GPS RTK技術在阿布扎比原油管道工程測量中的應用

■ 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技術在阿布扎比原油管道工程測量中的應用

■ 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的系統組成、測量原理，總結了GPS RTK測量技術的特點，結合工程實踐探討了RTK技術在管道工程施工測量中的應用。

GPS-RTK 管道施工 工程應用

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合總承包，是中石油管道局第一次踏入阿聯酋高端石油管道建設市場。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）在該工程中承擔著從HABSHAN油區到阿布扎比與沙迦接壤處的304km管道施工安裝任務，工程建設全部采用歐美標準，起點高，要求嚴，其中有170km位于沙漠、沙丘段，地形起伏大，交通不便，工程測量任務重，掃線、管溝開挖、管道數字化信息采集、竣工圖以及各種附屬設施的定位，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(GPS)簡介

2.1 GPS的組成

GPS（Global Position System）是由美國研制的導航、授時和定位系統。該系統主要由一個基準站、一個或若干個移動站、通訊系統3大部分組成。該系統可以向全球任何用戶全天候地連續提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術參數。隨著GPS工作衛星的不斷入軌和GPS接收機性能的不斷提高和改進，GPS測量技術已廣泛應用于全球經濟建設的各個領域。

2.2 GPS RTK測量的基本原理

RTK是實時動態測量(Real-time Kinematics)的縮寫。常規的GPS測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行計算才能獲得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，基準站將接收到的衛星信息及基準站信息一起由通訊系統傳送給各移動站。移動站完成初始化后，通過數據鏈接收來自基準站的數據，同步觀測采集GPS觀測數據，通過在系統內差分處理求解載波相位整周模糊度，得到基準站和移動站之間的坐標差值(△X，△Y，△H)，差值加上基準站坐標則可得到移動站點的WGS-84坐標，再經過坐標轉換和投影改正，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(X，Y，海拔高H)及相關的精度指標[1]。

2.3 GPS RTK測量技術的優勢

（1）測站之間無需通視。這一優點可大大減少管道測量外業工作的經費和時間，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，這是傳統測量方法不可比擬的。

（3）觀測時間短。據權威數據顯示，現在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，數據是即時更新的，也就是說接下來的測量僅僅需要測點之間的移動時間，即可連續獲取所需數據。

（4）實時提供三維坐標。RTK能實時地解算出所在位置的空間三維坐標，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，測量員的主要任務只是安裝并開關儀器、量取儀器高度、監控儀器的工作狀態和采集環境的氣象數據，而其他觀測工作，如衛星的捕獲、跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成。

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

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

3 GPS RTK技術在管道施工測量中的應用

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揮了GPS各方面的優勢，經過多方的復核和校驗，它的精度指標完全滿足高端市場管道施工測量的需要，可以廣泛應用于長輸管道工程測量的各個方面。

3.1 控制測量

傳統的大地測量、工程控制測量采用三角網、導線網方法來施測，不僅費工費時，要求點間通視，而且精度分布不均勻，且在外業期間不知精度如何；采用常規的GPS靜態測量、快速靜態、偽動態方法，在外業測設過程中不能實時知道定位精度，如果測設完成后，回到內業處理后發現精度不合要求，還必須返測。而采用GPS RTK技術來進行控制測量，能夠實時得到定位精度，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，使管道待定位的設施位于測量控制點的工作范圍內，需要將丟失或者松動的控制點進行重新加密，方便測量定位作業的實施。在進行控制樁加密時，可以選擇附近的一個較高精度的控制點作為基準站，用RTK測量的方法，對需加密的控制點進行坐標的定位，得到該控制點的WGS-84坐標，再在加密的控制點所覆蓋的作業范圍內進行管道設施的施工測量作業，這樣利于作業范圍內測量精度和作業效率的提高[2]。見圖1， 指示水平位置精度； 指示垂直位置精度； 指示電臺數據鏈的通信質量。

3.2 放樣測量

以往我們主要采用全站儀進行放樣，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，還要進行轉站。若附近無控制點，則要先引點。現在采用RTK技術進行放樣，只要把放樣點的坐標輸入到手簿中，測量員背著GPS接收機，RTK系統在行進中不斷計算測站位置、偏移量，因此測量員可以根據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。當然，其精度也較高，各放樣點的誤差影響也是獨立的。此外，RTK特別適合于進行管道線路的放樣，其特點表現在以下幾個方面：

3.2.1 點位放樣：RTK實時地提供導航數據，不僅可以快速的找到點位，而且還能提供定位精度，并可進行采點；

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航數據能快速上線，一旦到達待定直線，手簿屏幕上就顯示到達并提示，便可存儲點位坐標，直至完成；

3.2.3 曲線放樣：先設定好曲線，如圓曲線或緩和曲線參數，中線、邊線等，導航數據將快速引導上線。由于RTK 測量用于放樣，無需對講機傳遞導航數據和方向，靠流動站的導航畫面，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軟件進行土方工程量計算

阿布扎比項目中的沙漠地段長達170km，由于沙丘段起伏大，管線鋪設前必須進行作業帶平整，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，需要將施工區域內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行工程量的最終校核提供參考，必須對現場土方量進行精確測量計算。

使用RTK測量技術可以采集到精度較高的地形特征點的三維坐標，而且采集速度快、控制區域大，并能多個流動站同時采集，是進行現場野外數據采集的首選方案。通過對施工區域進行動土前后兩次測量，將兩次采集到的數據在CASS軟件中建立數字地面模型（DTM），并進行疊加，DTM建成后即可自動進行土方工程量計算，比傳統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 數字化管道測量和GIS數據采集

利用GPS RTK的點測量程序可以對管線點：如焊道、陰極保護點、三樁、各種穿越點的位置和閥室等設施的坐標和位置進行三維坐標的采集，采集到的數據自動保存在電子手簿中，該數據可作為GIS的重要信息源。RTK在數據采集時，可以將管道不同設施點的屬性加進去，對應于每個點的三維坐標，再進行一定的數據處理，可以生成適應GIS平臺數據格式要求的基礎資料數據庫，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，可不用布設圖根控制點，僅依據少量的基準點，即可直接測定地形地物點坐標和高程數據。利用RTK快速定位和實時得到三維坐標的特點，在一定的測量環境中可以進行地形的碎部測量。地形點的測量可以在數據采集的功能下進行，也可以根據現場地形的實際情況進行測量。野外作業時，僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點站立1～2s，并同時輸入設定的特征編碼，通過手簿可以實時查看點位精度，把一個區域測完后回到室內，采集完的地形點坐標經過成圖處理，由專業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，并在作業效率上有了很大的提高。GPS定位技術的發展，對于經典的測量技術是一次重大的突破，一方面，它使經典的測量理論與方法產生了深刻的變革；另一方面，也進一步加強了測量學與其他學科之間的相互滲透，從而促進管道測量技術的現代化發展。

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

2 丁長福.RTK技術在數字化管道測量中的應用[J].北京：科學決策.2008，（11）.

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

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1672-9323（2010）06-0066-03

2010-08-24）