基于Trimble GNSS系統(tǒng)的輸電線路塔基快速放樣方法研究

馬超　常增亮　李斌　高興國(guó)　曲萌

摘? 要：由于電力工程測(cè)繪的特殊性，部分GNSS廠商在GNSS系統(tǒng)軟件適配方面無(wú)法完全滿足電力工程測(cè)繪應(yīng)用要求。本文針對(duì)Trimble GNSS系統(tǒng)在塔基放樣方面的不完全適配問(wèn)題，提出了一種新的解決方案，開(kāi)發(fā)一個(gè)集極坐標(biāo)法和累距偏距法為一體的塔基放樣模塊，不僅支持極坐標(biāo)法和累距偏距法同時(shí)放樣，而且能夠根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前位置所在耐張段的累距和偏距等放樣參數(shù)，避免了計(jì)算和建線錯(cuò)誤。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，該塔基放樣模塊在滿足放樣點(diǎn)精度的條件下，大大提高了塔基放樣效率，并且滿足日常使用的穩(wěn)定性需要。

關(guān)鍵詞：Trimble GNSS;輸電線路;塔基放樣;

Research on Fast Lofting Method of Transmission Line Tower Foundation Based on Trimble GNSS System

MA Chao，GAO Xing-guo

Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013

ABSTRACT：Due to the particularity of power engineering surveying and mapping，some GNSS manufacturers can not fully meet the application requirements of power engineering surveying and mapping in software adaptation of GNSS system. Aiming at the problem of incomplete adaptation of Trimble GNSS system in tower base lofting，a new solution is proposed. A tower base lofting module is developed，which integrates polar coordinate method and cumulative offset method. It not only supports both polar coordinate method and cumulative offset method，but also automatically calculates the current situation according to the design data. The setting-out parameters such as cumulative distance and offset of the tension section where the position is located avoid errors in calculation and line-building. Field tests show that the tower base lofting module can greatly improve the efficiency of tower base lofting and meet the stability requirements of daily use under the condition of satisfying the accuracy of lofting points.

Key words：Trimble GNSS;Transmission line;Tower base setting-out;

1背景及意義

GNSS具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能，能為用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間，目前已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量[1]、工程測(cè)量[2]、航空攝影測(cè)量[3]、海洋測(cè)繪[4]等領(lǐng)域。在電力工程測(cè)繪領(lǐng)域，GNSS-RTK相比傳統(tǒng)光學(xué)儀器手段，能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)，不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)[1]，能在保證測(cè)量精度的條件下能夠有效提高作業(yè)效率。然而由于電力工程測(cè)繪的特殊性，部分GNSS廠商在GNSS系統(tǒng)軟件適配方面無(wú)法完全滿足電力工程測(cè)繪應(yīng)用要求。線路與塔基放樣是電力工程輸電線路測(cè)繪的一項(xiàng)核心工作，而我院現(xiàn)有的若干Trimble GNSS設(shè)備僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單線路放樣功能，對(duì)于復(fù)雜的轉(zhuǎn)角塔、分支塔放樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)或需要現(xiàn)場(chǎng)間接計(jì)算，嚴(yán)重影響了塔基作業(yè)效率，并可能因計(jì)算錯(cuò)誤而誤放。目前許多有關(guān)電力工程塔基放樣的研究主要集中在數(shù)據(jù)的后處理方面[5][6][7]，對(duì)于塔基放樣的外業(yè)實(shí)施并沒(méi)有有效改進(jìn)。因此，為了提高塔基放樣效率和準(zhǔn)確率，本文基于Trimble GNSS系統(tǒng)研究一套輸電線路工程塔基快速放樣方法，并以手簿功能模塊的形式加以實(shí)現(xiàn)。

2 塔基放樣原理與方法

傳統(tǒng)塔基放樣一般采用經(jīng)緯儀或全站儀進(jìn)行，通過(guò)將儀器架設(shè)在塔位中心樁上，根據(jù)線路轉(zhuǎn)角度數(shù)，計(jì)算出塔基A、B、C、D四腿或其他待定點(diǎn)的角度和距離，進(jìn)行放樣。直線塔（左）與轉(zhuǎn)角塔（右）塔腿定義如圖1所示。在特殊情況下，如特高壓塔基放樣，需要放樣測(cè)量塔基8個(gè)方向，定義如圖2所示。隨著GPS的推廣和應(yīng)用，利用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行塔基放樣及塔基地形圖測(cè)繪越來(lái)越普遍，放樣方法主要包括極坐標(biāo)法和半根開(kāi)法，兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，適合在不同的場(chǎng)合下使用。

2.1 極坐標(biāo)法

極坐標(biāo)法是全站儀、經(jīng)緯儀塔基放樣的主要方法，在使用GPS-RTK進(jìn)行塔基放樣時(shí)，一般也采用這種方法。在進(jìn)行塔基放樣時(shí)，已知后、中、前三基塔位中心坐標(biāo)或中、后兩基塔坐標(biāo)+前進(jìn)方向方位角等條件，首先根據(jù)已知條件計(jì)算出中間塔基各塔腿的角度和距離，再利用GPS-RTK極坐標(biāo)放樣功能進(jìn)行放樣。該方法能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的跟開(kāi)來(lái)放樣任意直線塔和轉(zhuǎn)角塔，但塔位調(diào)整時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)重新計(jì)算角度和距離。只有部分廠商GNSS設(shè)備系統(tǒng)支持極坐標(biāo)法塔基放樣。

2.2 累距偏距法

累距偏距法是在使用GPS-RTK進(jìn)行直線放樣時(shí)一種常用的方法。在進(jìn)行塔基放樣時(shí)，已知后、中、前三基塔位中心坐標(biāo)或中、后兩基塔坐標(biāo)+前進(jìn)方向方位角等條件，首先根據(jù)已知條件計(jì)算出塔基直線方向點(diǎn)的坐標(biāo)，再利用GPS-RTK直線放樣功能放樣累距和偏距（塔位中心累距為0）。該方法能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的半跟開(kāi)來(lái)放樣任意直線塔和轉(zhuǎn)角塔，但塔位調(diào)整時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)重新計(jì)算塔基直線方向點(diǎn)的坐標(biāo)。目前大多數(shù)廠商GNSS設(shè)備系統(tǒng)都支持直線放樣，只有通過(guò)計(jì)算出相應(yīng)的放樣參數(shù)，才可以實(shí)現(xiàn)累距偏距法進(jìn)行塔基放樣。

3 主要技術(shù)難題及解決方案

本文重點(diǎn)分析了Trimble GNSS系統(tǒng)的塔基放樣功能及問(wèn)題，通過(guò)在Trimble GNSS系統(tǒng)中增加相應(yīng)模塊，來(lái)解決這些問(wèn)題。

3.1 轉(zhuǎn)角塔塔基放樣計(jì)算問(wèn)題

無(wú)論是極坐標(biāo)法還是累距偏距法，在放樣轉(zhuǎn)角塔塔基時(shí)都需要計(jì)算相應(yīng)的放樣參數(shù)。在塔位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)，這些放樣參數(shù)就需要重新現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，不僅影響塔基放樣效率，而且可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致放樣錯(cuò)誤。

本文在放樣模塊中加入實(shí)時(shí)計(jì)算模塊，能夠根據(jù)已知條件的變化實(shí)時(shí)獲取所需要的放樣參數(shù)進(jìn)行塔基放樣，實(shí)現(xiàn)即改即放樣。

3.2 轉(zhuǎn)角塔放樣建線問(wèn)題

利用極坐標(biāo)法進(jìn)行放樣時(shí)，需要設(shè)置初始角度方向，即在手簿建立一條從塔位中心指向小號(hào)側(cè)塔位中心的線;累距偏距法放樣時(shí)，實(shí)際上是直線放樣，同樣需要建線，并且當(dāng)塔位出現(xiàn)調(diào)整時(shí)后，需要現(xiàn)場(chǎng)重新建線。手簿建線操作需要人為進(jìn)行，建線操作需要反復(fù)檢核，以免出現(xiàn)操作失誤。

本文在放樣模塊中建立一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文本，文本內(nèi)容如圖3所示，包括起點(diǎn)累距、塔位坐標(biāo)、塔類型、放樣半徑等。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文本可以被GNSS手簿軟件導(dǎo)入、導(dǎo)出、保存、編輯，如圖4所示，例如支持增加、修改現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后的新塔位坐標(biāo)。通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文本可以整體控制塔基放樣，即從初始塔位到最終塔位建立一系列線，當(dāng)使用GPS-RTK進(jìn)行線路放樣時(shí)，自動(dòng)根據(jù)GPS位置實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置所在整條線路的累距和偏距，再通過(guò)設(shè)定的放樣半徑，當(dāng)距離塔位小于放樣半徑時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入塔基放樣界面進(jìn)行塔基放樣。

3.3 兩種放樣方法的適用性問(wèn)題

目前Trimle GNSS系統(tǒng)僅支持累距偏距法進(jìn)行塔基放樣，適合根據(jù)半根開(kāi)來(lái)放樣塔腿的情況。而對(duì)于需要利用對(duì)角半跟開(kāi)和角度來(lái)進(jìn)行放樣的情況，則無(wú)法進(jìn)行。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文本實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)位所在耐張段的累距和偏距，同時(shí)計(jì)算出相應(yīng)的角度和對(duì)角半跟開(kāi)，并在塔基放樣界面實(shí)時(shí)顯示，并將各塔腿位置、塔基正方形、實(shí)時(shí)點(diǎn)位、塔位中心連線、距前后塔位距離等一并顯示、如圖5所示。在進(jìn)行塔基放樣時(shí)，這種方式會(huì)更加直觀，放樣更加方便。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在塔基放樣模塊開(kāi)發(fā)完成后，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，包括放樣精度與速度測(cè)試、模塊穩(wěn)定性測(cè)試。

4.1 放樣精度與速度測(cè)試

本文利用兩套Trimble GNSS設(shè)備進(jìn)行放樣，一套使用本文的塔基放樣模塊進(jìn)行放樣，另一套利用直線放樣功能使用累距偏距法進(jìn)行放樣，共放樣5個(gè)塔位塔腿位置和危險(xiǎn)點(diǎn)，其中2個(gè)轉(zhuǎn)角塔，3個(gè)直線塔。為了便于測(cè)試，測(cè)試由同一技術(shù)人員分兩次進(jìn)行，5個(gè)塔位均位于平坦地區(qū)，測(cè)試結(jié)果如下表所示。結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的塔基放樣模塊在滿足放樣點(diǎn)精度的條件下，放樣用時(shí)減少了約42%，大大提高了塔基放樣效率。

4.2 模塊穩(wěn)定性測(cè)試

本文還對(duì)塔基放樣模塊進(jìn)行了實(shí)地穩(wěn)定性測(cè)試，確保在日常使用中不會(huì)出現(xiàn)影響放樣工作的問(wèn)題。本文對(duì)該模塊在山區(qū)、平地進(jìn)行線路測(cè)圖、塔基放樣等場(chǎng)景均進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)間不少于7天，結(jié)果表明，該模塊在上述各種場(chǎng)景均表現(xiàn)良好，滿足日常使用的穩(wěn)定性需要。

5 結(jié)論

本文針對(duì)Trimble GNSS系統(tǒng)在塔基放樣方面的不完全適配問(wèn)題，提出了一種新的解決方案，開(kāi)發(fā)一個(gè)集極坐標(biāo)法和累距偏距法為一體的塔基放樣模塊，不僅支持極坐標(biāo)法和累距偏距法同時(shí)放樣，而且能夠根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前位置所在耐張段的累距和偏距等放樣參數(shù)，避免了計(jì)算和建線錯(cuò)誤。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，該塔基放樣模塊在滿足放樣點(diǎn)精度的條件下，大大提高了塔基放樣效率，并且滿足日常使用的穩(wěn)定性需要。

參考文獻(xiàn)

[1]? 田曉振. GNSS在大地測(cè)量中的應(yīng)用——RTCM解碼[J]. 低碳世界，2016（7）：105-106.

[2]? 曹中森. GPS-RTK技術(shù)在電力線路測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 江西建材，2017（18）：209-209.

[3]? 柏春嵐. GNSS/INS組合導(dǎo)航在航空攝影中的應(yīng)用研究[J]. 北京測(cè)繪，2016（6）.

[4]? 董江. 海洋測(cè)繪中GNSS差分定位的方法與精度[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2018，v.6;No.22（02）：115-119+131.

[5]? 鄧明陽(yáng). 高壓架空送電線路塔基數(shù)據(jù)處理探討——應(yīng)用VBA程序?qū)崿F(xiàn)塔基數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2011（18）：61-61.

[6]? 于周忠，侯瑞國(guó)，齊江. 線路終勘定位中塔基數(shù)據(jù)粗差自檢方法研究[J]. 電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2017（s1）：238-240.

[7]? 樂(lè)志豪. VB和VBA for AutoCAD編程在電力勘測(cè)塔基斷面數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2012，35（7）：169-170.

作者簡(jiǎn)介：馬超（1990-），男，漢族，山東棗莊滕州，碩士，工程師，研究方向：GNSS數(shù)據(jù)處理，目前從事電力工程測(cè)繪相關(guān)工作。