單基站CORS在電網GIS數據采集中的應用

李書群，高 飛，吳兆福，王春林

（合肥工業大學 土木與水利工程學院測量工程系，安徽 合肥 230009）

隨著連續參考站（Continues Operation References Station，CORS）技術的不斷發展，CORS在大地測量、導航、定位、地形監測、地籍管理、地理信息系統、數據庫的數據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。

隨著合肥經濟的發展，電網規模擴大，不同電壓等級的變電站數量、不同類型的輸電桿塔和線路長度都在增長，為了有效維護電網的正常運行和日常維護，實現電網的結構化管理和可視化查詢顯示，建立合肥電網GIS是最有效的手段。GIS空間數據是GIS的血液，數據的優劣直接影響GIS的質量。獲取GIS數據的技術手段包括野外數據采集、地圖數字化、攝影測量、遙感影像處理等。結合電網GIS數據的特點，本次合肥電網GIS數據主要應用單基站CORS系統采集。

1 CORS用于GIS數據采集的優勢及可行性

1.1 電網GIS數據采集應用CORS的可行性

電網GIS數據采集是對電力設備數據進行采集，數據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技術的發展，衛星遙感數據采集和GPS定位數據采集方法成為目前GIS數據采集的常用方法，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，靜態定位時間過長，而使用傳統RTK作業范圍又受局限。綜合種種因素，電網GIS數據采用單基站CORS系統進行采集是最合適的方法。

1.2 CORS應用于電網GIS數據采集的優勢

1）工作效率高。單基站CORS系統又稱網絡RTK，工作原理同RTK一樣，是對RTK的進一步發展，其基準站不需因測量區域的變換進行搬站，節約時間和人工。

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系統接收信號不好的流動站不影響其他流動站的作業進度。

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

4）基站兼容性強。傳統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就可以實施多種GPS接收機同時作業。

2 單基站CORS系統的建立

2.1 CORS系統原理簡介

CORS系統由基準站（網）、數據處理中心、數據傳輸系統、數據播發系統和用戶5個部分構成。CORS系統分為單基站CORS和多基站CORS（網絡CORS）［3－7］。單基站CORS系統只有一個連續運行的參考基站，連續運行的基站既是基站又是數據處理中心，既接收衛星信號又發射差分信號。通過基站的連續運行服務器可以查看衛星狀態、數據發送情況、數據存儲和差分數據及基站的維護管理。多基站CORS系統是多個單基站聯合起來，各基站把接收的衛星信號傳給數據中心，由數據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系統與多基站CORS系統比較見表1。

表1 單基站CORS與多基站CORS比較

2.2 單基站CORS系統建設

單基站CORS系統建設分室內和室外2部分。室內部分主要包括Lecia 1200＋GNSS接收機、數據管理中心（配備GNSS Spider控制軟件）、電源及網絡。計算機與GNSS接收機、網絡相連接，構成一個通過網絡傳輸數據的控制中心。室外部分有天線、避雷針。室外部分建設分為選點、建墩、天線的安裝與調試、避雷針的安裝等過程［8］。單基站CORS系統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，防止發生多路徑效應。室內部分建設把樓頂的天線通過同軸電纜與室內部分連接。

2.3 單基站CORS系統控制中心軟件設置

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，設置作業的名稱、數據類型、衛星類型、信號通道及數據傳輸的方式等。基站天線設置包括基站天線的經緯度坐標、高程以及天線類型設置，天線的坐標根據已知點聯測得到，天線類型選擇GPS＋GLONASS雙星接收模式（見圖1）。對單基站CORS系統的流動站進行設置與單基站建立聯系，把CORS系統基站接收機采集的數據按照TCP/IP協議通過網絡把數據發送到CORS系統的流動站，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系統精度分析

使用單基站CORS系統對測區內10個D級GPS已知點進行測量，檢驗CORS系統的測量精度。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GIS數據采集平面精度小于1m，高程沒有要求。根據精度檢驗結果可知，單基站CORS系統完全可以滿足電網GIS數據采集的要求。

表2 CORS系統精度分析

4 基站CORS系統的應用實例

4.1 電網GIS數據采集對象簡介

電線桿塔數據分為空間數據和屬性數據2方面。空間數據采集是使用GPS接收機采集電線桿塔的三維坐標（大地坐標）。屬性數據采集是采集輸電線路及線路桿塔相關的一些信息數據。無論是空間數據采集還是屬性數據采集，需要對進行數據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據采集方法不同。進行數據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，其位置根據測量數據和耐張塔的位置共同確定。

4.2 應用CORS系統數據采集方法

電線桿塔空間數據的采集就是用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，內業交會出點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 數據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°。基礎邊長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，進行檢核和質量控制。

屬性數據包括電線桿塔的線路名稱、電壓等級、桿塔類型、桿塔材質、輸電線路走向及桿塔運行狀態，屬性數據通過外業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。空間數據和屬性數據檢查合格后，將二者匹配并形成完整的GIS數據集，完成GIS數據的采集。

4.4 測量方法比較

本次合肥電網GIS數據采集共測量了214條輸電線路，大概7 665個電線桿塔，外業測量的數據按照內業標準進行整理，得到交會點坐標及誤差，根據大量的實測數據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據是否滿足精度要求。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據是否符合精度要求，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GIS數據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數據采集的精度要求。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系統在電網GIS數據采集中的應用具很大的優勢，為GIS數據采集提供了高效快捷、高精度的方法。本次全市電網GIS數據采集順利完成，證明單基站CORS系統完全可以應用于相關GIS數據的采集。盡管單基站CORS具有多方面優勢，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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