GPS RTK技術(shù)在阿布扎比原油管道工程測量中的應(yīng)用

■ 呂玉宏 中國石油天然氣管道局第二工程分公司 江蘇徐州 221008

GPS RTK技術(shù)在阿布扎比原油管道工程測量中的應(yīng)用

■ 呂玉宏 中國石油天然氣管道局第二工程分公司 江蘇徐州 221008

文章闡述了GPS的系統(tǒng)組成、測量原理，總結(jié)了GPS RTK測量技術(shù)的特點，結(jié)合工程實踐探討了RTK技術(shù)在管道工程施工測量中的應(yīng)用。

GPS-RTK 管道施工 工程應(yīng)用

1 前言

阿布扎比原油管道工程（以下簡稱：阿布扎比項目）由中國石油工程公司和中石油管道局聯(lián)合總承包，是中石油管道局第一次踏入阿聯(lián)酋高端石油管道建設(shè)市場。中國石油天然氣管道局第二工程分公司（以下簡稱：管道二公司）在該工程中承擔(dān)著從HABSHAN油區(qū)到阿布扎比與沙迦接壤處的304km管道施工安裝任務(wù)，工程建設(shè)全部采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，起點高，要求嚴(yán)，其中有170km位于沙漠、沙丘段，地形起伏大，交通不便，工程測量任務(wù)重，掃線、管溝開挖、管道數(shù)字化信息采集、竣工圖以及各種附屬設(shè)施的定位，都離不開測量工作的密切配合。因此必須選擇一種測量速度快、精度高的測量儀器來滿足高端市場管道施工測量的需求。

2 全球定位系統(tǒng)(GPS)簡介

2.1 GPS的組成

GPS（Global Position System）是由美國研制的導(dǎo)航、授時和定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由一個基準(zhǔn)站、一個或若干個移動站、通訊系統(tǒng)3大部分組成。該系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標(biāo)、三維速度和時間信息等技術(shù)參數(shù)。隨著GPS工作衛(wèi)星的不斷入軌和GPS接收機(jī)性能的不斷提高和改進(jìn)，GPS測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全球經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域。

2.2 GPS RTK測量的基本原理

RTK是實時動態(tài)測量(Real-time Kinematics)的縮寫。常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行計算才能獲得cm級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到cm級定位精度的測量方法。在使用RTK測量定位時，基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信息及基準(zhǔn)站信息一起由通訊系統(tǒng)傳送給各移動站。移動站完成初始化后，通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同步觀測采集GPS觀測數(shù)據(jù)，通過在系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，得到基準(zhǔn)站和移動站之間的坐標(biāo)差值(△X，△Y，△H)，差值加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)則可得到移動站點的WGS-84坐標(biāo)，再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影改正，即可實時計算并在手簿屏幕中顯示出移動站點位的cm級精度的三維坐標(biāo)(X，Y，海拔高H)及相關(guān)的精度指標(biāo)[1]。

2.3 GPS RTK測量技術(shù)的優(yōu)勢

（1）測站之間無需通視。這一優(yōu)點可大大減少管道測量外業(yè)工作的經(jīng)費(fèi)和時間，極大地提高了工作效率，同時也使點位的選擇變得更為靈活。

（2）定位精度高。RTK的定位精度一般為：平面:10mm+2ppm，高程：20mm+2ppm。而且GPS測量有著誤差不累積的特點，這是傳統(tǒng)測量方法不可比擬的。

（3）觀測時間短。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在GPS的OTF（on-the-fly）初始化時間一般小于1min，最快8s，而且RTK初始化時間為典型15s，初始化之后的測量過程中，數(shù)據(jù)是即時更新的，也就是說接下來的測量僅僅需要測點之間的移動時間，即可連續(xù)獲取所需數(shù)據(jù)。

（4）實時提供三維坐標(biāo)。RTK能實時地解算出所在位置的空間三維坐標(biāo)，并在手簿屏幕上顯示出來。

（5）自動化程度高，操作簡便。在觀測中，測量員的主要任務(wù)只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高度、監(jiān)控儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，而其他觀測工作，如衛(wèi)星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。

（6）無線信號覆蓋遠(yuǎn)，觀測距離長。RTK作業(yè)半徑：標(biāo)稱：15Km，一般應(yīng)為：6-10Km，特別適合長輸管道野外測量作業(yè)線路較長的實際特點。

（7）全天候作業(yè)。GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。

3 GPS RTK技術(shù)在管道施工測量中的應(yīng)用

在阿布扎比項目施工測量中，管道二公司配備了兩套拓普康GPS測量儀器，手簿型號為FC2000，安裝的軟件為Top-SURV。兩年來的使用情況表明，長輸管道工程施工測量工作充分發(fā)揮了GPS各方面的優(yōu)勢，經(jīng)過多方的復(fù)核和校驗，它的精度指標(biāo)完全滿足高端市場管道施工測量的需要，可以廣泛應(yīng)用于長輸管道工程測量的各個方面。

3.1 控制測量

傳統(tǒng)的大地測量、工程控制測量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來施測，不僅費(fèi)工費(fèi)時，要求點間通視，而且精度分布不均勻，且在外業(yè)期間不知精度如何；采用常規(guī)的GPS靜態(tài)測量、快速靜態(tài)、偽動態(tài)方法，在外業(yè)測設(shè)過程中不能實時知道定位精度，如果測設(shè)完成后，回到內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求，還必須返測。而采用GPS RTK技術(shù)來進(jìn)行控制測量，能夠?qū)崟r得到定位精度，如果點位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測了，這樣可以大大提高作業(yè)效率。

在阿布扎比項目施工測量過程中，位于沙漠段的控制樁經(jīng)常會受到沙暴的影響，造成控制樁被埋或者松動。為了保證測量的精度，使管道待定位的設(shè)施位于測量控制點的工作范圍內(nèi)，需要將丟失或者松動的控制點進(jìn)行重新加密，方便測量定位作業(yè)的實施。在進(jìn)行控制樁加密時，可以選擇附近的一個較高精度的控制點作為基準(zhǔn)站，用RTK測量的方法，對需加密的控制點進(jìn)行坐標(biāo)的定位，得到該控制點的WGS-84坐標(biāo)，再在加密的控制點所覆蓋的作業(yè)范圍內(nèi)進(jìn)行管道設(shè)施的施工測量作業(yè)，這樣利于作業(yè)范圍內(nèi)測量精度和作業(yè)效率的提高[2]。見圖1， 指示水平位置精度； 指示垂直位置精度； 指示電臺數(shù)據(jù)鏈的通信質(zhì)量。

3.2 放樣測量

以往我們主要采用全站儀進(jìn)行放樣，一般至少需要兩人合作，且要求測站點與放樣點要通視才行，若不通視，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)站。若附近無控制點，則要先引點。現(xiàn)在采用RTK技術(shù)進(jìn)行放樣，只要把放樣點的坐標(biāo)輸入到手簿中，測量員背著GPS接收機(jī)，RTK系統(tǒng)在行進(jìn)中不斷計算測站位置、偏移量，因此測量員可以根據(jù)手簿屏幕上的提示徑直走到放樣點上，放樣像走路一樣輕松完成。當(dāng)然，其精度也較高，各放樣點的誤差影響也是獨(dú)立的。此外，RTK特別適合于進(jìn)行管道線路的放樣，其特點表現(xiàn)在以下幾個方面：

3.2.1 點位放樣：RTK實時地提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)，不僅可以快速的找到點位，而且還能提供定位精度，并可進(jìn)行采點；

3.2.2 直線定位：直線定位最常用于線路放樣。測量程序顯示出的定線導(dǎo)航數(shù)據(jù)能快速上線，一旦到達(dá)待定直線，手簿屏幕上就顯示到達(dá)并提示，便可存儲點位坐標(biāo)，直至完成；

3.2.3 曲線放樣：先設(shè)定好曲線，如圓曲線或緩和曲線參數(shù)，中線、邊線等，導(dǎo)航數(shù)據(jù)將快速引導(dǎo)上線。由于RTK 測量用于放樣，無需對講機(jī)傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù)和方向，靠流動站的導(dǎo)航畫面，就能輕松上點、上線；并且僅需一個人就能完成放樣工作，極大的提高了工作效率[3]。

3.3 GPS RTK配合CASS軟件進(jìn)行土方工程量計算

阿布扎比項目中的沙漠地段長達(dá)170km，由于沙丘段起伏大，管線鋪設(shè)前必須進(jìn)行作業(yè)帶平整，對于起伏較大地段的動土量將是十分龐大；中間站主體施工前，需要將施工區(qū)域內(nèi)表層土和沙丘移出站外，涉及土方量約70萬方，由于是分包工程，施工完成后必須精確計算土方量。因此，為編制施工計劃和進(jìn)行工程量的最終校核提供參考，必須對現(xiàn)場土方量進(jìn)行精確測量計算。

使用RTK測量技術(shù)可以采集到精度較高的地形特征點的三維坐標(biāo)，而且采集速度快、控制區(qū)域大，并能多個流動站同時采集，是進(jìn)行現(xiàn)場野外數(shù)據(jù)采集的首選方案。通過對施工區(qū)域進(jìn)行動土前后兩次測量，將兩次采集到的數(shù)據(jù)在CASS軟件中建立數(shù)字地面模型（DTM），并進(jìn)行疊加，DTM建成后即可自動進(jìn)行土方工程量計算，比傳統(tǒng)的測量和計算方法要省時、省力，而且精度高。三維立體模式下顯示的沙漠段地形起伏情況，見圖2。

3.4 數(shù)字化管道測量和GIS數(shù)據(jù)采集

利用GPS RTK的點測量程序可以對管線點：如焊道、陰極保護(hù)點、三樁、各種穿越點的位置和閥室等設(shè)施的坐標(biāo)和位置進(jìn)行三維坐標(biāo)的采集，采集到的數(shù)據(jù)自動保存在電子手簿中，該數(shù)據(jù)可作為GIS的重要信息源。RTK在數(shù)據(jù)采集時，可以將管道不同設(shè)施點的屬性加進(jìn)去，對應(yīng)于每個點的三維坐標(biāo)，再進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，可以生成適應(yīng)GIS平臺數(shù)據(jù)格式要求的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫，并易于修改和完善。

3.5 地形測量

大比例尺地形圖測繪中使用RTK，可不用布設(shè)圖根控制點，僅依據(jù)少量的基準(zhǔn)點，即可直接測定地形地物點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。利用RTK快速定位和實時得到三維坐標(biāo)的特點，在一定的測量環(huán)境中可以進(jìn)行地形的碎部測量。地形點的測量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場地形的實際情況進(jìn)行測量。野外作業(yè)時，僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點站立1～2s，并同時輸入設(shè)定的特征編碼，通過手簿可以實時查看點位精度，把一個區(qū)域測完后回到室內(nèi)，采集完的地形點坐標(biāo)經(jīng)過成圖處理，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖，這樣用RTK僅需一人操作，不要求點間通視，大大提高了工作效率。

4 體會

GPS RTK的特點使測量和放樣工作變的簡單方便和耳目一新，它的應(yīng)用在很大程度上綜合代替了其他幾種不同的測量儀器，并在作業(yè)效率上有了很大的提高。GPS定位技術(shù)的發(fā)展，對于經(jīng)典的測量技術(shù)是一次重大的突破，一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進(jìn)一步加強(qiáng)了測量學(xué)與其他學(xué)科之間的相互滲透，從而促進(jìn)管道測量技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 米鴻燕，蔣興華.GPS-RTK技術(shù)在測繪大比例尺地形圖的應(yīng)用探討[J].昆明：昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報.2005，21(3).

2 丁長福.RTK技術(shù)在數(shù)字化管道測量中的應(yīng)用[J].北京：科學(xué)決策.2008，（11）.

3 鐘仁福.GPS RTK在工程放樣中的應(yīng)用研究[J].北京：中國高新技術(shù)企業(yè).2009，（5）.

TE832

B

1672-9323（2010）06-0066-03

2010-08-24）