單基站CORS在電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集中的應用

李書群，高 飛，吳兆福，王春林

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院測量工程系，安徽 合肥 230009）

隨著連續(xù)參考站（Continues Operation References Station，CORS）技術的不斷發(fā)展，CORS在大地測量、導航、定位、地形監(jiān)測、地籍管理、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集等方面被廣泛應用。由于建立CORS費用和技術要求較高，單基站CORS系統(tǒng)具有成本低、結構簡單、建設快速簡單、易于管理維護和良好的擴展性等特點，在中小城市及一些工程項目中得到廣泛應用。

隨著合肥經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模擴大，不同電壓等級的變電站數(shù)量、不同類型的輸電桿塔和線路長度都在增長，為了有效維護電網(wǎng)的正常運行和日常維護，實現(xiàn)電網(wǎng)的結構化管理和可視化查詢顯示，建立合肥電網(wǎng)GIS是最有效的手段。GIS空間數(shù)據(jù)是GIS的血液，數(shù)據(jù)的優(yōu)劣直接影響GIS的質(zhì)量。獲取GIS數(shù)據(jù)的技術手段包括野外數(shù)據(jù)采集、地圖數(shù)字化、攝影測量、遙感影像處理等。結合電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的特點，本次合肥電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)主要應用單基站CORS系統(tǒng)采集。

1 CORS用于GIS數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢及可行性

1.1 電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集應用CORS的可行性

電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集是對電力設備數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集的主要對象是電線桿塔的空間位置和屬性特征。電線桿塔起到傳輸供電線路的作用，具有數(shù)量大、分布范圍廣、采集密度大的特點，采用全站儀測量坐標顯然有些困難，隨著GPS和RS技術的發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集和GPS定位數(shù)據(jù)采集方法成為目前GIS數(shù)據(jù)采集的常用方法，由于電線桿塔在遙感影像上是點狀地物，使用RS測量無論在成本上和測量精度上不優(yōu)于使用GPS測量［1－2］。使用GPS測量單點定位達不到精度要求，靜態(tài)定位時間過長，而使用傳統(tǒng)RTK作業(yè)范圍又受局限。綜合種種因素，電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采用單基站CORS系統(tǒng)進行采集是最合適的方法。

1.2 CORS應用于電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢

1）工作效率高。單基站CORS系統(tǒng)又稱網(wǎng)絡RTK，工作原理同RTK一樣，是對RTK的進一步發(fā)展，其基準站不需因測量區(qū)域的變換進行搬站，節(jié)約時間和人工。

2）流動站獨立性強。不同的桿塔位置不同，接收信號的情況有所差異，流動站獲得固定解的時間不一致，傳統(tǒng)的RTK同一基站的流動站需全部測量完畢才進行搬站，單基站CORS系統(tǒng)接收信號不好的流動站不影響其他流動站的作業(yè)進度。

3）覆蓋范圍廣。需要采集數(shù)據(jù)的桿塔分布全市各個位置。使用傳統(tǒng)RTK基站數(shù)據(jù)通過電臺傳播，覆蓋范圍有限，測量全部的桿塔要不停地搬基站。單基站CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳播通過網(wǎng)絡傳發(fā)，覆蓋范圍廣泛，流動站的數(shù)目增加，提高了工作效率。

4）基站兼容性強。傳統(tǒng)RTK一個品牌的基準站只能兼容同一品牌甚至同一型號的接收機，開展作業(yè)時，有一定局限性。單基站CORS對不同的GPS接收機都能夠兼容，只需建立不同的作業(yè)就可以實施多種GPS接收機同時作業(yè)。

2 單基站CORS系統(tǒng)的建立

2.1 CORS系統(tǒng)原理簡介

CORS系統(tǒng)由基準站（網(wǎng)）、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)和用戶5個部分構成。CORS系統(tǒng)分為單基站CORS和多基站CORS（網(wǎng)絡CORS）［3－7］。單基站CORS系統(tǒng)只有一個連續(xù)運行的參考基站，連續(xù)運行的基站既是基站又是數(shù)據(jù)處理中心，既接收衛(wèi)星信號又發(fā)射差分信號。通過基站的連續(xù)運行服務器可以查看衛(wèi)星狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送情況、數(shù)據(jù)存儲和差分數(shù)據(jù)及基站的維護管理。多基站CORS系統(tǒng)是多個單基站聯(lián)合起來，各基站把接收的衛(wèi)星信號傳給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)處理中心控件軟件自動計算流動站和基站的距離，選擇最佳CORS基站作為流動站差分的參考站。單基站CORS系統(tǒng)與多基站CORS系統(tǒng)比較見表1。

表1 單基站CORS與多基站CORS比較

2.2 單基站CORS系統(tǒng)建設

單基站CORS系統(tǒng)建設分室內(nèi)和室外2部分。室內(nèi)部分主要包括Lecia 1200＋GNSS接收機、數(shù)據(jù)管理中心（配備GNSS Spider控制軟件）、電源及網(wǎng)絡。計算機與GNSS接收機、網(wǎng)絡相連接，構成一個通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的控制中心。室外部分有天線、避雷針。室外部分建設分為選點、建墩、天線的安裝與調(diào)試、避雷針的安裝等過程［8］。單基站CORS系統(tǒng)室外天線須安放在視野較為開闊的樓頂墩，周圍高度角15°以上沒有高大障礙物，GPS信號被遮擋和干擾較少，不影響GPS信號接收；該樓頂墩附近沒有玻璃幕等強反射源，防止發(fā)生多路徑效應。室內(nèi)部分建設把樓頂?shù)奶炀€通過同軸電纜與室內(nèi)部分連接。

2.3 單基站CORS系統(tǒng)控制中心軟件設置

對GNSS spider基站控制軟件進行設置，基站類型選擇“Local Site Serve”在單基站模式下建立兼容本次測量使用的Lecia 1230GNSS接收機和南方靈銳S82－E、南方靈銳S86不同種類儀器的工作模式。對不同的工作進行設置，設置作業(yè)的名稱、數(shù)據(jù)類型、衛(wèi)星類型、信號通道及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞降??；咎炀€設置包括基站天線的經(jīng)緯度坐標、高程以及天線類型設置，天線的坐標根據(jù)已知點聯(lián)測得到，天線類型選擇GPS＋GLONASS雙星接收模式（見圖1）。對單基站CORS系統(tǒng)的流動站進行設置與單基站建立聯(lián)系，把CORS系統(tǒng)基站接收機采集的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到CORS系統(tǒng)的流動站，流動站就可獲得差分固定解［9］。

圖1 基站天線設置

3 單基站CORS系統(tǒng)精度分析

使用單基站CORS系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)10個D級GPS已知點進行測量，檢驗CORS系統(tǒng)的測量精度。在WGS－2000大地坐標系下測量10個已知點的大地經(jīng)緯度與已知坐標進行比較（見表2），點位中誤差為±0.018 1s，大地高中誤差±0.463 6m。電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集平面精度小于1m，高程沒有要求。根據(jù)精度檢驗結果可知，單基站CORS系統(tǒng)完全可以滿足電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集的要求。

表2 CORS系統(tǒng)精度分析

4 基站CORS系統(tǒng)的應用實例

4.1 電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集對象簡介

電線桿塔數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)2方面?？臻g數(shù)據(jù)采集是使用GPS接收機采集電線桿塔的三維坐標（大地坐標）。屬性數(shù)據(jù)采集是采集輸電線路及線路桿塔相關的一些信息數(shù)據(jù)。無論是空間數(shù)據(jù)采集還是屬性數(shù)據(jù)采集，需要對進行數(shù)據(jù)采集的輸電桿塔要有一定的認識和了解，不同類型的桿塔進行數(shù)據(jù)采集方法不同。進行數(shù)據(jù)采集的電線桿塔分為500kV、220kV、110kV和35kV 4個電壓等級。不同形狀、不同作用的桿塔測量方法不同，根據(jù)桿塔外型和材料的差別可以分為角鋼塔、鋼管塔、門型塔和V型塔幾類（見圖2）。桿塔根據(jù)在輸電線路中不同作用分為耐張塔和直線塔2種類型，耐張型塔就是在輸電線路中位于線路轉角位置的塔（見圖2（a）），影響輸電線路的走向。而直線型塔就是在輸電線路中起到傳遞線路作用的塔，其位置根據(jù)測量數(shù)據(jù)和耐張塔的位置共同確定。

4.2 應用CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法

電線桿塔空間數(shù)據(jù)的采集就是用GPS測量其中心坐標。有些桿塔可以直接測量出中心三維位置，如門型塔。對于無法直接測量中心位置的電線桿塔，使用交會法得到中心坐標。

一點法：測量門型塔（見圖2（c））直接使用GPS接收機測量門型塔的中心坐標。

根據(jù)耐張塔形狀的不同采用不同的測量方法。①三距離交會法：點O是圓形鋼管桿（見圖2（b））的中心位置，測量圓形鋼管桿3個方向上A，B，C3個點的坐標（見圖3（a）），并用測距儀測量出A，B，C3點到鋼管桿的距離，內(nèi)業(yè)交會出點O的坐標。②三點法：角鋼塔的基礎是矩形，可以到達基礎（A′，B′，C′，D′）4個角點的桿塔使用GPS直接測量4點中任意3點的坐標，通過測量的3點坐標交匯出角鋼塔中心坐標O。③雙方向法：無法到達角鋼塔4個角點的桿塔使用雙方向交會法測量角鋼塔對角線上A，B，C，D4點坐標，并測量這4點到鋼塔的距離（見圖3（b）），對角線AC，BD交會出桿塔中點O。

圖2 桿塔類型

直線桿塔可以采用更簡單直接的測量方法。①單方向法：在輸電線下方測量（見圖3（c）），在線路前進方向上測量A，B2點的坐標，并測量這2點到桿塔的距離，測距時輸電線路前進方向距離為正，其反方向距離為負。②垂線法：無法到達桿塔位置時在與輸電線路垂直的方向上測量一點A的坐標，并測量這點到塔的垂距（見圖3（d））。已知輸電線路的走向，通過耐張塔和測量距離共同確定直線塔的中心位置。直線塔也可以采用耐張塔的測量方法進行測量。

圖3 測量方法

4.3 數(shù)據(jù)采集注意事項及精度要求

1）采用三點法，A，B，C3個點方向盡量均勻分布，分布越均勻，交會誤差越小。測量精度要求3個點的交會誤差不能大于1m；

2）點到塔的距離，是在測距儀的距離測量值上加上塔的半徑；

3）垂線法測量時垂距不能超過80m，距離過大影響測量精度；

4）直接測量基礎角點時，由測量的3點（A′，B′，C′）形成的夾角與直角的誤差不能大于10°?；A邊長tan（a）（a為直角誤差）不能大于1m。

5）每天都進行必要的檢核，開始測量前對已知點進行測量，結束時再對已知點進行測量，進行檢核和質(zhì)量控制。

屬性數(shù)據(jù)包括電線桿塔的線路名稱、電壓等級、桿塔類型、桿塔材質(zhì)、輸電線路走向及桿塔運行狀態(tài)，屬性數(shù)據(jù)通過外業(yè)記錄和拍攝桿塔的塔牌、全貌、基礎、前視和后視的照片進行采集?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)檢查合格后，將二者匹配并形成完整的GIS數(shù)據(jù)集，完成GIS數(shù)據(jù)的采集。

4.4 測量方法比較

本次合肥電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集共測量了214條輸電線路，大概7 665個電線桿塔，外業(yè)測量的數(shù)據(jù)按照內(nèi)業(yè)標準進行整理，得到交會點坐標及誤差，根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)對各種測量方法進行比較。

1）一點法直接測量桿塔的中心坐標，除了儀器誤差和不可避免的測量誤差不存在測距誤差和交會誤差，測量方法簡單易操作且精度高。一點法適合測量門型塔，其他類型的桿塔很難適用，局限性較強。

2）三點法測量精度較高。該方法不需要測量距離，消除了測距誤差而且具有一定的檢核條件檢核測量數(shù)據(jù)是否滿足精度要求。三點法適合能到達基礎的桿塔。

3）使用三距離交會法精度也較高，盡管交會法本身就存在一定的誤差，測距也存在測距誤差，但存在檢核條件可以檢核測量數(shù)據(jù)是否符合精度要求，可以盡量均勻分布測量點來提高測量精度，減少交會誤差。

4）使用雙距離法測量時AC確定一個方向，A，C2點盡量在同一條直線上，同理B，D也盡量在一條直線上，這樣可以提高測量精度。

5）使用單方向法，由于在野外很難判斷是否在輸電電路的下方，還存在一定的測距誤差，所以測量誤差較大。單方向法測量簡單但只適用于直線型桿塔。

6）使用垂線法時，不使用儀器人為判斷垂直存在誤差，測距時又存在一定的測距誤差。適用于無法到達的直線桿塔。

合肥電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集使用的這幾種測量方法存在一定的誤差，嚴格按照測量方法和檢核手段進行測量可以滿足GIS數(shù)據(jù)采集的精度要求。比較這幾種測量方法，前2種測量的精度最高，后兩種方法采集速度快，方法簡單易于操作。

5 結束語

單基站CORS系統(tǒng)在電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集中的應用具很大的優(yōu)勢，為GIS數(shù)據(jù)采集提供了高效快捷、高精度的方法。本次全市電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)采集順利完成，證明單基站CORS系統(tǒng)完全可以應用于相關GIS數(shù)據(jù)的采集。盡管單基站CORS具有多方面優(yōu)勢，但由于需要接收信號，對于有些信號受到干擾無法接收到必要的衛(wèi)星信號和基站信號的位置，無法完成測量，不得不采用全站儀進行測量。

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