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手持GPS在配网地理信息系统的应用
来源:GPS资讯网 作者: 发布时间:2008-01-17  
      在配网地理信息系统的建设中,需要在地理背景图层上叠加各种电力设施图层,在绘制线路及电缆的走向时,不可避免的涉及到设备的地理位置的问题。因此如何在地理背景图上确定设备空间位置就成了配电地理信息系统建设的一个关键。汕头从2000年底开始进行区域性的配网地理信息系统的建设,对于如何有效利用手持式GPS定位仪进行了探索,并积累了一定的经验。下面以汕头配网地理信息系统建设为例探讨手持GPS定位仪的应用。

    1.汕头配电地理信息系统地理背景图

    配电设备深入大街小巷,路径复杂。为了建设配网地理信息系统,需要有较为详细的地理背景信息作为支持。向汕头勘查设计院购买的地图比例为1∶1000的汕头市区数字化地理图。地图采用的坐标系是北京54坐标系。根据配网地理信息系统的需要,我们对设计院提供的全要素数字化地图进行了简化处理,仅保留了部分必要的要素以减少数据量。保留的要素如下:管线、道路、水系、居民地、植被、垣栅等基本要素。

    2.GPS定位装置的选择

    配电网中的配电设施和用户分布有着明显的地理特征,设备管理也依赖长度、距离及相对位置等地理因素。因此,配电GIS系统就是在地理背景图层基础上增加相应的配电设备信息图层,对任何运行中的配电设备需要较为准确地确定其空间坐标。一般来说,对配电房等设施,5~10m的误差范围是可以接受的,而对架空线路来说,由于有些配电线路杆塔之间的距离比较近,对误差的要求可能要高些。对配电系统的管理人员来说,在地理图上能否方便地对配电设备进行定位是系统成败的关键因素之一,因此,利用手持GPS定位仪对设备进行定位是我们的首选。同时,从成本上考虑,由于精度要求不是特别高,而且使用量比较大,对手持GPS的要求是使用方便,价格适中,精度要求10m左右。根据实际情况,我们试选用了高明公司(GARMIN)的GPSMAP76型GPS定位仪。

    3.手持GPS的参数校正题

    GPS卫星星历是以WGS84大地坐标系为根据而建立的,所以手持GPS使用的坐标系统是WGS84坐标系统。而购买的数字地图则是根据我国1954年的北京坐标系。因此必须求出WGS84坐标转换到54北京坐标的参数。

    3.1 参数校正原理

    对GISMAP76来说,提供了将WGS84坐标系转换为自定义的坐标系的方法。其采用的是五参数法,五参数即DX、DY、DZ、DA、DF。即利用WGS84坐标系的X、Y、Z及A、F值,减去我国坐标系的对应值,得出实现坐标转换的五个参数(A为大地坐标系对应椭球之长半轴,而F为大地坐标系对应之扁率)。

    方法介绍如下:

    (1)搜集应用区域内的三个控制点的WGS84坐标系B、L、H值及北京54坐标系X、Y、Z、B、L、h值。

    (注:B、L、H分别为大地坐标系中的大地纬度、大地经度及大地高程)

    (2)对每个点计算不同坐标系三维直角坐标值。计算公式如下

    X=(N+H)cosBcosL

    Y=(N+H)cosBsinL

    Z=[N(1-E2)+H]sinB

    (3)求出DX、DY、DZ、DA、DF,即利用WGS84坐标系的X、Y、Z及A、F值,减去我国坐标系的对应值,得出实现坐标转换的五个参数。

    DA和DF可以通过表1直接求出

    DA=-108,DF=0.0000005。

    其它3个参数则可以通过上述公式求得。再取其平均偏差,则得出相应区域内的DX、DY、DZ。

    3.2 汕头配电地理信息系统GPS参数校正实例

    为方便和准确起见,为了求得DX、DY、DZ,我们直接从勘查设计院购得三个控制点的北京54坐标和WGS84坐标的X、Y、Z参数并直接求得DX、ZY、DZ。

    根据求得的DX、DY、DZ、DA、DF,输入到GPSMAP76GPS定位仪中,即完成参数的校正。完成参数校正后,GPSMAP76可以直接计算出测量点的北京54坐标系的坐标值。但应用过程中发现测量得来的实物的北京坐标与勘查设计院提供的数字地图的实物坐标相差很大。这可能是由于仪器采用的WGS84坐标系的基准点的不同导致的误差。

    为解决这个问题,我们重新选取了三个控制点(提供了北京54坐标的平面坐标直角坐标X、Y及高程h,必须换算),并利用GPSMAP76定位仪直接测量其WGS84的B、L、H。通过一定的公式换算可以算出WGS84和北京54的X、Y、Z值,从而求得DX、DY、DZ。这次求得的值与上次求得DX、DY、DZ的差值比较大。为了校验求得的DX、DY、DZ是否恰当,我们选取两条线路进行了校验。

    4.汕头配网设备测量实例

    利用此次求得的DX、DY、DZ作为校正参数,我们对两条线路上的杆塔进行了定位并与勘查设计院提供的数字地图中的杆塔坐标进行比较。

    蓬鸥线建筑物密集,多路径效应明显,误差较大,泽充线附近高楼不多,卫星信号比较好,因此测量结果比较好,达到很好的精度。在实际测量中,在市区高楼密集地区,由于多路径效应,精度下降,但一般在15m内,基本达到配电地理信息系统管理的精度要求。

    5.GPS使用中存在的问题及解决方法

    目前,利用手持GPS,汕头供电分公司已经基本完成了对配网设备的定位,并在此基础上基本完成了配电地理信息系统(GIS)的建设。

    但在实际使用中也有一些问题,主要如下。

    由于卫星信号和周围环境对GPS的使用影响较大,如上所述,某些地区,特别是市区内高楼密集地区,GPS信号接收很差,有些根本没有信号。因此,在这些区域中使用GPS直接对设备进行定位比较困难。

    有些地方由于各种原因难以到达测量点(例如河道、陡坡等),这些位置的测量比较困难。

    对某些精度要求比较高的点,由于多路径效应,目前使用的GPSMAP76精度无法达到要求。

   在GPSMAP76接收不到数据或无法测量时缺乏其他的测量手段进行补充。由于配电系统中的使用者均非专业人士,在无法接收到卫星信号时,利用其他的测量方法较为精确定位比较困难。这样使得一些数据准确度下降。

    GPSMAP76手持机功能还比较单一。目前只能现场对离布式点进行采集并作标记,数据的处理和图形的绘制均需GIS维护人员在GIS中重新维护,这样效率明显降低,而且错误率大大增加。

    对于以上问题,通过采用新的技术可以逐步加以解决:

    对于卫星信号不佳的问题,目前可以利用许多测距工具作为GPS手持机的辅助工具。例如利用手持型激光测量机,可以配合手持GPS进行偏心测量,准确、方便的确定测量点坐标。

    对多路径效应明显导致精度下降的问题,可以采用差分的方法提高精度,也可以先测量空旷地方的测量点,然后用手持激光测量机进行偏心测量确定测量点坐标。

    对在市区内受高楼阻挡区域,由于高楼密集地区房屋等可做标志的建筑在地理图上已经有绘制,因此可以根据简化的数字地理图,在附近区域(可以接收到GPS卫星信号的地方)利用GPS初步定位,以大致确定该设备在地理图上的位置,然后根据设备周围标志建筑对设备进行较为准确的定位。

    采用功能更强、精度更高的手持接收机。目前,POCKETPC的功能日益增强,例如TRIMBLE的RECON手持机和GeoExplorerCE系列手持机,是GPS支持的WindowsMobile的掌上设备,可以和ESRI的ArcPad结合,把GPS与GIS结合起来。可以直接在POCKETPC上进行数据处理并输出为shape格式文件等,这样就可以直接将数据输出到GIS系统中。

    6.手持GPS在电力系统中的应用前景

    设备空间数据的收集是配网地理信息系统建设的关键环节之一,利用手持GPS较好地解决了配网中大量设备在地理背景图上的定位问题。随着目前GPS定位和WindowsMobile的结合,手持式GPS已经不仅仅是GPS接收机,而是在POCKETPC上进行GIS数据的采集和维护。虽然由于使用上还不是很方便,目前在汕头配电网GIS系统建设中,手持GPS还仅仅限于对一些特定的重要设备(如配电房)的定位。随着技术的进步,使用上越来越方便,手持GPS定位仪将在更多的方面发挥越来越重要的作用,最终将成为结合配电MIS系统、智能巡检系统等多种设备管理系统的掌上配电地理信息管理系统。


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