电网GIS数据采集测量方法

黎家勋 黎珍惜
(广西壮族自治区地理信息测绘院)

  在目前的电网GIS数据采集测量中,广范采用了GPS RTK(简称RTK)和全站仪配合的测量技术。RTK测量的特点是快速、只需有CORS(基准站)和接收到五颗卫星以上信号的地方,在符合RTK测量条件的情况下,测量数据的精度高,可以达到五秒点的测量精度;全站仪测量精度高,而且性能稳定,前提是必需有已知控制测量点。
  1 电网GIS数据采集的特性
  电网GIS数据采集测量有着不同的特性,一是要测量的数据量大而且很分散;二是电网设备与居民地以及人类活动场所有密切联系,很多电网设备座落在居民区内,有一些还在房屋内,城市地区许多街道两旁高楼大厦林立,要测量出电网设备的点位坐标高程是比较困难的,使用RTK方法测量,经常受到各种不利条件的影响,很多地方接收不到卫星信号而无法测量,这些RTK测量困难的地方,相对于全站仪来说却并不是难题,RTK与全站仪配合正好克服这些困难;三是电网设备本身发出的电磁波也干扰RTK接收信号,但对全站仪的影响却很小;四是测量电网设备是与电打交道,存在着一定的危险性,作业中时刻要注意安全;五是电网设备的布设是有路线可循的,由电站、变电站往外发散;六是电网设备GIS数据采集按国家电网公司要求,其平面精度为:发电站、变电站、输电杆塔(35KV以上)其测量误差限差为3米,配电杆塔(10KV)误差限差为1.5米,箱式变压器、环网柜、分支箱、开关箱、箱式变电站等误差限差为0.5米,电缆检查井、通风口误差限差为0.3米(上述所提及的平面精度,指电网设备的中心位置精度),高程精度没有提要求,但也不能太离谱了。
  2 RTK、全站仪测量方法和优、缺点
  RTK测量实质上是GPS技术的一种应用,是利用差分法技术实时定位进行测量的一种方法,即是利用各地所建立的CORS站或是在已知的测量点上设置基准站,利用所发射的差分改正信号,用多台RTK在测量点上接收差分改正信号和卫星信号之后,通过每台RTK手簿(计算机)对坐标、高程、坐标系转换参数、水准面拟合参数等计算处理,实时计算出测站点的XYZ三维数据来。作业时,RTK在数个待测点上设站,CORS(基准站)与RTK保持同时跟踪至少5颗以上的卫星。
  RTK测量电网设备的坐标、高程具有以下的优点:1速度快、高效,信号好时几秒钟就可测出一个点的坐标高程来,这是其它测量设备无法相提并论的;2点与点之间无需相互通视,测点高度角大于10度就可以测量(所看到的天空视角);3在符合测量条件的情况下,测量的数据精度高,平面精度可达到的中误差±0.05米以内;4测量方法比传统的测角、测边技术操作要简便得多,作业时间少;5费用成本也就相对要低。
  RTK测量技术虽然先进,但同样存在着一些缺点,也同样受到自然环境的制约,如:1、CORS站(基准站)必须在较高的山头或建筑物上,流动站距离CORS站(基准站)不能超出距离要求,有些地方由于障碍物原因,常出盲点;2、 CORS站(基准站)、流动站周围不能有无线电波干扰源,如电视台,微波站,通信站,高压线等具有电波干扰的物体的存在;3、流动站不能设在隐蔽的地方,如有房檐的房角、大山沟中、树荫下或是高楼林立的大街两旁;4、雷雨天气不宜施测,容易造成安全事故,特别是在电网设备旁;5、太阳黑子也可能会影响流动站顺利工作;6、测量时的浮动点,看似精度已达到误差要求,实则是一个不确定值,如果采用,很容易超限。
  全站仪的特点是:只要有两个以上已知测量点,就可以测量未知点,观测条件受外界条件影响很小,几乎是全能的。
  3 电网GIS数据采集测量的方法
  根据电网设备的布设特性和RTK测量的特点,本着尽量发挥RTK测量的长处,避免不利因素,达到快速省时的目的,一般是以RTK测量为主,全站仪测量做配合的测量方法进行。电网设备测量时,尽量从变电站开始,按杆塔线路(或电缆井)的走向顺序进行测量,这样会减小寻找电网设备所需要的时间。下面谈谈RTK为主全站仪为辅在电网GIS数据采集测量中所使用的几种方法:
  1、几何作图法(或解析法),有些电网设备由于所在位置比较隐蔽,接收卫星信号不好,无法用RTK测量时,如果杆塔(或电缆井)在同一直线上,如图1,可以通过施测直线两端的杆塔(或电缆井),中间采用量距求出它们之间的相对距离,然后在CAD或CASS软件上用图解的办法求出未知杆塔(或电缆井)的坐标,高程取前后两个杆塔(或电缆井)的高程为基础,按顺序线段长短分配高差,用高程平差的方法算出高程;这种方法只局限在平坦地区或是坡度匀等的情况下,地形起伏较大的地区高程无法准确求取;坐标的求取方法是:在CAD或CASS软件上,在图上先展出两个已测坐标的点,用直线连接两点,在直线上按距离标出其它点(杆塔),如果距离的总和与两已知点距离有出入(即闭合差),其闭合差按距离成比例分配到每一线段中,这样就可解决由于量边存在的测量误差了,距离确定之后,在图上点取每个杆塔(或电缆井)的平面坐标,然后通过坐标转换求出经纬度;解析法也就是通过用数学的方法解算出中间未知点坐标高程,因为这些未知点都在同一直线上,两端点坐标高程已测出,可以用其坐标反算边长方位角,以反算边长作为真值对距离测量值进行平差,通过方位角和每段距离,可以计算出所有未知点坐标,高程可以采用平差方法求取;通过多次实地作业测量,未知点的平面精度主要是由两端点的测量精度和中间的量距精度决定,高程与所在位置的平坦与坡度有关,这种方法求取的未知点的坐标高程均符合有关精度要求。

图1 直线法

  2、交会法,方法一:如图2,是在容易到达的地方选取A、B两测站点,这两个点与不易到达的杆塔的夹角∠APB不能小于三十度,用RTK测出A、B两个点的坐标、高程,在这两个点上分别用全站仪设站,观测杆塔点P与另一个已知点的夹角、观测杆塔点P点的垂直角(杆塔头和杆塔底两个位置的垂直角);然后把两个RTK点坐标数据展在CAD或CASS图上,两点连线,绘出两个RTK点连线与杆塔点P的两夹角,再连线,两直线交会的点也就是杆塔点P平面位置,在图上点出平面坐标和到两个RTK点的距离,平面坐标通过转换求取经纬度,有了杆塔点P到已知点的距离和垂直角就可以算出杆塔点P的高程来;交会法也可以用三角形解析法计算出杆塔点P的坐标高程来,在这里要说明的是杆塔头到地面的杆塔高如何求出,可以同时在两RTK点上用全站仪测量杆塔头和杆塔底地面垂直角,用上述方法求取,别外同一电力线路上的杆塔高大至相等,只有个别情况例外;CAD或CASS图是电子数字图件,不会在展点过程上造成误差,其主要误差来源于测量过程和外界条件。

图2 交会法

  方法二:如图3,如果A、B两个RTK测量点离杆塔点P距离不远,而且在平坦地方,只要量出A、B两点到杆塔点P的距离,在CAD或CASS图上用距离作半径绘两圆弧,所交之点即是杆塔点,作图时要注意,不要把杆塔点在A、B两点连线左、右方向搞反,实地绘一个草图,标注北方向,就不会搞反了;目前,有些RTK电子手簿设有计算量距交会法的功能,只局限于距离较短的情况下可行。

图3 量边交会法

  3、延伸法,如图4,在与未知(电网设备)P点能通视的直线上选取A、B两点,这两个点必须能接收到五颗以上卫星和差分信号,并且A到B、B到P的坡度一致,在A、B两点进行RTK观测获得这两个点的平面坐标和高程,然后量出B点到未知(电网设备)点P距离,通过图解的方法或数学方法求出未知(电网设备)P点的点位坐标,高程通过A、B两点间坡度和B、P间距离推算求取,这种测量方法也可以在RTK电子手簿上直接完成计算过程。

图4 延伸法

  4、垂直法,如图5,在同一直线上的大多数杆塔、工井等设备都可以用RTK测量出坐标、高程,只有小部分电网设备因为测量条件限制无法在实际位置测量时,可以在与电网设备直线相垂直的方向寻找测量位置,为了确保CP直线垂直于AB直线,在实地往PA、PB两直线方向上各量一个相同距离的辅助点,在这两个辅助点上往C方向量同样距离的交点,形成一个等腰三角形,P点与交点连线,该直线垂直于AB直线,C点就落在该直线上,C点最好选在与P点同高的位置上;选好C点之后,测量C点坐标高程,通过作图软件CAD或CASS作图求取垂点P坐标数据,也可以通过丈量C点至P点之间的距离,用数学方法计算出所求设备位置的坐标来,高程取C点高程作为P点高程。

图5 垂直法
  免棱镜法,在可以看到但无法到杆塔的地方选取测站点,测站点到所求杆塔距离不能大于200米(一般全站仪免棱镜测距有效距离),在测站点上用RTK测出坐标、高程,再在离设站点大于30米的地方用RTK测量一个定向点,然后在测站点上用全站仪设站对杆塔进行免棱镜观测,求取坐标、高程数据,值得注意的是测量一般是瞄准杆塔头观测的,高程要减去杆塔高,杆塔高同一线路差不多是一样的,另外视线不好不要测量,有时候风吹过一片树叶正好挡在全站仪测量的视线上,也会使全站仪测量数据变成错误数据。

  4 结束语
  在电网GIS数据采集测量中,RTK测量派上了大用场,主要原因是RTK测量速度快、效率高的优点,其缺点也是明显的,常常因为接收不到信号而无法工作,上述这些作业方法,都是针对RTK测量的缺点的,其目的也是为了提高工作效率。上述的方法只是工作方法的总结,有些地方因水平有限,总结不到位,或者有某种缺陷,望批评指正。

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