全新三角高程測量方法在風力發電基礎沉降觀測中的應用

馮 禹，孫 宏，侯 杰

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

一直以來，在建、構筑物的沉降觀測過程中，傳統的測量方法是采用幾何水準測量。幾何水準測量的優點是操作簡單、精度高；但也存在著不足，精度受地形起伏限制，外業工作量大，效率低。三角高程測量通過觀測兩點間的水平距離和天頂距(或高度角)求定兩點間高差的方法。三角高程測量具有高差測定速度快、受地形條件限制小等優點，特別適合在高差較大的地區(如風力發電場沉降觀測，風力發電場大多位于山區、丘陵地帶)進行高程測量。但是由于受到儀器測距誤差、測角誤差、大氣垂直折光系數誤差以及儀器高、目標高量取誤差影響，三角高程測定高差的精度有限，只在中小比例尺地形圖或對高程精度要求不高的圖根控制測量中應用。

隨著高精度全站儀的應用普及，三角高程測量精度有了實質性的提高，特別是經過長期摸索，總結出一種全新的三角高程測量方法，無需量取儀器高、目標高，完全可以達到三等水準精度，在具備一定觀測條件下，可以達到二等水準的精度。本文主要討論運用高精度全站儀，采用全新的三角高程測量方法，進行風力發電機組基礎的沉降觀測。

1 三角高程測量方法

圖1所示，采用三角高程測量的方法確定地面點A、B兩點間的高差hAB，首先要在A點安置全站儀，在B點豎立硯標，量得儀器高i和覘標高v，用全站儀望遠鏡的中絲照準覘標頂部，觀測垂直角α；測定A、B兩點間水準距離D，則圖1可以看出如下關系：

hAB＝Dtgα+i -v，若已知點A高程為HA，則待定點B的高程HB為：

圖1 三角高程測量

如果考慮考慮球氣差γ(球差與氣差合稱球氣差)影響，則高差計算公式為：

這就是三角高程測量的基本原理，高差誤差來源于：球氣差、觀測值邊長D、垂直角α，儀器高i和覘標高v的測量誤差。

這樣傳統的三角高程測量高差具備以下兩個特點：

①全站儀必須架設在已知高程點上；

②要測出待測點的高程，必須量取儀器高和棱鏡高；

③球氣差計算簡單。

如果我們在高程測量工作中，能將全站儀像水準儀一樣任意設站，而不是將它置在已知高程點上，同時又不需要量取儀器高i和覘標高v的情況下，那么使用高精度全站儀，精確測量距離和角度，采用三角高程測量的原理就可以快速、精確的測得未知點的高程。

2 全新三角高程測量方法

如果我們采用全站儀進行三角高程測量時能像使用水準儀進行幾何水準測量一樣，任意設站，而不是將它置在已知高程點上，同時又在不量取儀器高i和覘標高v的情況下，利用三角高程測量原理測出待測點的高程。如圖1，假設A點的高程已知，B點的高程為未知，這里要通過全站儀測定其它待測點的高程。

假設我們將全站儀任意設站，后視已知高程點A，則由(2)式可知：

B點高程計算公式：

首先由(3)、(4)式可知：

上式可知：距離、垂直角用儀器直接測出外，i、v都是未知的。但有一點可以確定即儀器架設好，i值將不變；同時選取跟蹤桿作為反射棱鏡，假定v值也固定不變。從(5)可知：

從(6)式可知，在進行三角高程測量時，不需量量測儀器高 i 和覘標高 v 即可求得B點高程。若全站選擇合適的測站，使得儀器大致位于A、B兩點的中間位置，且A、儀器、B三點大致在一條直線上，則球氣差γA-站、γ站-B值相等，符號相反，相互抵消，可知：

由此可見：

①任一點設站，進行三角高程測量是可行的；

②高程誤差主要來源于邊長誤差、垂直角誤差；

③如果使用高精度全站儀，如徠卡公司TS30(測角精度為0.5″，0.6mm +D×10-6ppm)，三角高程精度是可以在達到二等水準精度要求；

④在進行觀測時，覘標要強制對中，距離對三角高程測量中對高差精度影響最大，垂直角越大，其影響也愈大；

⑤垂直角觀測應該選擇大氣折光影響較小的陰天和每天的中午觀測較好；

⑥推算三角高程時應選擇短邊傳遞，對路線上邊數也要有限制。

3 全新三角高程測量方法在風力發電基礎沉降觀測中的應用

某風力發電場位于山區，占地面積25km2，共計40臺風力發電機。風力發電機之間平均距離是600m，地勢起伏變化較大，平均海拔約為1770m，高差約為350m。共埋設11個控制樁，見圖2，最長邊長為900.5m，最短邊為289.3m，平均邊長為467.8m；最大高度角為12.5°，最小高度角約為-4.5°，平均高度角約為-6.7°。控制網中只有BM-1、BM-2用一等水準觀測精度要求進行幾何水準聯測，其它點采取全新三角高程測量方法獲得高程。

圖2 某風電場沉降監測控制網

全網共計46條邊，46個天頂距，根據有關規范和設計要求，高程控制網按一等邊角網施測，觀測12個測回，用徠卡TS30來完成。

為了研究全新三角高程測量方法能否達到二等水準幾何精度要求，在控制網中選取具備二等幾何水準觀測條件的控制點進行往返觀測高差，測段高差對比見表1。

表1 測段高差

經對比發現，全新三角高程測量方法與二等幾何水準測量方法測段往返差值滿足二等水準精度要求。在實際工作應用過程中也取得了很好的效果。

4 結語

4.1 全新三角高程測量方法值得特點

(1)在一定條件下，全站儀精密三角高程測量替代二等幾何水準測量是切實可行的；

(2)全站儀測量速度快、精度高、受外界因素影響較小，在多種氣象條件下均可進行觀測；

(3)成果具有較高的可靠性，降低了勞動強度，節省了人力，提高了作業效率；

(4)類似的風力發電場很多，且大多數處在地形復雜的山區或丘陵地帶，本工程的實踐對風力發電基礎沉降觀測及此類地區精密高程傳遞均具有一定的借鑒意義。

4.2 全新三角高程測量方法應用中的問題

(1)在布設控制網時，要選取一定的點，能夠進行二等幾何水準聯測，以檢核全新三角高程測量方法的精度；

(2)本次實踐由于受條件的限制，檢測條件還不夠充分，在今后的工作實踐中要繼續檢驗、總結；

(3)對儀器的精度要求很高，目前市場上相關產品不是很多，價格也很昂貴；

(4)觀測時，覘標的強制對中很關鍵，對精度影響較大。

[1]GB/T 12897-2006，國家一、二等水準測量規范[S].

[2]FD 003-2007，風電機組地基基礎設計規定[S].

[3]GB/T 16818-2009，中短程光電測距規范[S].

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