GPS土地測量應(yīng)用技術(shù)在東營市墾利區(qū)天然氣管道中的施工應(yīng)用研究

王紅軍

【摘要】天然氣管道施工與測量工作對于市政基礎(chǔ)工程建設(shè)而言是非常重要的， GPS技術(shù)是一種較為成熟的測量手段，具有效率高、準確率好的特點，在天然氣測量和施工中也是常用的技術(shù)手段。本文以GPS測量技術(shù)在天然氣管道中的施工應(yīng)用為研究對象，同時借助東營市墾利區(qū)天然氣工程的具體案例，用來明確應(yīng)用的要點與過程，能為同類工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】GPS 技術(shù);天然氣;工程;測量;應(yīng)用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.02.060

引言：

GPS是已經(jīng)發(fā)展成熟的技術(shù)，其能夠作用于高精度定位與導航，同時隨著數(shù)據(jù)庫的完善和GPS精度的提高，在測量領(lǐng)域中也有了較為廣闊的應(yīng)用。GPS測量相比于傳統(tǒng)的測量方式，不受環(huán)境與操作條件的影響，在長距離、大范圍的測量中，也有優(yōu)異的精度和準確性，隨著技術(shù)的普及和相應(yīng)設(shè)備的完善，GPS測量技術(shù)也已經(jīng)成為了測量行業(yè)中的主要技術(shù)形式。天然氣管道的施工與測量工作通常工作區(qū)間較大，對于遠距離測量和廣范圍測量中，如何保持效率與精確度成為了行業(yè)內(nèi)所探索的問題[1]。而GPS技術(shù)從原理和使用上都有著較為明顯的優(yōu)勢，在天然氣管道的施工工作中也是適用的技術(shù)形式。

1、GPS測量技術(shù)原理

1.1 單一GPS技術(shù)的工作原理

GPS技術(shù)依靠衛(wèi)星進行通信，它本質(zhì)上是一種定位與導航系統(tǒng)。在整個定位系統(tǒng)中可以將地球簡化為一個三維立體坐標系，而衛(wèi)星就是在坐標系以外進行測量的裝置，使用時有專用的用戶接收機與衛(wèi)星進行通信，而后衛(wèi)星對該用戶接收機的位置進行精準定位。

GPS技術(shù)中，衛(wèi)星與用戶接收機之間確定的是位置坐標，若想進行測量，則需至少由兩部用戶接收機同時與衛(wèi)星通信，并借助同一坐標系計算出兩個接收機的坐標，利用相對坐標的形式，從而計算出兩點之間的距離。在實際操作中也可將一臺接收機變?yōu)楣潭ǖ臏y量基站，另一臺接收機進行動態(tài)測量，并得到與基站的相對方位和距離，再通過計算即可得出所有點位互相之間的相對方位與距離[2]。

1.2 GPS技術(shù)與動態(tài)定位的測量基本原理

除GPS之外，為了保證測量數(shù)據(jù)的準確性和效率性，一般與動態(tài)定位技術(shù)結(jié)合使用，但其本質(zhì)上還是利用GPS衛(wèi)星進行定位。在實際測量工作中，通過建立一固定坐標的基站，而基站通過短波與測量點接收機進行通信，作為距離方位的驗算，同時根據(jù)衛(wèi)星結(jié)果進行數(shù)據(jù)修正。整個過程由儀器自動完成，能夠?qū)PS測量結(jié)果進行可信化處理。而當前GPS技術(shù)的高速發(fā)展以及其他輔助測量措施的成熟，在 GPS技術(shù)應(yīng)用的過程中，幾乎不會出現(xiàn)測量誤差過大或GPS無法使用、衛(wèi)星無法通信的問題，這也使得了結(jié)合GPS的測量技術(shù)在各個行業(yè)中的普遍應(yīng)用與發(fā)展[3]。

2、GPS技術(shù)優(yōu)勢

2.1 測量效率高

在傳統(tǒng)的測量之中，需要保證各個測量點之間具有良好的視野，并且需要至少兩組設(shè)備和工作人員進行逐個點位的測量與驗算工作，而數(shù)據(jù)的讀取記錄也來自人工。GPS技術(shù)依賴于衛(wèi)星通信與計算機數(shù)據(jù)處理，在測量的過程中只需按要求操作即可得到數(shù)據(jù)，也不需要進行固定點位的頻繁布置和點位之間的相互驗算，計算與處理過程由計算機軟件輔助處理，都有著較高的效率性。

2.2 測量結(jié)果準確

與傳統(tǒng)測量方式不同，GPS測量技術(shù)依賴于衛(wèi)星通信確定坐標的形式，得到測量結(jié)果。目前我國能夠用于測量方面的通信衛(wèi)星也不在少數(shù)，幾乎所有區(qū)域都能被GPS衛(wèi)星有效覆蓋，且至少有3個可用衛(wèi)星同時與測量點位通信為測量服務(wù)。在取得數(shù)據(jù)之后，計算機軟件會根據(jù)信號強度、不同衛(wèi)星反饋的數(shù)據(jù)進行可信性分析，當時也有其他地面短波通信技術(shù)和大地相對坐標的輔助，能夠提升在測量過程中的數(shù)據(jù)精準度。當前情況下，在GPS通信正常的情況下，測量精度一般在100mm/1km以上，相對于傳統(tǒng)的人工測量方式而言，在大體量長距離的測量工作中，GPS技術(shù)能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的測量結(jié)果，也能為后續(xù)工作提供堅實的數(shù)據(jù)支撐[4]。

2.3 操作便捷

當前GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得愈發(fā)成熟，GPS在測量時不需要在地面固定點位，也不需要大型的信號搜索設(shè)備和電源供給設(shè)備。GPS技術(shù)的測量操作比較簡單，它的基本原理與傳統(tǒng)測量是相似的，都是得到2點之間的距離與方位，進而進行下一步的數(shù)據(jù)處理和圖紙繪制工作[5]。一般而言根據(jù)待測量區(qū)域的平面圖，利用手持終端即可獲得待測量點位的精準位置數(shù)據(jù)，可在信息系統(tǒng)中將該點位進行標注，即使不在該點位布設(shè)測量儀器和工具，在進入其他點位時也能實時計算出該點的距離與方位。

2.4 測量綜合成本低

傳統(tǒng)的測量工作通常有大量的人力與物力資源投入，同時需要專業(yè)技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進行分析和處理，而GPS技術(shù)的應(yīng)用，其設(shè)備簡單操作便捷，通常能夠?qū)⑷藛T縮減為原先的一半以上。GPS測量技術(shù)還無需進行數(shù)據(jù)驗算和復雜的數(shù)據(jù)處理流程，大部分工作均能交由計算機軟件自動進行處理。整個過程中能夠節(jié)約資源與時間，使整個工程項目的綜合成本降低。

3、GPS測量技術(shù)在天然氣管線中的應(yīng)用

3.1 靜態(tài) GPS 控制測量

靜態(tài)GPS測量主要是測量單個點位的位置坐標或相對距離，它在天然氣管道測量工作中，通常用于點位的校準和定位工作。在進行靜態(tài)點測量時需要在區(qū)域內(nèi)有固定點位并已知該點位的坐標，單一點位的靜態(tài)測量工作通常是在整體測量之后，并進行相應(yīng)的點位布置或施工工作開始之前，用于驗證點位位置是否正確，在設(shè)備調(diào)試妥當且應(yīng)用環(huán)境無異常的前提下，能夠簡單快速地得到測量數(shù)據(jù)。

3.2 管線點測量

管線點就是用于標識管線位置和方向的點。管線的測量工作中，將所有管道走向一一畫出是不現(xiàn)實的，能夠指示管道的走向與方位，通過布置管線點的形式，將所有點按照方位指示與距離相連即可得到該區(qū)域的管線網(wǎng)絡(luò)[6]。傳統(tǒng)測量中需要通過不斷加密管線點的方式來精確得到測量結(jié)果，而采取GPS的方式，因其能夠進行實時的動態(tài)測量，故對于管線點的測量工作而言，將會變得簡單而又便捷。

3.3 圖根點測量

圖根點是在測量網(wǎng)中所使用的，在繪制平面圖的時候要先在圖紙上面繪制控制點，根據(jù)這些控制點，再進行加密測繪，這些基礎(chǔ)的控制點即為圖根點。圖根點的準確程度與測量整體工作的成果息息相關(guān)。實際測量工作中需要對圖文點進行反復驗算多次測量，并采取可靠的數(shù)據(jù)來源。傳統(tǒng)的測量工作僅能通過增加測量次數(shù)的方式，或從不同角度多次對圖根點展開測量工作以提高精度，使用GPS技術(shù)可采取不同時間段不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)用來進行驗證，而多次驗證的工作，可在同一時間內(nèi)交由計算機軟件自動完成。針對于圖根點的精度，只要周圍沒有極大障礙物的遮擋，一般而言均能保障圖根點準確性。

4、GPS測量技術(shù)應(yīng)用流程與要點

4.1 測量前準備工作

測量的準備工作主要分為儀器和人員兩個方面。在測量工作開始之前，要根據(jù)測量項目的實際情況選取恰當?shù)臏y量儀器。一般而言，普通GPS+RTK測量裝置即能滿足絕大部分工程項目的測量需求，若在測量區(qū)域中有較多障礙物或有人不便到達的位置，也可通過無人機輔助進行目標點測量工作。人員的準備主要是確定測量團隊的人員配備，除了專業(yè)技術(shù)人員之外，后勤保障也需有專人負責。

4.2 圖根點與測量基準點的確定

在測量任務(wù)開始之前應(yīng)確定本次測量任務(wù)所參照的坐標系與標準點，而后在整個任務(wù)中所有的數(shù)據(jù)處理均依照該標準點進行處理。測量參照依據(jù)的統(tǒng)一化，能夠減少后期數(shù)據(jù)處理的難度，也能提高準確性。對于有高精度需求的工程可進行多次測量，每次選取不同基準點的形式依次驗證測量結(jié)果是否準確。一般而言選取圖根點與基準點的過程中，需要保障該點位的衛(wèi)星信號暢通，測量時數(shù)據(jù)準確。圖根點與測量基準點的標準化確定有利于后期測量工作數(shù)據(jù)處理的準確性，也應(yīng)避免影響測量工作的進行，防止反復更改或修改參照系造成的數(shù)據(jù)誤差累計[7]。

4.3 測量任務(wù)設(shè)計

測量任務(wù)需要進行專項設(shè)計，設(shè)計的內(nèi)容主要是測量的方式方法以及測量點的選取工作。進行設(shè)計時，應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員與測量操作人員共同參與。設(shè)計過程中應(yīng)考慮設(shè)計方案的可行性與效率性，同時要兼顧能否便于現(xiàn)場操作。設(shè)計方案在完成之后，可出具模擬的測量數(shù)據(jù)進行復核，便于驗證該測量方案能夠完成目標任務(wù)。

4.4 正式測量

測量任務(wù)中應(yīng)參照測量方案與任務(wù)設(shè)計內(nèi)容進行測量的執(zhí)行工作，測量中儀器的使用遵循標準操作原則，測量的數(shù)據(jù)應(yīng)進行可靠記錄。在測量過程中應(yīng)明確障礙物和天氣對測量結(jié)果的影響，若使用的測量方案和儀器對環(huán)境和外界因素有一定要求，則需確定外界要求滿足再開展測量工作。測量的過程中可通過數(shù)據(jù)分析終端對測量到的數(shù)據(jù)實時驗證，若有誤差極大的不合理數(shù)據(jù)，應(yīng)分析原因進行重新測量、更換設(shè)備、更換操作方法的方式處理，確保后續(xù)數(shù)據(jù)的可信性。

4.5 數(shù)據(jù)整理與分析

當所有測量任務(wù)完成之后，進入數(shù)據(jù)整理與分析環(huán)節(jié)。通過測量到的數(shù)據(jù)進行整理和分析，并根據(jù)項目的實際需求進行測量結(jié)果輸出。數(shù)據(jù)整理過程中同時進行誤差數(shù)據(jù)排除工作對于點位缺失或誤差較大的位置應(yīng)及時進行補測。通過多方面的數(shù)據(jù)完善和準確性保障，最終利用可靠的數(shù)據(jù)整理相應(yīng)工作成果。

5、東營市墾利區(qū)天然氣管道案例應(yīng)用

5.1 案例概況與案例目標

該案例為山東泰正測繪地理信息有限公司進行的真實測繪項目，案例位于東營市墾利區(qū)，項目為一復合型項目，目標之一為石油天然氣管道測繪。該案例中，油氣管線普查范圍為墾利區(qū)全域2330平方公里內(nèi)，測繪管線種類包括輸油管線、天然氣管線，約計285公里的地下管線。整體待測量區(qū)域可分為三個部分，中間為凸起，南北兩側(cè)為凹陷。該區(qū)域地處濱海位置，但對于測繪工作開展影響不大。

經(jīng)初步考察，測區(qū)周圍有東營市勘察測繪院布設(shè)的D級GPS控制點及四等水準點，同時具備1980西安坐標系和CGCS2000國家大地坐標系坐標，經(jīng)檢查精度符合規(guī)程要求，可用作一級以下平面和高程控制的起算點使用。山東省CORS系統(tǒng)在東營地區(qū)已實現(xiàn)全覆蓋，可在一級以下平面控制測量中使用。多方驗證，該區(qū)域可借助GPS技術(shù)進行管線的測繪工作。

5.2 前置工作準備與資料收集

外業(yè)管線探測前，山東泰正測繪地理信息有限公司協(xié)調(diào)測區(qū)內(nèi)管線權(quán)屬單位，對測區(qū)管線大致位置、走向、材質(zhì)、建設(shè)年代、規(guī)格、運行狀態(tài)進行調(diào)繪，以作為外業(yè)管線普查作業(yè)時參考。同時根據(jù)項目需求和實際情況，配備了地下管線探測儀（型號：SENNR-6018A）、GPS（RTK）接收機（型號R8-2、R8-3）、全站儀（型號：ES-602G）、水準儀（型號：S3BZ-1、DS32）作為測量工作中的主要器械，同時配備了有毒氣體監(jiān)測儀、干粉式滅火器和其他必要設(shè)備作為安全防護工具。

5.3 實施流程

5.3.1 坐標轉(zhuǎn)換

該案例處于GPS信號覆蓋區(qū)域，當?shù)匾呀?jīng)有了成熟的GPS參照系。為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理與信息化交流，該案例使用CGCS2000 國家大地坐標系作為基準坐標系，通過坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)將所需要的坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至目標坐標系，這些坐標系包括 WGS-84 坐標系、CGCS2000 國家大地坐標系、1954 年北京坐標系。轉(zhuǎn)換參數(shù)采用 3 點以上的高等級平高控制點的兩套坐標成果進行求解，控制點的 WGS-84 坐標和 1954 年北京坐標系坐標通過 GPS RTK 方法按一級控制點測量方法測定。該過程的質(zhì)量保證主要通過四測回測量的形式，天線應(yīng)采用三角支架架設(shè)，點位中誤差不大于±50mm，每測回 10 次記錄測回間隔 60s 以上，并重新初始化，兩測回間平面坐標分量互差2cm，高程互差 3cm。一般應(yīng)求解七參數(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換。

5.3.2圖根控制測量

為了便于溝通與數(shù)據(jù)處理，在案例中的圖根控制點編號，用漢語拼音縮寫加序號的形式表示，序號自西至東、自南至北編排，如西四路最南端的圖根點編號為“XSL01”。圖根點的測量方式為 RTK 動態(tài)測量平面坐標，利用圖根水準聯(lián)測高程。

在進行RTK的測量作業(yè)中，基準站架設(shè)在D 級以上控制點上，兩測回測定，并通過回測的方式來確保數(shù)據(jù)準確。多次測量之間有至少一分鐘的時間間隔并對儀器進行初始化。為了加強圖根控制點的經(jīng)度，RTK測量后采取圖根水準聯(lián)測。在進行圖根控制點的編號和測量過程中，均根據(jù)實際的工程需要進行，同時通過多種儀器設(shè)備采取多次測量的方式，以減少誤差。

5.3.3 管線測量工作

該項目在進行測繪工作的同時，還將地下管線進行了勘察作業(yè)。故在進行測繪的過程中，借助勘察階段的工作成果，拿到一份 1：500 探查草圖，圖上標注有物探點號、管線走向、位置及連接關(guān)系等，作為開展管線測量的依據(jù)。

地下管線點的位置聯(lián)測，使用全站儀以導線串測法、極坐標法、GPS RTK 或采用網(wǎng)絡(luò) RTK 定位方法進行。各種管線點均以全站儀或 GPS 定位儀直接測定，通過內(nèi)存存貯通訊至計算機得到采集資料。最終將采集資料匯總并整理得出工作成果。

5.4 案例總結(jié)與分析

該案例中的項目除了需要進行地下管線的測繪工作之外，還同時進行管道勘察與信息數(shù)據(jù)庫的建立工作。該案例運用了基于GPS的RTK測繪儀器完成整體測量工作，并在測繪工作正式開始之前進行了充分的調(diào)研與事前準備，在測繪工作進行過程中明確操作規(guī)范與質(zhì)量標準，同時通過多種制度的執(zhí)行與約束，最終順利完整測繪作業(yè)。

結(jié)語：

GPS技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，基于GPS技術(shù)進行測量的形式，具有精度高、效率快、操作簡單的特點。在天然氣管線的施工與測量工作中，通過引入GPS技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)測量技術(shù)中存在的效率低、誤差大的問題。本文中引用一天然氣管道測繪案例，在利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的技術(shù)上，使用GPS+RTK技術(shù)繪制天然氣管線，能夠高效率、高準確度的完成測繪工作。行業(yè)內(nèi)對于GPS應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，我國自研衛(wèi)星定位系統(tǒng)“北斗”也逐漸投入使用，隨著技術(shù)的革新與探索，也會有更科學高效的測繪方法應(yīng)用到行業(yè)之中，為測繪行業(yè)健康發(fā)展賦予新的能量。

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