大型風電場GNSS工程測量控制網數據處理

李祖鋒,尚海興,馮寶平

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安　710065；2.陜西地建土地勘測規劃設計院有限責任公司, 西安　710075)

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大型風電場GNSS工程測量控制網數據處理

李祖鋒1,尚海興1,馮寶平2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065；2.陜西地建土地勘測規劃設計院有限責任公司, 西安710075)

摘要：通過尺度比一致性檢驗方法對測區分布的國家點兼容性進行了分析，對數據處理方法進行了充分的論證，分別采用Poweradj與GNSSadj數據處理軟件對GNSS數據進行處理，依據兩者在北、東兩個方向的坐標偏差分量對數據處理差異特點進行了分析；交替選用已知高程點，采用常數、平面擬合、曲面擬合方法進行高程擬合，并對擬合結果進行評估分析，選擇出符合精度最優的高程整體平面擬合方案。

關鍵詞：大型；風電場；GNSS；數據處理；高程擬合

0前言

以某千萬千瓦級大型風電場為例，該風電場工程控制面積達3 600 km2，地處大漠戈壁，交通極其不便，在有限工期內開展如此大規模工程測量存在諸多困難，主要體現在工作范圍廣、國家控制點稀少、控制點分布不均勻等方面，雖然GNSS技術在平面控制測量方面具有顯著優勢，但由于受到高程異常因素影響, 保證其高程精度較為困難，水準測量及三角高程測量由于受到工期及成本限制而無法全面實施。如采用GNSS高程，存在較大困難，其需要對擬合方案進行充分的論證，對高程外符合精度進行全面檢驗，并聯測若干段水準進行進一步檢核可靠后方可采用。

針對以上存在的問題,從平面控制網的起算點選擇、兼容性分析、平差數據處理及高程擬合方案選擇方法等關鍵技術問題入手,對大型風電場數據處理進行簡要闡述。

1平面控制網數據處理

1.1控制網起算點的選取原則

選取地面起算點必須充分分析已有地面控制網的資料,綜合考慮控制網網形結構,進行優化選取。盡量滿足以下要求:

(1) 采用同一橢球參數、同一投影面、同一坐標系的地面起算控制點成果。

(2) 選取地面起算控制點的成果必須與測區已有歷史資料相銜接。

(3) 盡量選取等級高、精度較高的同批次施測解算的地面起算控制點成果。

(4) 盡量選取同一時期、同一經濟職能部門系統建立，統一平差的地面起算控制點成果。

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

(6) 對分期分區建立的已有控制網應分期分區布設GNSS擴展網,以做好不同工期和各個地區之間的銜接。

該大型風電場工程項目控制點的布設利用收集到的1∶50000地形圖進行預先布設，使風電場控制點均勻的覆蓋風電場成圖區域。

圖上完成控制點位的設計后，點位埋設利用手持GNSS放樣埋設，可根據現場情況進行局部調整，點位選擇應滿足相關規范關于點位埋設基礎、障礙物的高度角、距離大功率無線電發射源距離等方面的要求。

控制網的觀測按照四等精度要求進行施測，每站觀測2個時段，每個時段45 min，重復設站率不小于1.6，采用6臺天寶5700接收機及6臺南方S86接收機進行觀測。

1.2控制點兼容性檢驗

如果GNSS網所采用的已知地面起算點間不兼容, 或部分起算點相對精度較低時，不僅會使單位權方差估值不正確,更重要的會使由GNSS觀測得到的高精度成果產生扭曲。對于控制范圍較大的GNSS控制網,測區情況一般比較復雜,測區控制點資料可能屬于不同時期或不同職能部門所建立的控制網,部分控制點可能已產生變形或點位已產生了較大變動,因此,需對GNSS網平差結果有重要影響的起算點進行兼容性分析，發現并剔除起算點中的粗差點和精度無法滿足控制網起算點精度要求的點。

起算點兼容性分析實用的方法有[2]：平差結果直觀分析法，尺度比參數變化的一致性判別法，單位權方差假設檢驗法，邊長回歸分析法。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及解算質量。

本項目采用邊長回歸分析及尺度比一致性檢驗方法進行兼容性判別。

在《全球定位系統(GPS)測量規范》(以下稱《規范》)中規定：“為求定GPS點在某一參考坐標系中坐標,應與該參考坐標系中的原有控制點聯測的總點數不得少于3個點。”也就是說要求具有多個已知點對可靠性進行檢驗。

GNSS基線長度精度的標準差計算公式如下:

(1)

式中:a為固定誤差;b為比例誤差系數;d為基線長度。

《規范》規定:約束平差,基線分量的改正數與無約束平差結果的同一基線相應改正數之較差的絕對值應滿足下式:

(2)

如果不滿足要求，則約束的已知坐標、距離及方位可能存在較大誤差值，部分已知數據不可靠，需要對其降權處理或者剔除。文獻[3]中提出的坐標及邊長回歸分析法計算方便、可操作性強,具有較高的實際應用價值。

首先在單點平差中，只固定一個已知點進行平差計算,即只進行了GPS整網的平移,沒有考慮網間尺度和方位的變化，然后將其他已知點的平差坐標與其已知坐標進行比較,同時比較平差坐標反算邊長和已知坐標反算邊長，其差值的絕對值除以原邊長值可以得到邊長相對誤差,邊長相對誤差一般應滿足《規范》中對GPS控制網相應起算等級的邊長精度的要求。再結合坐標較差值進行比較,剔除坐標差值較大的點,從而檢驗已知數據的兼容性[3]。

尺度比一致性檢驗方法是：將起算點分為幾組，若各組分別求得的尺度變化參數呈現一致性，說明各起算點是兼容的，反之，說明該組起算點中有不兼容的點。使用這種判別方法的前提是可以獲得起算點的參心空間直角坐標，通常的做法是將起算點的平面坐標反算為大地坐標，正常高(海拔高)改算為大地高，再計算點的參心空間直角坐標。當無法獲得起算點的參心空間直角坐標時，也可以將GNSS網投影至起算點所在的坐標平面后，用平面轉換尺度變化參數的一致性來判別起算點的兼容性。

該項目聯測的平面已知控制點有8個。起算數據盡量選擇同一時期、精度等級相當的已知點作為控制網的起算點，對控制點間兼容性采用尺度比一致性檢驗方法進行了檢驗。通過對平差結果直觀分析，選擇A081點作為基準點進行尺度一致性判別。校核點到起算點A081的反算邊長與測量邊長所計算的尺度比見表1。

表1　已知成果尺度一致性檢查表

根據表1計算的尺度比折線如圖1。

圖1　起算點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點尺度統一，精度一致，GB、HL 2點所推算的尺度與其余6點不一致，在起算時絕對不采用。綜合上述檢驗結果及控制點兼容性分析情況，該項目1954北京坐標系成果決定采用A040、A074、A077、A079、A080、A081等6點進行起算。按照同樣方法，1980年西安坐標系成果采用A074、A077、A079、A081四點。

1.3平面控制網平差及數據分析

在進行已知點精度及尺度一致性檢查后，選用合格的已知點進行多點約束平差。為了與相鄰風場之間成果統一，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，該項目首級控制分別采用南方GNSSadj和Poweradj兩種軟件進行了解算，解算結果對比見表2。表2中所列坐標較差系Poweradj計算坐標-南方GNSSadj計算坐標。

由計算結果可看出，Poweradj默認對起算點進行了擬穩平差處理。

2套軟件計算的坐標成果較差分別沿X和Y方向升序變化見圖2、3。

由圖2、3可以看出，2套軟件所解算的坐標存在系統性偏差，由于Poweradj對起算點作了擬穩處理所造成，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計算坐標較差表

圖2　坐標較差沿X方向升序變化圖

圖3　坐標較差沿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

即選擇一種規則的數學面來擬合測區的似大地水準面。當這一數學模型建立后，根據網點的位置參數，便可計算測區內任一點的高程異常。

高程異常為似大地水準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為控制點正常高。常用的擬合方法有常數擬合、平面擬合法、曲面擬合法、多面函數擬合、三次樣條函數、多項式曲線擬合、多項式曲面擬合法、最小二乘推估法等等。

2.2本項目擬合方案選擇

在本項目中，根據起算點數量及分布特點，詳見圖4，邊框為測區概略范圍線，分別采用平移、平面擬合法、曲面擬合法進行了高程擬合，通過對擬合結果的分析，選擇了最適合該項目的擬合方法。

圖4　水準點分布圖

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。

采用單點加權平均法常數擬合方案，模型如下:

(4)

式中：n0為已知高程的高程控制點個數；pi為第i個已知高程點高程異常的權，并可根據高程控制點與待測點的水平距離來確定。采用3415單點常數擬合結果見表3。

表3　采用3415單點常數擬合方案表

注：依表3所計算的方差為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，模型如下:

(5)

采用平面擬合結果見表4、5及表6。

表4　采用3418、3015、Ⅲ10三點平面擬合方案表

注：依表4所計算的方差為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所計算的方差為0.026 m2,中誤差為±0.162 m。

表6　Ⅲ10、3012、3015、3017、3018五點平面擬合方案表

注：依表6所計算的方差為0.015 m2,中誤差為±0.124 m。

該項目采用Ⅲ10、3011、3012、3015、3017、3018、A74七點曲面擬合方案，結果見表7。

表7　　　Ⅲ10、3011、3012、3015、3017、3018、A74七點曲面

注：依表7所計算的方差為0.021 m2,中誤差為±0.143 m。

為了便于對上述統計數據進行分析，下邊將以上5個方案的方差及中誤差進行匯總。

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、Ⅲ10三點平面擬合的高程與已知高程的較差算數和為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個方案中檢驗效果最好的方案。綜合各個方案計算結果及該工程中水準點的分布情況，本項目高程擬合最終采用3418、3015、Ⅲ10三點平面擬合方法進行高程擬合，后續采用水準測量進一步檢驗，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結語

本項目對控制網起算點的來源、成果完成單位、坐標系統、等級及測量時期等項目進行了全面分析，通過已知點兼容性檢驗,對已知點精度及尺度一致性檢查后，選用合格的已知點，采用2種軟件進行了多點約束平差，獲得了可靠的平面成果。從高程擬合方案的選擇過程可以看出，高程擬合方案制定應根據測區的實際情況而定，在水準點分布不夠合理或者精度不理想的情況下，擬合水準點選擇要點并非在多，本項目中的高程異常構成在整個測區近似為一個斜面，當采用多個點位利用曲面擬合，可能導致擬合曲面產生不符合實際的振蕩，造成擬合精度地較大損失。在進行高程擬合方案的選擇時，應充分地顧及到已知高程點的分布情況及相鄰水準點的點間誤差情況，建議在水準點分布不夠合理或者水準點點間誤差較大時盡量通過加權平均的方法選擇較簡單的擬合模型，避免或者減小由模型造成不符合實際的扭曲。

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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：TV221.1

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.006

基金項目：中國水電工程顧問集團科技項目 (GW-KJ-2012-21)

作者簡介：李祖鋒(1981- )，男，甘肅省靖遠縣人，高級工程師，主要從事控制測量及變形監測工作.

收稿日期：2015-03-03

文章編號：1006—2610(2016)02—0019—05