的初始坐标，(xa，ya)为不可见光光源在当前图像中的坐标，为不可见光光源当前坐标相对于初始位置坐标的偏差；

(4)铁塔倾斜判别：中心服务器的判别模块将获取的偏差与设定阈值(43.99个像素点)比较，若大于设定阈值，铁塔倾斜，由中心服务器报警并通知相关负责人，相关负责人根据铁塔倾斜情况及时采取相应措施，避免引起通信网络中断，给人民造成生命安全及财产损失；若不大于设定阈值，铁塔未倾斜，中心服务器将当前不可见光光源坐标数据进行保存并显示，但不报送数据，之后返回步骤(1)重复上述操作，继续对铁塔倾斜情况进行监测。

本实施例中，初始安装时，不可见光光源与摄像头在铁塔上时两者相对且两者轴线重合，位于同一竖直方向上，铁塔没有倾斜。不可见光光源初始位置坐标与实施例2中的相同，这里不再赘述。并假设本实施例中的不可见光光源初始位置与实施例2中的相同。

本实施例中，对设定阈值的确定方法与实施例2中的相同，这里不再赘述进行描述。

对于三角塔，当其偏移量大于高度的1/1500时，则应实时维护工作。假设铁塔高度为h，偏移量为x，则铁塔安全范围为对于20mm的铁塔，其x≤13.33mm。

将其换算至图像坐标系，设水平倾斜阈值为y，垂直倾斜阈值为y′。

根据以下公式组：

h＝h*tanβ*2，v＝h*tanβ’*2(1)

联立得到

即对于三角塔，水平和垂直倾斜像素点阈值均相同，且仅与摄像头有效最大分辨率有关。当p＝1600万像素时，y＝y′＝43.99个像素点，结果见表4所示。因此当不可见光光源当前坐标与初始位置坐标的偏差个像素点时，表示铁塔倾斜；当个像素点时，表示铁塔未倾斜。

表4三角塔倾斜阈值

对于本实施例，若检测到的不可见光光源当前坐标为(2038,1546)，其与初始位置坐标(2008,1506)的偏差为：

由于因此判定铁塔倾斜，中心服务器保存当前数据，同时需要上报报警信息，铁塔维护人员需要现场观察。

为了便于与铁塔倾斜标准对比及计算机显示，可以进一步设定也即当u≤1时，铁塔未倾斜，中心服务器不报警；当u＞1时，铁塔倾斜，中心服务器报警。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。