高压输电线铁塔测量方法.doc

2020年1月17日高压输电线铁塔高精度坐标的测量30目录1、 高压输电线电塔测量简介2、 常见高压电塔的类型3、 电塔测量的常用方法4、 网络RTK的使用5、 提交的坐标格式 第一章 高压输电线电塔测量简介 高压输电线电塔测量（以后简称电塔测量）主要服务于国家电网公司GIS空间信息服务平台的建设工作。本文将重点介绍国家电网GIS基础地理空间数据的采集方法与要求。 电塔测量的主要目的是测定每个高压电塔的中心坐标位置，同时还要对电塔的属性（电塔的类型、负载、图片、材质、运行状况）等信息进行采集。电塔测量的主要仪器：大地测量型GPS，网络RTK、全站仪等。在介绍电塔坐标的采集方法之前我们有必要先了解一下常见电塔的类型以及各自的特点。第2章 常见高压电塔的类型根据不同的属性，常见的电塔有不同的分类。1、 按照电塔绝缘子串（用于悬挂输电线并使电线与杆塔和大地绝缘）的受力情况：直线塔、耐张塔、直耐塔、构架塔；1、 直线塔 该类型塔的绝缘子串只承受输电线的重力，从外观上看，绝缘子串同时垂直于水平面和输电线。如图1、图2。图1（直线塔）图2（直线塔）2、 耐张塔耐张塔不仅起支撑输电线的作用还起到线路的拐弯转向作用，该类型塔的绝缘子串不仅承受电线的重力还承受线路拐弯时的斜向拉力。从外观上来看，该类的绝缘子串和水平面明显不垂直。如图3、图4。图3（耐张塔）图4（耐张塔）3、 直耐塔 当判断塔的绝缘子串是否垂直时，有时会出现很难判断的情况，或者在判断上介于直线塔和耐张塔之间时我们可以将该塔判定为直耐塔。其实在实际的工作中，我们对直耐的判断是这样的，当该塔的前一个或者后一个塔为耐张时那么这个塔就为直耐塔，也就是说和耐张塔邻近的塔一般可以认为是直耐塔。当程序在处理直耐塔坐标时，实际上是将直耐塔当做耐张塔处理的，有关坐标处理会在后面章节详细说明。4、 架构塔 该类型的主要是输电线路进入变电站里的第一根塔，从外形上看，该塔和门型塔比较相像，该类型塔主要起到将变电站电线引出到输电线路或者将输电线路引进变电站的过渡作用。如图5、图6。图5（构架塔） 图6（构架塔）2、 按照电塔的材质属性：水泥杆、铁塔、钢管塔、钢管杆；1、 水泥杆，顾名思义主要由钢筋水泥构成。如图7。 图7（水泥杆）该类型塔电压较低，最高不超过35KV，也是我们工作中测量的最低电压负荷。2、 铁塔 该类型塔最常见，塔身础由三角铁组合而成，基础由四个脚构成，负荷电压较高，基础较大因此市区以外地区较多。 图8（铁塔全貌） 图9（铁塔基础）3、 钢管杆,如图10。 图10（钢管杆）由一个独立基础构成。这类塔直径可达一米以上，测量时需要测量三个画圆来求中心坐标。4、 钢管塔 该类型塔不是很常见，一般是用于跨大河时用，塔比较高，和铁塔相比，该类型的塔基本组成单位为钢管，由四个基础构成。测量方法和四脚型铁塔一样。3、 按照电塔基础的几何形状：四脚型（四边形）、门型塔、V字型塔、钢管杆（单脚型），由于本文主要介绍电塔的测量方法，我们最关心的是电塔的几何形状对我们数据采集的影响，因此，在本为默认铁塔分类是按照电塔的基础的几何形状来分类）主要有以下几种：1、 四脚型（四边形）电塔，该类型电塔基础由四个脚构成。如图11、12。该类型塔一般测量3或4个点即可求出中心坐标。 图11（四脚铁塔） 图12（四脚铁塔）2、 门型电塔，该类型电塔基础由两个脚构成。如图13、14。图13（门型塔） 图14（门型塔）3、 钢管杆，由一个钢管起支撑作用，但是这类塔直径较大测量方法不同于水泥杆、铁杆等简单塔。如图15、16图15（钢管杆） 图16（钢管杆）该类型的塔主要分布在市区。因为其直径小，占地面积小。4、 V型电塔，由一个脚向上分叉构成。该类型塔一般都为直线塔，这是由其结构决定的。测量时测一个点发即可。如图17。 图17（V型塔）5、 水泥杆、铁杆，该类型电塔承载输电线负荷较小，杆直径较小，只需要测量一个点位即可近似确定其位置。如图18、19。图18（铁杆） 图19（水泥杆）以上是按照不同的分类标准将电塔进行的分类，下面将要介绍常见的测量方法。第3章 电塔测量的常用方法1、 一点法 该方法适用于V字型塔、水泥杆、铁杆等基础只有一个的较简单的电塔。测量时将GPS接收机（如图绿色箭）尽量靠近此类塔的基础位置即可，若无法较近的靠近时可以离基础一定的距离，但是GPS安置点和塔基础的连线尽量和输电线的走向垂直。这样测量的坐标并非是该塔真实的中心位置坐标，其实基本上所有电塔我们都无法直接测出其中心点坐标，对于测量到的数据都需要靠一定的几何原理进行处理转化才能获得真实坐标。对于单点法，由于该类塔一般都为直线塔，只提供一个支撑的作用，当我们将耐张塔的坐标确定以后输电线路就可以确定，只要再通过我们测量的位置向输电线（直线）作垂线，垂足即是我们要获取的塔的中心点坐标。2、 二点法该方法主要用于测量门型塔中心点坐标的位置。既然我们需要该塔的中心点坐标，那么理论上讲可以直接将GPS接收机放置在中心点位置（如图所示） ，可是一般情况下在塔正下面GPS的信号会受到电塔的遮 挡等原因而导致精度达不到要求。 所以我们测量该类型塔时多采用两点法，即将GPS接收机尽量接近塔的两个脚各测量一个点位。这两个坐标的平均值即为该塔的真实中心点坐标。3、 三点法该方法适用于四脚型铁塔，而且一般多用于只起直线塔作用的铁塔，因为耐张塔确定了输电线路的走向精度要求比其他塔都要高。如图所示，四边形的四个顶角代表四脚型铁塔的四个基础，我们只需要选定其中三个最佳的测量位置（如图1、2、3，三个GPS安置位置）即可。我们采集的这三个坐标可以根据三点法画矩形（画出的矩形的两条对角线的交点即为中心点）确定其中心点坐标。如果GPS接收机在塔脚附近信号不好时，可以考虑用双方向法（在下面会讲解双方向法）。4、 四点法 该方法仅适用于四脚型铁塔，并且多用于起耐张作用的铁塔。和三点法相比只是多测量了一个基础的坐标。这四个坐标可以构成两条对角线，对角线的交点即为塔中心点坐标。如果GPS接收机在塔脚附近信号比较差时可以改用双方向法（该方法将在下面进行讲解）。5、 三点画圆法该方法适用于钢管杆。测量时需要将GPS接收机（如图绿色箭头所示）贴近钢管进行测量。三个测量位置的圆心的两线构成的角度尽量相互成120，这样可以保证较高的准确度。如果GPS接收机在贴近钢管的时候信号较弱无法达到精度要求，那么我们可以离钢管一定距离，但是一般不超过1米，而且三个测量点离开钢管的距离也要尽量保证是等距，离的（如图所示）。这样我们采集到的三个坐标可以用三点画圆法求出一个圆，该圆的圆心即为钢管杆的中心坐标。6、 双方向法 该方法仅适用于四脚型铁塔。该方法可以说是三点法和四点法的补充。处于精度的要求，该方法一般不建议使用，但是当部分铁塔不易接近或者接近后信号比较差的时候才使用。如测量示意图我们只要保证在踏脚的对角线的延长线上测定四个点，1、2、3、4。每个点原则上离塔的中心不超过20米，每个点到塔的距离可以不相等。在计算该塔坐标时，将测量的1、3坐标和2、4坐标分别连线，交点即为塔的中心位置。第4章 网络RTK的使用方法1、 RTK简介VRS(VirtualReferenceStation)的意思是虚拟参考站,它所代表的是GPS的网络RTK技术。它的出现将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体,结束以前GPS作业单打独斗的局面。同时,它将大大扩展RTK的作业范围,使GPS的应用更广泛,精度和可靠性将进一步提高,使从前许多GPS无法完成的任务得以完成。最重要的是,在具备了上述优点的同时,建立GPS网络成本反而会极大的降低。在过去的几年里,很多厂家花了大量的人力物力来进行这项代表着GPS发展方向的技术的研究,Trimble公司成功掌握了这项技术,经过3年时间的系统测试,2000年,Trimble正式推出了自己的VRS技术。RTK(RealTimeKinematic)技术是GPS实时动态定位的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合,实时解算进行数据处理,在12s的时间里得到高精度位置信息的技术。自20世纪90年代初,这项技术一经问世,极大地拓展了GPS的使用空间,使GPS从只能做控制测量的局面中摆脱出来,而开始广泛运用于工程测量。RTK技术有着一定局限性,使得其在应用中受到限制,主要表现为:1.用户需要架设本地的参考站;2.误差随距离增长;3.误差增长使流动站和参考站距离受到限制(15km);4.可靠性和可行性随距离降低。2、 网络RTK的基本原理 RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收 机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。常用的数据链通讯方式有两种：1、电台模式：UHF(Ultra High Frequency)超高频率，频率300MHz-300KMHz（波长属微波： 波长1M-1MM，空间波，小容量微波中继通信 ）410-430MHz /450-470MHzVHF(Very High Frequency)甚高频（3MHz30MHz属短波： 波长100M-10M，空间波 ）220-240MHz2、 网络模式：GPRS（General Packet Radio Service）中文是通用分组无线业务，是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务 ；CDMA为码分多址数字无线技术 。我们第一次在合肥市进行野外数据示范采集的时候使用的是电台模式，后来在其他地市（阜阳、蚌埠等）就不再使用该模式，原因有两点：1. 使用繁琐，效率低。高压输电线是线性的，一条线路长达几十公里，可是电台一般情况下只能覆盖8KM左右的范围，而且还必须将电台架设在较高地势上，尤其是在多山地带，信号很容易被山体遮挡，导致即使距离很近也无法收到信号，这样就需要不停的像支导线一样的迁站，而且每个电台还必须留一个人负责看管，非常浪费时间和人力。2. 精度差，无检核条件。由于电台模式的迁站方法类似于支导线，随着距离的拉长，误差也原来远大，而且没有检核条件，即使有错误也不容易发现。这样也导致了我们做过的很多数据不合格，使返工率很高。3. 使用时间受电瓶续航能力制约。由于电台需要外接电瓶来供电，在野外测量时一个电瓶有时无法连续使用一整天，经常出现电瓶没电导致的误工事情。 在阜阳市、蚌埠市等其他地市进行野外数据采集的时候，已经没有再使用过电台模式了，使用的都是网络模式。网络RTK有三部分组成，控制中心、固定站、移动站。控制中心和固定站由各个市的主管单位负责架设，我们自己的仪器则为移动站。 1、控制中心 控制中心是整个系统的核心。即是通讯控制中心,也是数据处理中心。通过无线网络(GSM,CDMA,GPRS)与移动用户通讯。每个移动站的GPS中都有一张移动公司的SIM卡，该卡可以通过GPRS与控制中心进行数据传输。2、固定站 固定参考站由是有多个固定的GPS接收机构成,固定站与控制中心之间有通讯线相连,数据实时的传送到控制中心。但是由于我们测量对每个电塔的精度要求为0.5米，使用一个GPS接收机作为固定站也可以达到此要求，因此出去成本考虑，在蚌埠、阜阳等地区临时搭建的固定站只有一个GPS接收机。(3)用户部分 用户部分就是用户的接收机,加上无线通讯的调制解调器。根据接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心,并接收中心的差分信号,生成厘米级的位置信息。其实我们的整个RTK系统严格来讲并不能算是完整的VRS系统，和VRS系统相比我们的固定部分只有一个GPS接收机，而实际的VRS至少需要三颗GPS接收机。在外面进行数据采集时我们主要使用的是南方S86系列大地测量型GPS接收机。因此下面主要介绍一下南方网络RTK的使用方法。3、 南方网络RTK的使用方法1、 连接主机和手薄打开主机和手薄，双击运行工程之星程序（首次运行桌面上可能没有相应的快捷方式，可以到设备中的flash disksetup目录下查找，之后便可以在桌面上直接运行），默认情况下软件会自动进行蓝牙连接，如果弹出提示窗口：“端口打开失败，请重新连接”，这时只需点击设置菜单下的连接仪器，然后用光笔点中输入端口项，文本框中输入7（数字7取决于蓝牙搜索设备后随机分配的端口号，可以在蓝牙管理器中查看到），然后点击连接按钮，就可以轻松连接手薄和主机。连接成功后软件有一个自动搜索过程，搜索完毕后，如果是网络RTK，屏幕左上角会有个R标志，这时“设置”菜单中才会显示“网络连接”，否则会显示“电台设置”。如果显示无数据，表明蓝牙没有连接（或者是运行了两次工程之星程序），这时请检查蓝牙设置或重新连接。2、新建工程一般情况下，新建工程只需要输入工程名和中央子午线，转换参数可以暂时不理。运行工程之星，软件默认打开上一次工程文件。3、配置网络参数注:此设置只需初始时设置一次即可，无需反复设置。当手簿与GPS主机（GPRS模块）连通之后，手簿读取了主机的模块类型，则“设置”下拉菜单下面“电台设置”功能自动变为“网络连接”，如图所示：点击网络连接出现如下界面点击“设置”后进去如下图界面： 连接方式根据手机卡类型选择GPRS或CDMA，模式选择VRS-NTRIP，然后输入IP地址，域名，端口，用户名和密码，设置完成后点击设置按钮，提示设置成功后退出即可。该设置只需要输入一次，以后无需重复设置。使用江苏省CORS系统，该参数一般为：IP：58.213.159.132域名：RTCM1819或者RTCMiMAX3.0 （用RTCM1819时需要把设置菜单下移动站设置中的差分格式改为RTCM，用RTCMiMAX3.0时需要改为RTCM3，如下图）端口：48665用户名和密码请联系CORS中心自行申请。此时软件上的网络参数已设置完毕，只要参数设置正确一般情况下用户很快就可以看到读取的基站距离，同时很快就可以看到屏幕左上角看到基准站播发的差分信息。网络RTK依托无线网络进行数据传输，有时很久都收不到差分信息，这时用户要学会从以下方面进行常见问题的诊断和处理：a.通过设置菜单下的网络连接中的设置，进行网络参数读取，查看参数设置是否正确。b.查看设置菜单下的移动站看设置，检查差分格式是否正确。c.检查手机卡是否欠费（如为新卡检查所开通的上网业务是否为NET方式，而不是WAP方式）。d.检查所使用GPRS或CDMA网络是否覆盖作业区域。如果用户可以收到差分信息，一直处于浮点解，无法达到固定解：a.检查作业地区的网络是否稳定，网络延迟是否严重。b.检查可用卫星分布及状态是否满足要求c.检查流动站离主参考站的距离是否过远d.检查作业地区周围是否有较大的电磁场干扰源e.如果没有上述问题则重新启动主机重新初始化。f.如经过以上检查仍然有差分信息但无法固定请联系CORS中心。4、求转换参数如果用户已经获得工作区域的参数，可以在设置菜单下的测量参数中进行输入即可。如果用户没有转换参数这时就需要用控制点来求，转换参数有四参数和七参数之分，二者只能用其一，四参数是同一个椭球内不同坐标系之间进行转换的参数,而七参数是分别位于两个椭球内的两个坐标系之间的转换参数。四参数计算的控制点原则上至少要用两个或两个以上的点，控制点等级的高低和分布直接决定了四参数的控制范围。经验上四参数理想的控制范围一般都在57公里以内。工程之星提供的四参数的计算方式有两种，一种是利用“工具/参数计算/计算四参数”来计算，另一种是用“控制点坐标库”计算。下面仅以常用的“控制点坐标库”为例来求解四参数。利用控制点坐标库的做法大致是这样的:假设我们利用A、B这两个已知点来求校正参数，那么首先要有A、B两点的GPS原始记录坐标和测量施工坐标。A、B两点的GPS原始记录坐标可以是GPS移动站没有任何校正参数起作用的固定解状态下记录的GPS原始坐标。其次在操作时，先在控制点坐标库中输入A点的已知坐标，之后软件会提示输入A点的原始坐标,然后再输入B点的已知坐标和B点的原始坐标,录入完毕并保存后（保存文件为*.cot文件）控制点坐标库会自动计算出四参数。（*.cot文件可以在不同的工程中直接调用）具体操作就是去两个或两个以上控制点，在固定解状态下按手薄的快捷键A采点，然后便可以依照以下图示来求：操作 ：设置控制点坐标库打开之后单击“增加”，出现图所示界面，输入已知坐标点。软件界面上有具体的操作说明和提示，根据提示输入控制点的已知平面坐标，控制点已知平面坐标的录入有三种方式：一、 通过键盘直接按照提示录入。二、 坐标管理库录入。点击“”，将会弹出坐标管理库对话框，从坐标管理库中选择已经录入的控制点已知坐标。三、 测量图录入。点击“”是从测量界面上选取已经测量的点后，软件会自动录入该点的测量坐标，在此很少会用到此功能）。 控制点已知平面坐标输入完毕之后，单击右上角的“OK”（点击“X”则退出）进入如下所示界面：单击“从坐标管理空中选点”，新建工程坐标管理库中会没有点显示，这时需要点击导入按钮将所测控制点原始坐标导入到坐标管理库（导入的文件名为工程名.RTK文件），然后选中和所输入已经点对应的点，然后确定，之后增加下一个控制点的已经坐标，直到所有点完成匹配。所有的控制点都输入以后，向右拖动滚动条查看水平精