全站儀高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量在油氣田工程測(cè)量中的應(yīng)用

陳學(xué)虎，張里南，羅金銳，姚紅舵

（1.唐山冀東油田設(shè)計(jì)工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省測(cè)繪局第二測(cè)繪院，青海西寧 811000）

全站儀高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量在油氣田工程測(cè)量中的應(yīng)用

陳學(xué)虎1，張里南2，羅金銳1，姚紅舵1

（1.唐山冀東油田設(shè)計(jì)工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省測(cè)繪局第二測(cè)繪院，青海西寧 811000）

在油氣田工程勘測(cè)中，用全站儀高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量替代三 （四）等水準(zhǔn)測(cè)量，能有效提高精度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。文章介紹了全站儀中間法三角高程測(cè)量的原理、方法和優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)該測(cè)量方法的精度進(jìn)行了分析。該方法更適用于山地、丘陵等高差較大的地區(qū)，可靈活選擇測(cè)站位置，測(cè)站不需對(duì)中，不需量取儀器高，操作靈活實(shí)用，能有效提高測(cè)量工作的效率。

工程建設(shè)；工程測(cè)量；全站儀；高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量；精度

1 油氣田工程測(cè)量的特點(diǎn)

油氣田勘探開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)是地域廣闊，而生產(chǎn)用地相對(duì)較少且比較分散，生活基地距生產(chǎn)區(qū)較遠(yuǎn)，線(xiàn)路工程距離較長(zhǎng)，隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的加快，地面工程建設(shè)速度相對(duì)較快，工程勘察設(shè)計(jì)工期較短，而加快勘測(cè)工作、在確保精度的條件下縮短測(cè)量作業(yè)時(shí)間最有效的方法是改進(jìn)測(cè)量技術(shù)，盡可能采取一些高效作業(yè)方法，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不但降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還大大提高了測(cè)量作業(yè)效率。

由于油氣田所處地理位置的特殊性及生產(chǎn)的特殊性，控制點(diǎn)往往經(jīng)常被破壞，所以經(jīng)常需要做工程測(cè)量控制網(wǎng)，在采用GPS靜態(tài)控制測(cè)量和動(dòng)態(tài)野外數(shù)據(jù)采集數(shù)字化成圖作業(yè)的今天，為了獲得比較理想的GPS擬合水準(zhǔn)面，就需要進(jìn)行大量的高程聯(lián)測(cè)工作，為了克服已知控制點(diǎn)比較分散且距測(cè)區(qū)被聯(lián)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)而造成的加大高程測(cè)量工作量和工作難度的問(wèn)題，采用全站儀高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量是切實(shí)可行的方法。

2 電子全站儀的特性

全站儀是由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等組成的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果能自動(dòng)顯示，并能與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，是一種多功能測(cè)量?jī)x器。由于全站型電子速測(cè)儀較完善地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量處理過(guò)程的電子化和一體化，所以通常稱(chēng)之為全站型電子速測(cè)儀或簡(jiǎn)稱(chēng)全站儀。全站儀在實(shí)際工作中的應(yīng)用十分普遍。

3 全站儀高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量代替三 （四）等水準(zhǔn)測(cè)量

測(cè)量地面待定點(diǎn)的高程，常用方法是先通過(guò)儀器測(cè)量待測(cè)點(diǎn)與已知點(diǎn)間的高差，然后計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的高程。測(cè)定兩點(diǎn)間高差的方法很多，如水準(zhǔn)測(cè)量、經(jīng)緯儀三角高程測(cè)量等。水準(zhǔn)測(cè)量精度高，但僅適用于平坦地區(qū)；經(jīng)緯儀三角高程測(cè)量適用于山區(qū)，但由于距離測(cè)量精度和量取儀器高的精度較低，測(cè)量所得的高差精度也比較低。全站儀具有測(cè)量速度快、測(cè)距精度高、適用范圍廣等特點(diǎn)，但用全站儀代替經(jīng)緯儀進(jìn)行三角高程測(cè)量，仍然存在量取儀器高的問(wèn)題，因此，必須對(duì)傳統(tǒng)三角高程測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，才能提高高差測(cè)量精度。不少測(cè)繪工作者通過(guò)多次實(shí)踐，認(rèn)為全站儀中間法三角高程測(cè)量能達(dá)到國(guó)家三 （四）等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

3.1 全站儀中間法三角高程測(cè)量的原理

如圖1所示，在已知高程點(diǎn)A和待測(cè)點(diǎn)B上分別安置反光棱鏡，在A、B的大約中間位置選擇與兩點(diǎn)均通視的O點(diǎn)安置全站儀，根據(jù)三角高程測(cè)量原理，O、A兩點(diǎn)的高差h1為：

式中S1——O至A點(diǎn)的斜距/m；

α1——觀測(cè)垂直角；

c1——地球曲率改正數(shù)；

r1——大氣折光改正數(shù)；

i——儀器高/m；

v1——A點(diǎn)的目標(biāo)高/m。

地球曲率與大氣折光影響之和f1為：

式中R——地球的平均半徑，為6 369 000 m；

K1——O至A的大氣折光系數(shù)。

因此， 式 （1）可表達(dá)為：

設(shè)已知點(diǎn)A的高程為HA，待求點(diǎn)B的高程為HB，則∶

式中S2——O至B點(diǎn)的斜距/m；

α2——觀測(cè)垂直角；

f2——地球曲率與大氣折光影響之和；

K2——大氣折光系數(shù)；

v2——B點(diǎn)的目標(biāo)高/m。

A、B兩點(diǎn)間的高差h為：

由上式可知,在不考慮已知點(diǎn)高程誤差的情況下，采用中間法測(cè)量高程主要與測(cè)量斜距S1和S2、垂直角α1和α2、目標(biāo)高v1和v2及大氣折光系數(shù)K1和K2有關(guān)，與儀器高無(wú)關(guān)， 從而克服了量取儀器高精度低的問(wèn)題,有利于提高測(cè)量精度。 當(dāng)A、B

由上式可知，采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ緝x中間法高程測(cè)量與儀器高、目標(biāo)高完全無(wú)關(guān)，只與距離、垂直角及大氣折光系數(shù)有關(guān)。

3.2 中間法高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量3.2.1 中間法觀測(cè)順序

在兩點(diǎn)中間選測(cè)站點(diǎn),用 “后—前—前—后”的順序?qū)ΨQ(chēng)觀測(cè)。

式中a——后視垂距中數(shù)/m，a＝Sasin aa；

b——前視垂距中數(shù)/m，b＝Sbsin ab；

Sa、Sb——分別為儀器至后視前視的斜距/m；aa、ab——分別為后視、前視觀測(cè)垂直角。

高差中數(shù)∶

式中hab中——高差中數(shù)/m；a中——后視垂距中數(shù)/m；b中——前視垂距中數(shù)/m。

3.2.2 中間法測(cè)高程導(dǎo)線(xiàn)

如圖2所示，A、B為高程導(dǎo)線(xiàn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，在測(cè)線(xiàn)間設(shè)測(cè)站1，2，…，n。盤(pán)左和盤(pán)右觀測(cè)程序?yàn)椤谩昂蟆啊啊蟆薄：笠暣咕酁閍，前視垂距為b，則各段高差為：兩點(diǎn)采用同一對(duì)中桿且不變換高度，即v1＝v2時(shí)，式 （6）變?yōu)椤?/p>

即高差中數(shù)等于前視垂距中數(shù)之和減去后視垂距中數(shù)之和。

為提高測(cè)量速度，當(dāng)使用兩個(gè)棱鏡分別為前后視覘標(biāo)時(shí)，其覘標(biāo)高度不能?chē)?yán)格相等。

設(shè)覘標(biāo)高分別為l1和l2，覘標(biāo)高度差Δlh＝l1-l2（如圖3所示）。

當(dāng)測(cè)站數(shù)為偶數(shù)時(shí)∶

由此可知，采用兩棱鏡分別輪流作為前后覘標(biāo)，在測(cè)段間觀測(cè)站為偶數(shù)時(shí)，棱鏡高度差相互抵消，高差計(jì)算公式仍為式 （11）。

若觀測(cè)站數(shù)為奇數(shù)，兩點(diǎn)間高差應(yīng)減去最后一站棱鏡高度差Δlh，即∶

式中l(wèi)1——最后一測(cè)站的后視覘標(biāo)高；

l2——最后一測(cè)站的前視覘標(biāo)高。

4 全站儀中間法三角高程測(cè)量的精度分析

4.1 全站儀中間法高程測(cè)量中誤差

在不考慮已知點(diǎn)高程誤差的情況下，對(duì)式 （5）進(jìn)行全微分，得：

大氣折光系數(shù)K1和K2一般不相等，要精確地測(cè)量出某一時(shí)間K的變化值是不可能的，但在同一地點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)值的變化很小，因觀測(cè)幾乎是在同樣情況下進(jìn)行的，而且?guī)缀跏窃谕粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)行的,近似地假定 K1≈ K2， 并設(shè) mK＝ mK1＝ mK2， 考慮全站儀的特點(diǎn)，設(shè)邊長(zhǎng)的測(cè)量精度mS、角度的測(cè)量精度mα及目標(biāo)高的量取精度mv分別相等，即

式中mh——全站儀中間法高程測(cè)量中誤差；

mS——全站儀測(cè)距中誤差；

mα——全站儀測(cè)角中誤差;

mK——大氣折光系數(shù)測(cè)定中誤差；

mv——目標(biāo)高量取中誤差。

由式 （16）可見(jiàn)，全站儀中間法高程測(cè)量誤差與儀器精度mS、mα、大氣折光誤差mK及目標(biāo)高量取誤差mv有關(guān)。式 （16） 即為考慮目標(biāo)高量取誤差時(shí)全站儀中間法高程測(cè)量的中誤差。

同理，對(duì)式 （7）取全微分,并轉(zhuǎn)換成中誤差關(guān)系式，得∶

式 （17）為目標(biāo)高相等時(shí)全站儀中間法高程測(cè)量的中誤差。

4.2 全站儀中間法高程測(cè)量的極限誤差

目前工程上常用的全站儀測(cè)距精度一般為± （1+1×10-6D）～ ± （5+5×10-6D） mm （D 為測(cè)距長(zhǎng)度，以 km計(jì)），測(cè)角精度一般為 ±0.5″～6.0″。儀器高和目標(biāo)高的量取一般采用卷尺丈量，當(dāng)精度要求較高時(shí)，則采用測(cè)桿量取，而且要獨(dú)立量取2次，當(dāng)2次量取的較差小于2 mm時(shí)，取其平均值作為最終結(jié)果。

以mα＝±2″的全站儀為例，其測(cè)距精度一般為±（2+2×10-6D）mm，在此，取ms＝±4 mm，即按全站儀到測(cè)點(diǎn)的測(cè)距為1 km計(jì)算；曾有試驗(yàn)證明，折光系數(shù)的誤差為±（0.03～0.05），在此，取mK＝±0.04，分別計(jì)算公式 （17）和公式（16），即目標(biāo)高相等時(shí)和考慮目標(biāo)高量取誤差時(shí)全站儀中間法高程測(cè)量的中誤差，并以△＝2 mh即2倍中誤差與三、四等水準(zhǔn)測(cè)量的極限誤差進(jìn)行比較，精度計(jì)算時(shí)取α2和α1中的最大者，統(tǒng)一為α，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

4.3 精度分析

通過(guò)表1、表2的分析可知∶

（1）全站儀中間法高程測(cè)量的誤差，隨著觀測(cè)距離、豎直角的增大而增大。

（2）采用前后視目標(biāo)高相等進(jìn)行高程測(cè)量，可以消除目標(biāo)高量取誤差的影響，提高高程測(cè)量精度，尤其是在觀測(cè)距離較短的時(shí)候。

（3）從表1及相關(guān)分析可知，前后視采用同一目標(biāo)高，以mα＝±2″全站儀的高程測(cè)量誤差，當(dāng)儀器至前后視距離差即｜D1-D2｜≤100 m時(shí)，前后視距離總和在1.8 km范圍內(nèi)可以達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的限差要求；當(dāng)儀器至前后視距離相等，即D1-D2＝0，垂直角α≤±20°時(shí)，前后視距離總和在600 m以?xún)?nèi)，可滿(mǎn)足三等水準(zhǔn)測(cè)量的限差要求。

表1目標(biāo)高相等時(shí)全站儀中間法高程測(cè)量的極限誤差與三、四等水準(zhǔn)測(cè)量極限誤差的比較

表2 考慮目標(biāo)高量取誤差時(shí)全站儀中間法高程測(cè)量的極限誤差與三、四等水準(zhǔn)測(cè)量限差的比較

（4）從表2及相關(guān)分析可知，即使考慮目標(biāo)高量取誤差，當(dāng)儀器安置在前后視距離差即｜D1-D2｜≤100 m時(shí)，前后視距離總和在1.6 km范圍內(nèi)仍可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的限差要求。

5 全站儀中間法三角高程測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

采用全站儀中間法進(jìn)行高程測(cè)量，有以下優(yōu)點(diǎn)∶

（1）不需量取儀器高，消除了量取儀器高對(duì)高程測(cè)量精度的影響；采用同一覘標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，覘標(biāo)高相等，不需量取覘標(biāo)高，消除了量取覘標(biāo)高的誤差對(duì)高程測(cè)量精度的影響。

（2）采用 “后—前—前—后”的對(duì)稱(chēng)觀測(cè)順序，保持前后視距相等，能有效消除地球曲率和大氣折光對(duì)高程測(cè)量精度的影響。

（3）用中間法進(jìn)行高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，既可用同一覘標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，也可以前后兩覘標(biāo)分別觀測(cè)。加之全站儀測(cè)程較大，可大大提高測(cè)量速度。

（4）更適用于山地、丘陵等高差較大的地區(qū)，而且精度高。如果以水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，必將安置更多的測(cè)站，觀測(cè)誤差累積將越來(lái)越大。但是，以全站儀進(jìn)行高差測(cè)量，其誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水準(zhǔn)儀的限差，因而可進(jìn)行高等級(jí)的高程控制測(cè)量。當(dāng)采用盤(pán)左和盤(pán)右觀測(cè)時(shí)，還可進(jìn)一步提高高差測(cè)量的精度。

（5）采用全站儀中間法測(cè)量高程，相鄰兩測(cè)點(diǎn)可以不通視，可靈活選擇測(cè)站位置，測(cè)站不需對(duì)中，不量?jī)x器高，操作靈活、實(shí)用，節(jié)約大量測(cè)量時(shí)間并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在作業(yè)特點(diǎn)上比全站儀對(duì)向觀測(cè)法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在一定范圍內(nèi)，其精度可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ骨昂笠暷繕?biāo)高相等，還可滿(mǎn)足三等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求。

（6）觀測(cè)速度快，錯(cuò)誤率低，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。用水準(zhǔn)儀觀測(cè)，測(cè)量人員通過(guò)望遠(yuǎn)鏡讀取水準(zhǔn)尺上的數(shù)，速度慢，容易讀錯(cuò)數(shù)，而且眼晴容易疲勞。采用全站儀觀測(cè)，僅瞄準(zhǔn)目標(biāo)而已，讀數(shù)直接以數(shù)字顯示，因而讀數(shù)錯(cuò)誤的概率幾乎為零，速度也非常快。

6 全站儀中間法高程測(cè)量在油氣田的應(yīng)用實(shí)例

表3是冀東油田某基地測(cè)量中的高程控制測(cè)量數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證該控制網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性，分別利用四等水準(zhǔn)測(cè)量和GPS RTK擬合高程測(cè)量進(jìn)行檢校。

表3 冀東油田某基地高差計(jì)算對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)日益騰飛的今天，測(cè)繪技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，由過(guò)去的經(jīng)緯儀平板手工測(cè)圖發(fā)展到今天的GPS RTK數(shù)字測(cè)圖。但提高GPS RTK測(cè)量高程，需要精確確定測(cè)區(qū)擬合水準(zhǔn)面，所以，在實(shí)際測(cè)繪工作中，不論采取什么樣的作業(yè)方法，水準(zhǔn)高程測(cè)量是必不可少的工作，采用全站儀中間法高程導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量代替三 （四）等水準(zhǔn)測(cè)量，能有效提高高程測(cè)量工作效率。在實(shí)際工作中，選用這種既能確保精度，又能提高工作效率的測(cè)繪作業(yè)方法，不但能保障工程建設(shè)對(duì)測(cè)繪服務(wù)的要求，而且能有效提高測(cè)繪項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉惠明,張波,陳俊林.全站儀中間法高程測(cè)量及其精度探討[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,25（4）∶101-106.

[2]王有賢,程新春.中點(diǎn)全站儀法高程控制測(cè)量[J].公路與汽運(yùn),2003，（3）∶40-42.

Application of Elevation Polygonmetry with Total Station in Engineering Survey of Oil and Gas Fields

CHEN Xue-hu（Tangshan Jidong Oilfield Design Engineering Co.,Ltd.,Tangshan 063004， China），ZHANG Li-nan， LUO Jin-rui， et al.

For engineering survey of oil and gas fields,using the elevation polygonmetry with a total station to replace the third or fourth leveling can increase precision and reduce labour intensity effectively.The principle,method and advantages of the middle way trigonometric leveling with a total station are introduced and its measurement precision is analyzed in this paper.This method is more suitable for survey of biggish elevation difference areas such as mountains and hills.It can significantly increase survey efficiency because of agile selection of survey station position,no needs of survey station aligning and instrument height measuring,and easy operation.

engineering construction;engineering survey;elevation polygonmetry;precision

TB22

B

1001－2206（2010）02－0120－05

陳學(xué)虎 （1977-），男，青海湟中人，助理工程師，2001年畢業(yè)于本溪冶金高等專(zhuān)科學(xué)校，現(xiàn)從事測(cè)繪工作。

2009-10-26；

2010-02-08