大型風(fēng)電場(chǎng)GNSS工程測(cè)量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

李祖鋒,尚海興,馮寶平

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安　710065；2.陜西地建土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 西安　710075)

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大型風(fēng)電場(chǎng)GNSS工程測(cè)量控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

李祖鋒1,尚海興1,馮寶平2

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安710065；2.陜西地建土地勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司, 西安710075)

摘要：通過(guò)尺度比一致性檢驗(yàn)方法對(duì)測(cè)區(qū)分布的國(guó)家點(diǎn)兼容性進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了充分的論證，分別采用Poweradj與GNSSadj數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)兩者在北、東兩個(gè)方向的坐標(biāo)偏差分量對(duì)數(shù)據(jù)處理差異特點(diǎn)進(jìn)行了分析；交替選用已知高程點(diǎn)，采用常數(shù)、平面擬合、曲面擬合方法進(jìn)行高程擬合，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，選擇出符合精度最優(yōu)的高程整體平面擬合方案。

關(guān)鍵詞：大型；風(fēng)電場(chǎng)；GNSS；數(shù)據(jù)處理；高程擬合

0前言

以某千萬(wàn)千瓦級(jí)大型風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)工程控制面積達(dá)3 600 km2，地處大漠戈壁，交通極其不便，在有限工期內(nèi)開(kāi)展如此大規(guī)模工程測(cè)量存在諸多困難，主要體現(xiàn)在工作范圍廣、國(guó)家控制點(diǎn)稀少、控制點(diǎn)分布不均勻等方面，雖然GNSS技術(shù)在平面控制測(cè)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但由于受到高程異常因素影響, 保證其高程精度較為困難，水準(zhǔn)測(cè)量及三角高程測(cè)量由于受到工期及成本限制而無(wú)法全面實(shí)施。如采用GNSS高程，存在較大困難，其需要對(duì)擬合方案進(jìn)行充分的論證，對(duì)高程外符合精度進(jìn)行全面檢驗(yàn)，并聯(lián)測(cè)若干段水準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步檢核可靠后方可采用。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題,從平面控制網(wǎng)的起算點(diǎn)選擇、兼容性分析、平差數(shù)據(jù)處理及高程擬合方案選擇方法等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題入手,對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1平面控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

1.1控制網(wǎng)起算點(diǎn)的選取原則

選取地面起算點(diǎn)必須充分分析已有地面控制網(wǎng)的資料,綜合考慮控制網(wǎng)網(wǎng)形結(jié)構(gòu),進(jìn)行優(yōu)化選取。盡量滿足以下要求:

(1) 采用同一橢球參數(shù)、同一投影面、同一坐標(biāo)系的地面起算控制點(diǎn)成果。

(2) 選取地面起算控制點(diǎn)的成果必須與測(cè)區(qū)已有歷史資料相銜接。

(3) 盡量選取等級(jí)高、精度較高的同批次施測(cè)解算的地面起算控制點(diǎn)成果。

(4) 盡量選取同一時(shí)期、同一經(jīng)濟(jì)職能部門系統(tǒng)建立，統(tǒng)一平差的地面起算控制點(diǎn)成果。

(5) 所選地面起算控制點(diǎn)要比較均勻地分布于GNSS控制網(wǎng)中,不至于造成失控和相對(duì)超控。

(6) 對(duì)分期分區(qū)建立的已有控制網(wǎng)應(yīng)分期分區(qū)布設(shè)GNSS擴(kuò)展網(wǎng),以做好不同工期和各個(gè)地區(qū)之間的銜接。

該大型風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目控制點(diǎn)的布設(shè)利用收集到的1∶50000地形圖進(jìn)行預(yù)先布設(shè)，使風(fēng)電場(chǎng)控制點(diǎn)均勻的覆蓋風(fēng)電場(chǎng)成圖區(qū)域。

圖上完成控制點(diǎn)位的設(shè)計(jì)后，點(diǎn)位埋設(shè)利用手持GNSS放樣埋設(shè)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行局部調(diào)整，點(diǎn)位選擇應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范關(guān)于點(diǎn)位埋設(shè)基礎(chǔ)、障礙物的高度角、距離大功率無(wú)線電發(fā)射源距離等方面的要求。

控制網(wǎng)的觀測(cè)按照四等精度要求進(jìn)行施測(cè)，每站觀測(cè)2個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段45 min，重復(fù)設(shè)站率不小于1.6，采用6臺(tái)天寶5700接收機(jī)及6臺(tái)南方S86接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。

1.2控制點(diǎn)兼容性檢驗(yàn)

如果GNSS網(wǎng)所采用的已知地面起算點(diǎn)間不兼容, 或部分起算點(diǎn)相對(duì)精度較低時(shí)，不僅會(huì)使單位權(quán)方差估值不正確,更重要的會(huì)使由GNSS觀測(cè)得到的高精度成果產(chǎn)生扭曲。對(duì)于控制范圍較大的GNSS控制網(wǎng),測(cè)區(qū)情況一般比較復(fù)雜,測(cè)區(qū)控制點(diǎn)資料可能屬于不同時(shí)期或不同職能部門所建立的控制網(wǎng),部分控制點(diǎn)可能已產(chǎn)生變形或點(diǎn)位已產(chǎn)生了較大變動(dòng),因此,需對(duì)GNSS網(wǎng)平差結(jié)果有重要影響的起算點(diǎn)進(jìn)行兼容性分析，發(fā)現(xiàn)并剔除起算點(diǎn)中的粗差點(diǎn)和精度無(wú)法滿足控制網(wǎng)起算點(diǎn)精度要求的點(diǎn)。

起算點(diǎn)兼容性分析實(shí)用的方法有[2]：平差結(jié)果直觀分析法，尺度比參數(shù)變化的一致性判別法，單位權(quán)方差假設(shè)檢驗(yàn)法，邊長(zhǎng)回歸分析法。使用這些方法的前提是參與平差的GNSS基線向量中不存在粗差基線，即首先必須保證基線的觀測(cè)及解算質(zhì)量。

本項(xiàng)目采用邊長(zhǎng)回歸分析及尺度比一致性檢驗(yàn)方法進(jìn)行兼容性判別。

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(以下稱《規(guī)范》)中規(guī)定：“為求定GPS點(diǎn)在某一參考坐標(biāo)系中坐標(biāo),應(yīng)與該參考坐標(biāo)系中的原有控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)的總點(diǎn)數(shù)不得少于3個(gè)點(diǎn)。”也就是說(shuō)要求具有多個(gè)已知點(diǎn)對(duì)可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

GNSS基線長(zhǎng)度精度的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下:

(1)

式中:a為固定誤差;b為比例誤差系數(shù);d為基線長(zhǎng)度。

《規(guī)范》規(guī)定:約束平差,基線分量的改正數(shù)與無(wú)約束平差結(jié)果的同一基線相應(yīng)改正數(shù)之較差的絕對(duì)值應(yīng)滿足下式:

(2)

如果不滿足要求，則約束的已知坐標(biāo)、距離及方位可能存在較大誤差值，部分已知數(shù)據(jù)不可靠，需要對(duì)其降權(quán)處理或者剔除。文獻(xiàn)[3]中提出的坐標(biāo)及邊長(zhǎng)回歸分析法計(jì)算方便、可操作性強(qiáng),具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

首先在單點(diǎn)平差中，只固定一個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算,即只進(jìn)行了GPS整網(wǎng)的平移,沒(méi)有考慮網(wǎng)間尺度和方位的變化，然后將其他已知點(diǎn)的平差坐標(biāo)與其已知坐標(biāo)進(jìn)行比較,同時(shí)比較平差坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)和已知坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)，其差值的絕對(duì)值除以原邊長(zhǎng)值可以得到邊長(zhǎng)相對(duì)誤差,邊長(zhǎng)相對(duì)誤差一般應(yīng)滿足《規(guī)范》中對(duì)GPS控制網(wǎng)相應(yīng)起算等級(jí)的邊長(zhǎng)精度的要求。再結(jié)合坐標(biāo)較差值進(jìn)行比較,剔除坐標(biāo)差值較大的點(diǎn),從而檢驗(yàn)已知數(shù)據(jù)的兼容性[3]。

尺度比一致性檢驗(yàn)方法是：將起算點(diǎn)分為幾組，若各組分別求得的尺度變化參數(shù)呈現(xiàn)一致性，說(shuō)明各起算點(diǎn)是兼容的，反之，說(shuō)明該組起算點(diǎn)中有不兼容的點(diǎn)。使用這種判別方法的前提是可以獲得起算點(diǎn)的參心空間直角坐標(biāo)，通常的做法是將起算點(diǎn)的平面坐標(biāo)反算為大地坐標(biāo)，正常高(海拔高)改算為大地高，再計(jì)算點(diǎn)的參心空間直角坐標(biāo)。當(dāng)無(wú)法獲得起算點(diǎn)的參心空間直角坐標(biāo)時(shí)，也可以將GNSS網(wǎng)投影至起算點(diǎn)所在的坐標(biāo)平面后，用平面轉(zhuǎn)換尺度變化參數(shù)的一致性來(lái)判別起算點(diǎn)的兼容性。

該項(xiàng)目聯(lián)測(cè)的平面已知控制點(diǎn)有8個(gè)。起算數(shù)據(jù)盡量選擇同一時(shí)期、精度等級(jí)相當(dāng)?shù)囊阎c(diǎn)作為控制網(wǎng)的起算點(diǎn)，對(duì)控制點(diǎn)間兼容性采用尺度比一致性檢驗(yàn)方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)平差結(jié)果直觀分析，選擇A081點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行尺度一致性判別。校核點(diǎn)到起算點(diǎn)A081的反算邊長(zhǎng)與測(cè)量邊長(zhǎng)所計(jì)算的尺度比見(jiàn)表1。

表1　已知成果尺度一致性檢查表

根據(jù)表1計(jì)算的尺度比折線如圖1。

圖1　起算點(diǎn)間尺度比一致性分析圖

由表1和圖1可以看，出A040、A074、A077、A079、A080、A081等6點(diǎn)尺度統(tǒng)一，精度一致，GB、HL 2點(diǎn)所推算的尺度與其余6點(diǎn)不一致，在起算時(shí)絕對(duì)不采用。綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果及控制點(diǎn)兼容性分析情況，該項(xiàng)目1954北京坐標(biāo)系成果決定采用A040、A074、A077、A079、A080、A081等6點(diǎn)進(jìn)行起算。按照同樣方法，1980年西安坐標(biāo)系成果采用A074、A077、A079、A081四點(diǎn)。

1.3平面控制網(wǎng)平差及數(shù)據(jù)分析

在進(jìn)行已知點(diǎn)精度及尺度一致性檢查后，選用合格的已知點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)約束平差。為了與相鄰風(fēng)場(chǎng)之間成果統(tǒng)一，需要采用高斯投影方式將成果歸算到參考橢球面上，不做抵償投影。為了使成果精度可靠，該項(xiàng)目首級(jí)控制分別采用南方GNSSadj和Poweradj兩種軟件進(jìn)行了解算，解算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。表2中所列坐標(biāo)較差系Poweradj計(jì)算坐標(biāo)-南方GNSSadj計(jì)算坐標(biāo)。

由計(jì)算結(jié)果可看出，Poweradj默認(rèn)對(duì)起算點(diǎn)進(jìn)行了擬穩(wěn)平差處理。

2套軟件計(jì)算的坐標(biāo)成果較差分別沿X和Y方向升序變化見(jiàn)圖2、3。

由圖2、3可以看出，2套軟件所解算的坐標(biāo)存在系統(tǒng)性偏差，由于Poweradj對(duì)起算點(diǎn)作了擬穩(wěn)處理所造成，但差異在工程可接受范圍，最終平面成果選用GNSSadj平差成果。

表2　Poweradj與南方GNSSadj計(jì)算坐標(biāo)較差表

圖2　坐標(biāo)較差沿X方向升序變化圖

圖3　坐標(biāo)較差沿Y方向升序變化圖

2高程擬合

2.1解析高程擬合基本方法

即選擇一種規(guī)則的數(shù)學(xué)面來(lái)擬合測(cè)區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。當(dāng)這一數(shù)學(xué)模型建立后，根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)的位置參數(shù)，便可計(jì)算測(cè)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的高程異常。

高程異常為似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的高差:

(3)

式中：Hr為大地高，或者為采用EGM08模型插值后的高程成果；H為控制點(diǎn)正常高。常用的擬合方法有常數(shù)擬合、平面擬合法、曲面擬合法、多面函數(shù)擬合、三次樣條函數(shù)、多項(xiàng)式曲線擬合、多項(xiàng)式曲面擬合法、最小二乘推估法等等。

2.2本項(xiàng)目擬合方案選擇

在本項(xiàng)目中，根據(jù)起算點(diǎn)數(shù)量及分布特點(diǎn)，詳見(jiàn)圖4，邊框?yàn)闇y(cè)區(qū)概略范圍線，分別采用平移、平面擬合法、曲面擬合法進(jìn)行了高程擬合，通過(guò)對(duì)擬合結(jié)果的分析，選擇了最適合該項(xiàng)目的擬合方法。

圖4　水準(zhǔn)點(diǎn)分布圖

表3～7分別為不同擬合方案獲得的擬合高程與已知高程的偏差情況。

采用單點(diǎn)加權(quán)平均法常數(shù)擬合方案，模型如下:

(4)

式中：n0為已知高程的高程控制點(diǎn)個(gè)數(shù)；pi為第i個(gè)已知高程點(diǎn)高程異常的權(quán)，并可根據(jù)高程控制點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)的水平距離來(lái)確定。采用3415單點(diǎn)常數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　采用3415單點(diǎn)常數(shù)擬合方案表

注：依表3所計(jì)算的方差為0.039 9 m2,中誤差為±0.199 8 m。

平面擬合法一般適用于高程異常變化平緩的地區(qū)，模型如下:

(5)

采用平面擬合結(jié)果見(jiàn)表4、5及表6。

表4　采用3418、3015、Ⅲ10三點(diǎn)平面擬合方案表

注：依表4所計(jì)算的方差為0.008 m2,中誤差為±0.091 m。

下面討論曲面擬合方法模型及擬合結(jié)果，曲面擬合法模型如下:

ξ(x,y) =a0+a1x+a2y +a3x2+a4y2+a5xy

(6)

注：依表5所計(jì)算的方差為0.026 m2,中誤差為±0.162 m。

表6　Ⅲ10、3012、3015、3017、3018五點(diǎn)平面擬合方案表

注：依表6所計(jì)算的方差為0.015 m2,中誤差為±0.124 m。

該項(xiàng)目采用Ⅲ10、3011、3012、3015、3017、3018、A74七點(diǎn)曲面擬合方案，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　　　Ⅲ10、3011、3012、3015、3017、3018、A74七點(diǎn)曲面

注：依表7所計(jì)算的方差為0.021 m2,中誤差為±0.143 m。

為了便于對(duì)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下邊將以上5個(gè)方案的方差及中誤差進(jìn)行匯總。

表8　方差及中誤差匯總表

由表8可以看出，方案2采用3418、3015、Ⅲ10三點(diǎn)平面擬合的高程與已知高程的較差算數(shù)和為0.523 m，平方和為0.075 m2，方差為0.008 m2,中誤差為±0.091 m,為5個(gè)方案中檢驗(yàn)效果最好的方案。綜合各個(gè)方案計(jì)算結(jié)果及該工程中水準(zhǔn)點(diǎn)的分布情況，本項(xiàng)目高程擬合最終采用3418、3015、Ⅲ10三點(diǎn)平面擬合方法進(jìn)行高程擬合，后續(xù)采用水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)一步檢驗(yàn)，證明我們所采用的方案精度滿足工程要求，擬合成果可靠。

3結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目對(duì)控制網(wǎng)起算點(diǎn)的來(lái)源、成果完成單位、坐標(biāo)系統(tǒng)、等級(jí)及測(cè)量時(shí)期等項(xiàng)目進(jìn)行了全面分析，通過(guò)已知點(diǎn)兼容性檢驗(yàn),對(duì)已知點(diǎn)精度及尺度一致性檢查后，選用合格的已知點(diǎn)，采用2種軟件進(jìn)行了多點(diǎn)約束平差，獲得了可靠的平面成果。從高程擬合方案的選擇過(guò)程可以看出，高程擬合方案制定應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況而定，在水準(zhǔn)點(diǎn)分布不夠合理或者精度不理想的情況下，擬合水準(zhǔn)點(diǎn)選擇要點(diǎn)并非在多，本項(xiàng)目中的高程異常構(gòu)成在整個(gè)測(cè)區(qū)近似為一個(gè)斜面，當(dāng)采用多個(gè)點(diǎn)位利用曲面擬合，可能導(dǎo)致擬合曲面產(chǎn)生不符合實(shí)際的振蕩，造成擬合精度地較大損失。在進(jìn)行高程擬合方案的選擇時(shí)，應(yīng)充分地顧及到已知高程點(diǎn)的分布情況及相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)間誤差情況，建議在水準(zhǔn)點(diǎn)分布不夠合理或者水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)間誤差較大時(shí)盡量通過(guò)加權(quán)平均的方法選擇較簡(jiǎn)單的擬合模型，避免或者減小由模型造成不符合實(shí)際的扭曲。

參考文獻(xiàn):

[1]王鐵生,張冰,趙仲榮.地鐵高精度GNSS控制網(wǎng)及其起算點(diǎn)兼容性分析[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(3):8-10.

[2]董世清,李志成. GPS測(cè)量控制網(wǎng)起算點(diǎn)的兼容性分析[J].四川測(cè)繪，2003(12):169-172.

[3]胡新玲,譚世波.GPS網(wǎng)中已知點(diǎn)間兼容性檢驗(yàn)的探討[J].測(cè)繪科學(xué)，2009(7):103-104.

[4]孔祥元,梅是義.控制測(cè)量學(xué)(下)[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996，89-91.

[5]杜大彬,張寬房,張開(kāi)盾,李明貴. 手持GNSS坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法[J].陜西地質(zhì)，2007(6):96-101.

[6]劉平,萬(wàn)小剛,楊曉春,康耀.手持GPS在工程中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古水利，2010(2):117-118.

[7]張勤,王 利.GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中高程異常誤差影響規(guī)律研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2001(6):12-14.

[8]梁洪寶,吳向陽(yáng).起算點(diǎn)坐標(biāo)偏差對(duì)GPS基線解的影響分析研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2009(1)：32-34.

[9]李祖鋒,巨天力,張成增,等.基于重力場(chǎng)模型高程擬合殘差求定GPS正常高[J].測(cè)繪工程，2010(8)：24-27.

[10]李祖鋒, 賀麗娟, 張成增.高角度信號(hào)遮擋區(qū)域GPS測(cè)量控制網(wǎng)精度控制[J].西北水電，2014(1):27-31.

[11]李祖鋒,成自勇,常鵬斌,繆志選. 手持GPS配置參數(shù)確定[J].西北水電，2012(5):17-19.

[12]繆志選,李祖鋒,巨天力,鹿恩峰. 多基線數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)圖作業(yè)方法探索[J].西北水電,2010(4):29-31.

Data Processing of GNSS Survey Control Network of Large-scaled Wind Farms

LI Zufeng1, SHANG Haixing1, FENG Baoping2

(1.Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China;2. Land Investigation Planning Design Institute Co., Ltd. of Shaanxi Land Construction Group, Xi'an710075, China)

Abstract:By application of the inspection method of the scale-ratio consistency, the compatibility of the national points distributing in the surveyed area is analyzed and the data processing method is fully demonstrated. Both Poweradj and GNSSadj software are applied respectively to process GNSS data. Based on the coordinate deviation components in north and east directions produced by the two methods, the difference features of the data processing are analyzed. The given elevations are applied alternatively. Constant, plane fitting and curve surface fitting are applied for the elevation fitting. Furthermore, the fitting results are evaluated and analyzed so that the scheme for the whole plane fitting of elevation with the optimum precision could be selected.

Key words:large-scaled; wind farm; GNSS; data processing; elevation fitting

中圖分類號(hào)：TV221.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.006

基金項(xiàng)目：中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)科技項(xiàng)目 (GW-KJ-2012-21)

作者簡(jiǎn)介：李祖鋒(1981- )，男，甘肅省靖遠(yuǎn)縣人，高級(jí)工程師，主要從事控制測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)工作.

收稿日期：2015-03-03

文章編號(hào)：1006—2610(2016)02—0019—05