EGM2008全球重力場模型在輸電線路工程中的應(yīng)用

第一作者簡介：劉豐（1982-），男，工程碩士，高級工程師。研究方向為電力勘測。

*通信作者：陳西強（1987-），男，碩士，高級工程師。研究方向為電力勘測。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.037

摘" 要：針對輸電線路工程所需的正常高，該文介紹基于EGM2008全球重力場模型來獲取待定點正常高的直接法、均值法、高差法基本原理，結(jié)合某一特高壓輸電線路工程進行應(yīng)用分析，得出直接法無法滿足輸電線路工程的應(yīng)用要求，而均值法和高差法能夠滿足輸電線路工程規(guī)程規(guī)范要求，且均值法和高差法在整體應(yīng)用上精度一致。高差法在選取基點后，正常高獲取的精度與基準點在空間距離上呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，在有多余已知控點的情況下，應(yīng)分段選取基點，保證每個基點的控制范圍在30 km以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：EGM2008；輸電線路；直接法；均值法；高差法

中圖分類號：P223" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0156-04

Abstract： In view of the normal height required by transmission line engineering， this paper introduces the basic principles of direct method， mean method and height difference method based on EGM2008 global gravity field model to obtain the normal height of a certain UHV transmission line project. It is concluded that the direct method can not meet the application requirements of transmission line engineering， but the mean method and high difference method can meet the requirements of transmission line engineering specifications， and the accuracy of the mean value method and the height difference method are the same in the whole application. After selecting the base point of the height difference method， there is a certain correlation between the accuracy of the normal height acquisition and the reference point in the spatial distance. In the case of excess known control points， the base point should be selected in stages to ensure that the control range of each base point is less than 30 km.

Keywords： EGM2008; transmission line; direct method; mean value method; height difference method

輸電線路工程中高程基準通常采用1985高程基準，均屬于正常高。目前主要采用GNSS定位技術(shù)，結(jié)合高程轉(zhuǎn)換參數(shù)獲取待定點的正常高，但GNSS所獲取的直接高程為大地高H84，其是相對于WGS84參考橢球面的高度，與正常高H常存在的差值稱為高程異常，三者直接的關(guān)系如圖1所示。

圖1" 大地高與正常高位置示意圖

EGM2008全球重力場模型結(jié)合當(dāng)前能夠快速獲取地表某點的GNSS大地高和平面位置，為快速獲取工程所需的正常高提供了新的思路。EGM2008全球重力場模型在中國大陸區(qū)域的總體精度為20 cm，華東華中地區(qū)12 cm，華北地區(qū)達到9 cm，西部地區(qū)為24 cm[1-2]，其精度與地形復(fù)雜程度成反比，地形平坦的東部模型精度最高，西部最低，且高程異常轉(zhuǎn)換精度主要取決于GPS大地高的精度，點位精度對其影響不大[3]。有關(guān)學(xué)者研究表明，在鐵路勘察、水利水電等工程應(yīng)用中，對不同地形條件采用EGM2008全球重力場模型結(jié)合少量水準高程，通過高差法消除其與局部大地水準面直接的系統(tǒng)差，可在一定程度上取代水準測量，滿足大比例尺測圖的計算要求[4-8]。

本文研究EGM2008全球重力場模型的高程異常獲取直接法、均值法、高差法，介紹了其求取的基本原理和實現(xiàn)方法，并對其精度通過誤差傳播定律進行了初步分析，最后通過某特高壓工程實踐，比較3種方法的精度及應(yīng)用場景，得出有益于輸電線路工程中高程異?？焖俑呔惹笕》绞?，為輸電線路工程高程控制提供參考價值。

1" 正常高求取方法

基于EGM2008全球重力場模型的高程異常獲取方法是由地球撓動位的球諧函數(shù)級數(shù)展開式求高程異常ξm，結(jié)合GNSS獲取的高精度大地高，再求出點的正常高的一種方法。

由物理大地測量學(xué)可知，地面點P的撓動位T與該點引力位V和正常引力位U之間的關(guān)系為

T=V-U。" " " （1）

而地面點P的高程異常ξm為

ξm=T/r，" " " "（2）

式中：r為地面點P的正常重力值。正常重力值r和正常引力位U可以精確計算，因此只要給出地面點P的引力位V，就可求出地面點P的高程異常ξm。引力位V可由球諧函數(shù)級數(shù)展開式計算

式中：？籽、B、L分別為地面點的矢徑、緯度、經(jīng)度；Cnm、Snm為位系數(shù)；Pnm（sinB）為勒讓德函數(shù)；n為階；m為次；GM為地心引力常數(shù)和地球質(zhì)量的乘積，是個常數(shù)；A為參考橢球長半軸。

由GPS精確的大地高程與由重力場模型求得的高程異常ξm進行比較，求出該點的正常高程，其原理如下

h=H84-ξm。" " " " "（4）

該方法稱為直接法，但相關(guān)研究表明，正常高系統(tǒng)與重力場模型之間在某個區(qū)域存在一定的系統(tǒng)差[9-14]，通常由GPS大地高程和其水準正常高求得的高程異常ξ與由重力場模型求得的高程異常ξm進行比較，求出該地面點在2個高程系統(tǒng)之間的高程異常差值，如公式（5）所示

？啄ξ=ξ-ξm。" " " " （5）

然后由公共點的平面坐標和高程異常殘差值推求其他點的高程異常殘差值？啄ξ，由此計算GPS網(wǎng)中未聯(lián)測水準點的正常高程

h=H84-ξm-？啄ξ。" " " " " （6）

但？啄ξ值的求取方法有2種，第一種是直接由公式（5）求取，即基于EGM2008模型求得高程異常后，由已知點的大地高減去高程異常ξm得到已知點的高程異常殘差，當(dāng)多余1個已知點時，可以將已知點求取的高程異常殘差進行平均值計算，將該平均值作為整個區(qū)域的均值，記為δξ，稱為殘差均值法，其他待定點則根據(jù)以下公式計算正常高h

h=H84-ξm-δξ。" " " " "（7）

高差法是由已知控制點來確定其中一個作為基點，而其他待定點與基點求差，采取類似水準高差的方式，將高程異常模型之間的系統(tǒng)差通過求差進行消除，從而提高高程異常求取的精度，其原理如下。

確定基點位置。選取離測區(qū)中心最近的已知點作為基點位置，其原則如下

根據(jù)公式（8）至（10）確定的基準點記為（X0，Y0），采用類似于水準高差的求法，假定同一個測區(qū)內(nèi)正常高與重力場模型之間的高程異常殘差是一致的，由此待定點高程hi通過以下方式進行求取

h0=H0-？著m0-？啄？著， （11）

hi=Hi-？著mi-？啄？著。" " "（12）

由公式（11）、（12）推導(dǎo)出

hi=h0+（Hi-H0）-（？著mi-？著m0）。（13）

由式（13）可知，通過對基準點求差后，把正常高系統(tǒng)和重力場模型之間的系統(tǒng)差進行了差分消除，其精度由誤差傳播定律可知

即未知點的高程精度由未知點大地高的高程精度、重力場模型求取的高程異常精度綜合決定。其中，未知點高程精度由實時動態(tài)定位（RTK）所采集的高精度GNSS大地高所得，基本在3 cm以內(nèi)，而重力場模型求取的高程異常精度與地區(qū)有關(guān)，華北地區(qū)可以達到9 cm的精度。由此可知，采用EGM2008全球重力場模型求取正常高的精度總體最優(yōu)精度應(yīng)該在9.5 cm。

2" 工程實例分析

某特高壓線路工程呈東西走向，西高東低，且位于平原丘陵地區(qū)，線路長度約90 km，控制點均勻分布于線路兩側(cè)共計18個點。

測區(qū)平均高程為67.178 m，最大高程點為最西邊的KS11，高程值為139.14 m，根據(jù)已知控制點資料，通過以下3種方法進行求取：①直接法，由EGM2008全球重力場模型求取高程異常，根據(jù)公式（2）求取，得到高程h1，并與已知值h進行比較，得到高程殘差值。②均值法，由EGM2008全球重力場模型求取高程異常，先根據(jù)公式（2）求取其高程異常殘差值均值，再根據(jù)公式（4）直接求取待定點的高程，得到高程值h2，并與已知高程值h進行比較，得到高程殘差值。③高差法，根據(jù)高差法原理求取待定點高差h3，并與已知高程值h進行比較，得到高差殘差值。

由圖2分析可知，直接法求取的高程殘差值均值為0.425 m，中誤差為0.090 m，最大高程殘差值為0.471 m，最小為0.185 m，明顯不能滿足線路工程勘測規(guī)范高程較差小于10 cm的技術(shù)要求[15]；而均值法的高程較差均值為0.016 m，中誤差為0.090 m，最大高程殘差值為-0.240 m，最小為0.003 m，且大于10 cm的為KS11、KT01、KT14，均在線路路徑途徑區(qū)域外側(cè)，線路覆蓋區(qū)域內(nèi)的高程較差均小于10 cm。高差法的高程較差均值為0.033 m，中誤差為0.090 m，最大高程殘差值為-0.273 m，最小為0.000 m，且大于10 cm的為KS11、KT01、KT02，相對KT07基點由遠而近呈遞減趨勢，越靠近基點其高程差值越小。

以上分析可知，采用均值法和高差法，對全線中心樁位的高程進行求取，得到已知中心樁位高程h與均值法求取的h2和高差法求取的h3進行做差比較，得到高程較差分布如圖3所示。

由圖3分析可知，均值法和高差法所求取的正常高與已知樁位高程的差值均值都為0.03 m，且中誤差均為0.05 m，整體高程較差分布小于0.1 m，與理論精度分析一致。由此可知，剔除線路起始位置高程起伏大的影響，其余相對平緩的線路路徑區(qū)域均能滿足輸電線路規(guī)程規(guī)范對高程較差的限差的要求。其中，均值法和高差法所求取的正常高整體精度一致。但靠近線路路徑所跨區(qū)域中心部分高差法求取的精度要比均值法高。

考慮到高差法所選基準點與待求點之間存在一定的距離，其待求點高程差值與基點距離的關(guān)系如圖4所示，2個因素直接的相關(guān)分析如圖5所示。

由圖4分析可知，高差法所選取的基點在30 km以內(nèi)均能滿足輸電線路工程對高程校核差值在10 cm以內(nèi)的要求，但大于30 km以上，尤其是超過40 km后，其求取差值達到0.169 m，難以滿足工程應(yīng)用需求。同時由圖5分析可知，高程法所求取的正常高與已知點高程較差值和距離基點的距離在線性回歸分析中，其相關(guān)系數(shù)為0.386 5，由此說明其相關(guān)性并不密切，且在30 km范圍其求值誤差在5 cm以內(nèi)。因此建議在有多余已知控點的情況下，應(yīng)分段選取基點，保證每個基點的控制范圍在30 km以內(nèi)。

3" 結(jié)論

本文介紹了基于EGM2008全球重力場模型在輸電線路工程中3種高程異常求取方法，分別為直接法、均值法、高差法，其中直接法因正常高程系統(tǒng)與重力場模型所求取的高程異常存在系統(tǒng)性差別，不能直接應(yīng)用于輸電線路工程高程控制及高程獲取，而均值法和高差法在某種程度上能夠滿足輸電線路對高程精度的要求，理論最優(yōu)精度能夠達到9.5 cm。

均值法和高差法所求取的正常高整體精度一致，但靠近路徑所跨區(qū)域中心部分高差法求取的精度要比均值法高。其中，高差法在選取基點后，距離基點由遠而近所求取的高程精度越靠近基點精度越高，與基準點高程異常在空間距離上呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，但不是特別明顯。

基于EGM2008全球重力場模型在輸電線路工程中應(yīng)用時，可采用均值法或高差法，但需要注意已知點的內(nèi)部復(fù)核和外部復(fù)核檢查，均值法宜選取輸電線路途徑區(qū)域內(nèi)的控制點作為計算依據(jù)，而高差法在有多余已知控點的情況下，應(yīng)分段選取基點，保證每個基點的控制范圍在30 km以內(nèi)。

參考文獻：

[1] 楊金玉，張訓(xùn)華，張菲菲，等．EGM2008地球重力模型數(shù)據(jù)在中國大陸地區(qū)的精度分析[J]．地球物理學(xué)進展，2012，27（4）：1298-1306.

[2] 章傳銀，郭春喜，陳俊勇，等.EGM2008地球重力場模型在中國大陸適用性分析[J]．測繪學(xué)報，2009，38（4）：283-289.

[3] 張興福，劉成，王國輝，等.基于EGM2008重力場模型的GPS高程轉(zhuǎn)換方法及精度分析[J].地球物理學(xué)進展，2012，27（1）：38－44.

[4] 束蟬方，李斐，郝衛(wèi)峰.EGM2008模型在中國某地區(qū)的檢驗及適用性分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2011，36（8）：919-921.

[5] 許雙安.基于EGM2008模型的GPS高程轉(zhuǎn)換方法研究[J].鐵道勘察，2012（5）：31-34.

[6] 王作鈺.EGM2008重力長模型的高程異常精度分析[J].地理空間信息，2014，12（3）：110-111.

[7] 余宣興，詹昊，朱明新，等.EGM2008地球重力場模型在GPS高程轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用研究[J].測繪通報，2013（12）：18-20.

[8] 朱亞光，高興國，常增亮，等.基于EGM2008重力場模型的電廠區(qū)高程傳遞方法研究[J].電力勘測設(shè)計，2011（4）：30-32.

[9] 羅陶榮，王中元，梁寧，等.利用EGM2008模型與加權(quán)組合模型進行高程異常擬合[J].測繪通報，2018（1）：28-32.

[10] 蔡慶立，盧榮.EGM2008重力場模型在RTK高程測量中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2012，37（4）：71-73.

[11] 翟振和，魏子卿，吳富梅，等.利用EGM2008位模型計算中國高程基準與大地水準面間的垂直偏差[J].大地測量與地球動力學(xué)，2011，31（4）：116-118．

[12] 原喜屯.地球重力場模型在GPS高程測量中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2011，36（2）：59-62．

[13] 劉斌，郭際明，史俊波，等.利用EGM2008模型與地形改正進行GPS高程擬合[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2016，41（4）：554-558．

[14] 赫林，李建成，褚永海.1985國家高程基準與全球高程基準之間的垂直偏差[J].測繪學(xué)報，2016，45（7）：768-774．

[15] 330 kV～750 kV架空輸電線路勘測標準：GB/T 50548—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.