GPS在输电线路勘测中的应用

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【摘 要】 由于输电线路勘测工作的特点以及全球定位系统（GPS）的优势以及特点，使得GPS应用于输电线路勘测成为必然。GPS的引入使得输电线路勘测的质量，效率都获得提高，是输电线路勘测的一次重大技术飞跃。

【关键词】 GPS RTK 静态测量 输电线路

【作者】赵成铭 广东省电力设计研究院

1 引 言

      GPS（又称全球定位系统）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。该系统从本世纪70年代初开始设计、研制。根据最初设计思想，利用接收卫星发射的伪随机噪声码(P码)为美军及北大西洋组织的盟军提供米级导航定位，同时将定位精度为数十米的C/A码伪距提供民用导航定位。随着技术的发展，GPS的作业模式已从静态测量，快速静态测量，后处理高精度动态测量，发展到动态初始化(OTF)厘米级实时RTK（载波相位实时动态差分定位(Real-TimeKinematic)）测量作业。精度方面静态测量经过后处理可以达到3mm + 0.5ppm，RTK定位精度可以达到10mm +1ppm。

      GPS测量相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：

(1) 测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

(2) 定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm +5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

(3) 观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5分钟观测时间即可。

(4) 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。

(5) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高。

      在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

(6) 全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

      正是以上的特点，决定了GPS必然广泛用于输电线路的勘测。

2 GPS静态测量在输电线路勘测中的应用

      输电线路的勘测分为工测和航空摄影测量，而无论哪种测量方法都需要GPS静态测量与RTK的参与。首先参与的就是静态测量，即：对整条输电线路的周围进行控制点的布设及观测，用来对整条线路进行高程和平面控制。
对于航空摄影测量输电线路，所拍路径图大部分为1：10000左右的照片，首先所要做的就是在这些航拍照片上选择合适的点作为静态外控的控制点。在控制点的选择上，参照航片我们尽量选择用肉眼好判别，且周围高差不大的地方，以方便相片的匹配；但同时我们又要兼顾线路勘测的特性，比如道路情况，是否可以方便到达等等。因此，我们在外控点的布设需要注意以下几点：

(1) 一条输电线路分为几个航带，每个航带图由多张航空照片构成，我们规定每张航带至少有三个控制点来控制，不论航带的长短。

(2) 选择在航片上特征相对明显且点位容易保存的位置，且周围高差较小，植被较低，并且尽量远离建筑物。

(3) 选点时要根据道路的情况，尽量选择交通方便的地方，且不能偏离我们的线路的中线太远。

(4) 虽然线路的勘测对精度要求相对较低，选点时不必考虑网形，但须注意线路左右两侧控制点位个数的分布基本相当，并且相邻两点间距离不大于4km，因为要保证在RTK的作业半径内。所有相邻两点连线呈现锯齿形，线路中线贯穿其中。

(5) 每个航带选点总数可以每公里大于0.33个点作为参考。

(6) 在整条线路的首尾及中部合适的位置适当插入国家的控制点，整条线路相对短的至少两个（五十公里以内），相对长的至少三个到四个（五十公里以上）。

(7) 在选点时可能会由于没有合适的位置而使两点间基线太长，这时可使用过渡点，过渡点参与平差但不参与航测照片的匹配。

      控制点选好后就是野外的观测工作，在观测过程中需要注意的是：

(1) 设置好GPS接收机，尤其是对接收机突发情况的设置，例如：接收机突然死机以及线路接触不良造成终端无法操控接收机。

(2) 做好点之记，并记录好天线高以及观测时段。

(3) 在实地做好记号，方便以后寻找。

      由于输电线路精度要求相对不是很高，所以我们在野外静态观测时两期观测之间只保证联测一个公共点，而不是公共边。观测时段长短视边长而定，由于大部分为3km左右，所以大部分时段是二十到四十分钟。

      野外观测做好后，接下来就是数据的后处理，其中要注意数据的天线高和点号。数据后处理工作包括，数据平差，建立坐标转换系统，分为一步法和经典三维方法。由于输电线路一般都较长，均采用经典三维方法，求出转换参数，静态工作结束。

      对于工测的线路，只是无需相片匹配，其他基本工作基本一样。

3 RTK测量在输电线路勘测中的应用

      RTK是指载波相位实时动态差分定位(Real -TimeKinematic)，它是GPS发展的最新形式。静态GPS测量采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度，但缺点是经过事后处理才知道结果。而RTK通过实时处理即能达到厘米级精度。
RTK在输电线路中的应用主要用于定线，定位，直线桩位及塔位的放样，另外还有平断面的测量。GPS所能直接提供的数据形式就是坐标，RTK最主要的两大功能就是实时测图和工程放样，我们所用的基本都是放样功能。对于平断面测量时也同样是利用放样功能记录下每个地物的点坐标，利用事先约定的点标识来区别不同的地物；也可以利用同样的方法测量塔位地形图。

      RTK要求一台基准站和至少一台流动站及相配套的数据通讯链。基准站实时地把测站信息和所有观测值通过数据链传递给流动站，流动站用先进的处理技术来瞬时求出流动站的三维坐标。

RTK技术应用到输电电路的必然与其特点密切相关：

(1) 作业效率高。 在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4km半径的测区，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。

(2) 定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

(3) 降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足"电磁波通视"，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

(4) RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。

(5) 操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

      RTK技术应用于输电线路的勘测是较传统勘测的一次质的跳跃：

      输电线路的工程特点：

(1) 大部分输电线路位于山地丘陵，植被复杂，通视条件差；相反位于平原区也可能由于地物太多造成通视情况不好。

(2) 山地地形的复杂可能造成勘测人员迷路，走错路线，走错位置等，不但没有人身安全且影响了工作效率。

(3) 测区分布呈带状，并且较长，绵延几十公里甚至几百公里，因此，容易出现较大的误差累计，同时高程受地球曲率影响较大。

(4) 仪器视距较长，可以长至1km或更长。为了保证精度，需要长距后视，而且目标较小，不易于寻找。

(5) 一条线路往往很难通过一次勘测就可以完全通过，要经过反复修改线路走向。

(6) 勘测人员体力付出较大。

      传统的勘测对以上这些情况根本无法较好的避免，而RTK技术的引入可以较好的避免一些限制。在实际应用中，我们大多数情况采用1+2的组合方式，即一台参考站配合两台流动站，当然条件允许流动站也可以更多。可以事先将我们的外控控制成果和转换坐标系一次性导入GPS内，以省去人工录入的麻烦，也可避免错误发生。

      RTK技术虽然便捷，但也有其弊端：

(1) 受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。

(2) 天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。

(3) 数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离（一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同）时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点。

(4) 初始化能力和所需时间问题。在山区、一般林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。

(5) 高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，因在我国有些地区，尤其是山区，容易出现高程异常现象。
当然，针对线路的勘测，要克服这些缺点也有一定的办法，尽量选择较好的测量时段，参考站的位置尽量高；另外，可以适当的用流动站加密控制点，以解决作业半径不足的问题；对于植被较密集地带则必须砍伐树木，虽然RTK无累计误差，但由于有高程异常和数据链传输误差因素等一些问题，必须对RTK进行质量控制，针对输电线路勘测比较行之有效和方便的方法就是已知点检核比较法，在每次工作之前，先检查已知点，对比两次差值，一般情况都不会超过5cm。

      另外，值得一提的是: 由于GPS技术的引入，使原本比较繁琐的线路改线工作变得十分快捷。

4 结 语

      GPS技术应用于输电线路测量，使得线路勘测的效率，质量大大提高，而且节省了勘测人员体力的支配。另外减少了对树木的砍伐，起到了一定的环保作用。GPS技术已成为输电线路勘测的一个重要组成部分，随着GPS技术不断的提高以及广大测绘工作者的不断探索，GPS会逐步深入到更具体的工作以及满足更多特种工程的需要。