GPS土地測量應用技術在東營市墾利區天然氣管道中的施工應用研究

文／王紅軍 東營市墾利區行政審批服務局 山東東營 257500

引言：

GPS 是已經發展成熟的技術，其能夠作用于高精度定位與導航，同時隨著數據庫的完善和GPS 精度的提高，在測量領域中也有了較為廣闊的應用。GPS 測量相比于傳統的測量方式，不受環境與操作條件的影響，在長距離、大范圍的測量中，也有優異的精度和準確性，隨著技術的普及和相應設備的完善，GPS 測量技術也已經成為了測量行業中的主要技術形式。天然氣管道的施工與測量工作通常工作區間較大，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內所探索的問題[1]。而GPS 技術從原理和使用上都有著較為明顯的優勢，在天然氣管道的施工工作中也是適用的技術形式。

1、GPS 測量技術原理

1.1 單一GPS 技術的工作原理

GPS 技術依靠衛星進行通信，它本質上是一種定位與導航系統。在整個定位系統中可以將地球簡化為一個三維立體坐標系，而衛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星進行通信，而后衛星對該用戶接收機的位置進行精準定位。

GPS 技術中，衛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為固定的測量基站，另一臺接收機進行動態測量，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 技術與動態定位的測量基本原理

除GPS 之外，為了保證測量數據的準確性和效率性，一般與動態定位技術結合使用，但其本質上還是利用GPS衛星進行定位。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，同時根據衛星結果進行數據修正。整個過程由儀器自動完成，能夠對GPS 測量結果進行可信化處理。而當前GPS 技術的高速發展以及其他輔助測量措施的成熟，在 GPS 技術應用的過程中，幾乎不會出現測量誤差過大或GPS 無法使用、衛星無法通信的問題，這也使得了結合GPS 的測量技術在各個行業中的普遍應用與發展[3]。

2、GPS 技術優勢

2.1 測量效率高

在傳統的測量之中，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備和工作人員進行逐個點位的測量與驗算工作，而數據的讀取記錄也來自人工。GPS 技術依賴于衛星通信與計算機數據處理，在測量的過程中只需按要求操作即可得到數據，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 測量結果準確

與傳統測量方式不同，GPS 測量技術依賴于衛星通信確定坐標的形式，得到測量結果。目前我國能夠用于測量方面的通信衛星也不在少數，幾乎所有區域都能被GPS 衛星有效覆蓋，且至少有3 個可用衛星同時與測量點位通信為測量服務。在取得數據之后，計算機軟件會根據信號強度、不同衛星反饋的數據進行可信性分析，當時也有其他地面短波通信技術和大地相對坐標的輔助，能夠提升在測量過程中的數據精準度。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 技術能夠表現出優良的測量結果，也能為后續工作提供堅實的數據支撐[4]。

2.3 操作便捷

當前GPS 技術已經發展得愈發成熟，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備和電源供給設備。GPS 技術的測量操作比較簡單，它的基本原理與傳統測量是相似的，都是得到2 點之間的距離與方位，進而進行下一步的數據處理和圖紙繪制工作[5]。一般而言根據待測量區域的平面圖，利用手持終端即可獲得待測量點位的精準位置數據，可在信息系統中將該點位進行標注，即使不在該點位布設測量儀器和工具，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，同時需要專業技術人員對數據進行分析和處理，而GPS 技術的應用，其設備簡單操作便捷，通常能夠將人員縮減為原先的一半以上。GPS 測量技術還無需進行數據驗算和復雜的數據處理流程，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 測量技術在天然氣管線中的應用

3.1 靜態 GPS 控制測量

靜態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。在進行靜態點測量時需要在區域內有固定點位并已知該點位的坐標，單一點位的靜態測量工作通常是在整體測量之后，并進行相應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，在設備調試妥當且應用環境無異常的前提下，能夠簡單快速地得到測量數據。

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域的管線網絡[6]。傳統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果，而采取GPS 的方式，因其能夠進行實時的動態測量，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，根據這些控制點，再進行加密測繪，這些基礎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。實際測量工作中需要對圖文點進行反復驗算多次測量，并采取可靠的數據來源。傳統的測量工作僅能通過增加測量次數的方式，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 技術可采取不同時間段不同衛星的數據用來進行驗證，而多次驗證的工作，可在同一時間內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 測量技術應用流程與要點

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，要根據測量項目的實際情況選取恰當的測量儀器。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，除了專業技術人員之外，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

在測量任務開始之前應確定本次測量任務所參照的坐標系與標準點，而后在整個任務中所有的數據處理均依照該標準點進行處理。測量參照依據的統一化，能夠減少后期數據處理的難度，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星信號暢通，測量時數據準確。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據處理的準確性，也應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據誤差累計[7]。

4.3 測量任務設計

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

4.4 正式測量

測量任務中應參照測量方案與任務設計內容進行測量的執行工作，測量中儀器的使用遵循標準操作原則，測量的數據應進行可靠記錄。在測量過程中應明確障礙物和天氣對測量結果的影響，若使用的測量方案和儀器對環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據分析終端對測量到的數據實時驗證，若有誤差極大的不合理數據，應分析原因進行重新測量、更換設備、更換操作方法的方式處理，確保后續數據的可信性。

4.5 數據整理與分析

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

5、東營市墾利區天然氣管道案例應用

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，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全域2330 平方公里內，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。整體待測量區域可分為三個部分，中間為凸起，南北兩側為凹陷。該區域地處濱海位置，但對于測繪工作開展影響不大。

經初步考察，測區周圍有東營市勘察測繪院布設的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，經檢查精度符合規程要求，可用作一級以下平面和高程控制的起算點使用。山東省CORS 系統在東營地區已實現全覆蓋，可在一級以下平面控制測量中使用。多方驗證，該區域可借助GPS 技術進行管線的測繪工作。

5.2 前置工作準備與資料收集

外業管線探測前，山東泰正測繪地理信息有限公司協調測區內管線權屬單位，對測區管線大致位置、走向、材質、建設年代、規格、運行狀態進行調繪，以作為外業管線普查作業時參考。同時根據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測儀、干粉式滅火器和其他必要設備作為安全防護工具。

5.3 實施流程

5.3.1 坐標轉換

該案例處于GPS 信號覆蓋區域，當地已經有了成熟的GPS 參照系。為了便于后續數據處理與信息化交流，該案例使用CGCS2000 國家大地坐標系作為基準坐標系，通過坐標轉換參數將所需要的坐標數據轉換至目標坐標系，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。轉換參數采用 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。該過程的質量保證主要通過四測回測量的形式，天線應采用三角支架架設，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。一般應求解七參數進行坐標轉換。

5.3.2 圖根控制測量

為了便于溝通與數據處理，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 動態測量平面坐標，利用圖根水準聯測高程。

在進行RTK 的測量作業中，基準站架設在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據準確。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度，RTK 測量后采取圖根水準聯測。在進行圖根控制點的編號和測量過程中，均根據實際的工程需要進行，同時通過多種儀器設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。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、位置及連接關系等，作為開展管線測量的依據。

地下管線點的位置聯測，使用全站儀以導線串測法、極坐標法、GPS RTK 或采用網絡 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據庫的建立工作。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研與事前準備，在測繪工作進行過程中明確操作規范與質量標準，同時通過多種制度的執行與約束，最終順利完整測繪作業。

結語：

GPS 技術已經發展成熟，基于GPS 技術進行測量的形式，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 技術能夠解決傳統測量技術中存在的效率低、誤差大的問題。本文中引用一天然氣管道測繪案例，在利用現有數據的技術上，使用GPS+RTK技術繪制天然氣管線，能夠高效率、高準確度的完成測繪工作。行業內對于GPS 應用技術已經逐漸發展成熟，我國自研衛星定位系統“北斗”也逐漸投入使用，隨著技術的革新與探索，也會有更科學高效的測繪方法應用到行業之中，為測繪行業健康發展賦予新的能量。