CORS技術在油氣長輸管道測量中的應用

李建輝　林其明　古宗鵬　劉武廣

1.北京天下圖數據技術有限公司,　北京　101300；2.廣東省天然氣管網有限公司,　廣東　廣州　510425

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CORS技術在油氣長輸管道測量中的應用

李建輝1林其明2古宗鵬1劉武廣1

1.北京天下圖數據技術有限公司,北京101300；2.廣東省天然氣管網有限公司,廣東廣州510425

摘要：以廣東省天然氣主干管網二期工程為背景,對CORS技術在油氣長輸管道測量中的應用進行研究。通過對CORS技術和油氣長輸管道測量現狀的分析,闡述了CORS技術在油氣長輸管道控制測量、數字化管道建設及管道安全運營方面應用的技術思路與實施方法，得出了在油氣長輸管道測量中使用CORS技術比傳統測量方式更靈活方便,平面和高程控制測量成果整體精度更高,安全運營保障可操作性更強的結論。研究表明，CORS技術適合在油氣長輸管道測量中推廣應用,能提高長輸管道測量的工作效率,降低長輸管道測量成本,有效保障油氣長輸管道的安全運營。

關鍵詞：CORS；網絡RTK；長輸管道；數字化管道

0前言

管道運輸作為石油天然氣等能源的主要運輸方式,對保障我國經濟建設和能源安全有重要意義。為適應管道測量、數據采集與安全保障等方面的需要,開展了CORS技術在油氣長輸管道中的可行性與適用性研究。本文以廣東省天然氣主干管網二期工程為背景,參照相關規范對實驗數據進行分析統計,結合管道測量的特點進行適用性研究,特別提出了CORS技術在管道安全運營方面應用的技術思路和實施方法,可作為CORS技術在油氣長輸管道測量的應用依據。

1CORS技術

連續運行參考站系統(Continuously Operating Reference Stations,CORS)是網絡技術與GNSS定位技術、現代大地測量、地球動力學交叉融合的產物,通過建立覆蓋一定區域的一個或多個連續運行的GNSS參考站,利用計算機網絡技術,實時或準實時地向用戶提供多樣數據,包括不同類型的GNSS觀測值(載波相位、偽距等),對流層、電離層等各種GNSS誤差改正數,狀態信息以及授時等其他信息[1]。CORS系統由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發系統、用戶應用系統五部分組成,各基準站與監控分析中心間通過數據傳輸系統連接成一體,形成專用網絡。

嚴格來說CORS技術不是單一的技術,而是一系列技術和資源的集成。除了提供實時精密定位導航服務[2],CORS擁有高精度框架基準、連續不間斷數據資源、區域內間距均勻的分布特征，以及與區域內高等級控制點和似大地水準面建立的聯系,都可為各種不同類型的精密定位需求提供解決方案。

深圳市建立了我國第一個連續運行參考站系統(SZCORS)[3],已開始全面應用。全國部分省、市也已初步建成或正建類似的省、市級CORS系統。

2油氣長輸管道測量現狀

油氣長輸管道測量主要有線路測量、穿(跨)越工程測量、站址測量等,特點是線狀分布,地形地貌復雜多樣,經常穿越河流和道路,觀測條件通常較差,部分地區控制點稀缺。

油氣長輸管道測量按照傳統作業方式、技術原理、成果精度等特點,可分為五類，見表1。

表1油氣長輸管道傳統測量類別

測量類別作業方式/技術原理成果精度平面控制GPS靜態測量GPSD級精度高程控制水準測量、GPS高程擬合四等水準精度圖根控制、像控測量GPS-RTK、全站儀±5cm以內數字化管道測量、放樣GPS-RTK、全站儀±10cm以內日常巡線單點定位、手持GPS±10m以內

由于油氣長輸管道的線狀分布特點,GPS靜態測量時需要搜集管道沿線大量的高等級平面、高程控制點資料并分段進行觀測計算,管道線路勘測中的帶狀地形圖測繪、中線測量、縱橫斷面測繪都需要測量大量的地形及油氣管道專業要素,數字化管道建設中需要對大量碎部點,如焊口、閥門、彎頭、穿越、水保、陰保等進行定位測量,在運營階段的日常測繪、坐標放樣等方面也需要快速精確定位方法。為更好地服務于油氣長輸管道的建設和運營,需要一種更簡單快速精確的測量定位技術和安全保障解決方案[4]。

3CORS技術的應用

3.1油氣長輸管道控制測量方面

3.1.1首級控制測量

實施GPS靜態控制測量時,需搜集測區范圍已有的國家高等級控制點成果,按照逐級布設的原則向下發展,高等級控制點作為整個控制網的基準和起算依據[5]。但由于高等級控制點破壞嚴重,加上油氣長輸管道呈線狀分布的特點,找到足夠數量并能在網型上均勻分布且對管道控制網形成有效控制的高等級控制點往往較困難,控制點資料申請審批、點位踏勘、聯測解算也需要大量時間和經費。

CORS系統的高精度基準站坐標和不間斷觀測數據,提供了一種能夠替代聯測高等級控制點的作業方式,實施方法為：以靜態方式觀測控制點(可以是單獨一個或從網中選擇分別均勻的若干個點構成框架網),觀測完成后選取控制點周邊CORS基準站,采用長基線解算軟件和精密星歷進行基線解算,再以CORS基準站的精確坐標進行約束平差得到控制點在CORS系統下的成果,通過區域轉換關系和水準面模型得到管道控制網坐標系的成果。這種方式簡化了布網和觀測工作,節省了搜集資料和踏勘找點投入的時間及人力成本,并可獲得整體精度更好的成果[6]。

以廣東省天然氣主干管網二期工程首級控制網為例,將控制網中部和北部的國家Ⅱ等三角點作為起算點,但南部臨海區域的國家Ⅱ等三角點ZGLD被破壞,附近沒有其他可以使用的控制點,后采用基于CORS的聯測方式處理。在國家Ⅱ等三角點ZGLD上進行靜態觀測,然后選取ZGLD附近分布的3個廣東CORS基準站ZHGT、JWGT、GDTS作為起算,使用高精度數據處理軟件GAMIT和精密星歷進行聯測解算并進行平差和轉換工作[7],得到ZGLD與附近國家Ⅱ等三角點一致的平面成果,再聯合中北部的Ⅱ等三角點進行整網約束平差。控制點聯測圖見圖1。

圖1　采用CORS基準站聯測方式進行控制點加密

3.1.2圖根控制測量

CORS技術是利用區域內網狀分布的基準站的載波相位觀測數據,以一個或多個基準站為基準計算和發播GNSS改正信息,對該區域內的用戶進行實時改正定位的技術。由于通過差分消除了絕大部分誤差,因此達到厘米級的定位精度[8]。CORS系統為區域(一個城市、省級行政區甚至更大的區域范圍)提供統一基準,解決不同行業測量成果的兼容性問題[9],測量作業穩定性及成果可靠性更強,可以應用于油氣長輸管道圖根控制測量。測量時使用帶有撥號模塊的GPS雙頻接收機,通過GPRS/CDMA等方式連接到CORS中心服務器,獲取差分改正數,完成初始化后即可測量,整個操作用戶只需單機進行架站、連接及觀測[10]。

為驗證CORS的觀測精度和轉換參數精度,選取廣東省天然氣主干管網二期工程的部分圖根控制點進行GPS靜態觀測,實測時每個點按2個時段、每次不低于60個歷元進行,再利用廣東CORS提供的坐標轉換服務將觀測成果轉換到1980西安坐標系成果,實測點的觀測精度統計情況見表2、3，GPS靜態觀測成果與CORS測量成果的對比情況表見4。

通過觀測精度統計和轉換結果的外部檢核可以看出,CORS技術應用于圖根控制測量滿足規范精度要求。

表2單次初始化各方向標準差與內符合精度統計

m

表3重復觀測精度統計

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表4GPS靜態觀測成果與CORS測量成果比對

m

3.1.3高程控制測量

目前，國內大多數省市級CORS中心與當地似大地水準面精化模型都建立了聯系,可實時或事后通過格網內插求取國家高程基準成果。似大地水準面模型是以一定分辨率建立的區域高程異常格網,在區域內任何位置都可采用內插數值方法獲取該位置的高程異常,根據觀測得到的大地高轉換到正常高。這種模式減少了繁重勞動,避免誤差積累對精度的影響,尤其對長輸管道的線狀地形,避免分段GPS高程擬合帶來的分段重疊地區成果不一致的情況[11]。

對利用似大地水準面精化模型求取高程的方法進行可行性研究。通過CORS獲取實測點的經緯度和大地高，再使用廣東省似大地水準面工具通過內插獲取實測點的正常高，將此結果與水準測量成果進行比對，成果較差見圖2，精度統計見表5。

圖2　似大地水準面計算高程與水準測量成果較差

表5似大地水準面計算高程與水準測量成果精度統計

統計項高差Δ?H㊣/m最大值0.079次大值0.063最小值0.001外符合精度0.037

從表5可知,使用似大地水準面精化模型求取高程能滿足油氣長輸管道高程控制測量的要求。需注意的是,區域似大地水準面精化模型在某些局部可能與當地正常高系統存在系統偏差,根據實際情況確定系統偏差并加以改正,可以使高程成果最大程度地符合當地正常高系統[12-13]。

3.2數字化管道建設方面

數字化管道是指以信息基礎設施為基礎,以多尺度、多種類的空間基礎地理信息為支撐的管理和決策支持系統[14]。數據采集是數字化管道的基礎,采集的內容主要包括施工測量數據、施工過程數據,檢測信息等。其中測量數據主要包括焊口、閥門、彎頭、穿越、水保、陰保等碎部點的坐標信息。由于油氣長輸管道的分布特點,碎部點往往處于上空遮擋、信號干擾、多路徑反射、通訊條件差等極端環境,因此常規測量方法需結合多種觀測手段(如常規RTK加全站儀的方式)進行。

油氣長輸管道的分布范圍廣、線路長,如果采用常規RTK進行數字化測量,測量精度隨移動站與基準站的距離增加而降低[15],相對于常規的RTK方式,CORS技術具有不需架設基準站、區域內精度一致、不受基準站距離影響的優點,可以應用于數字化管道建設。

在廣東省天然氣主干管網二期工程中選取部分能夠反映環境特征的碎部點位置,如城市街區、山地、林地、河流穿越點等,采用CORS技術進行測量并對測量結果進行檢驗，得出：

1)在無明顯遮擋、通訊條件良好的碎部點,使用CORS技術測量初始化迅速,觀測精度高。

2)在遮擋嚴重或通信信號差、無法完成初始化的焊口位置,可采用CORS技術在附近觀測條件較好的地點測定2～3個圖根控制點,采用全站儀以支導線或后方交會的方式觀測并求解加密圖根點,再對焊口進行觀測。

3)在完全沒有通信信號且附近沒有可用控制點的碎部點位置如山區,可采用基于CORS技術的靜態觀測方式測定2～3個圖根控制點,采用全站儀以支導線或后方交會的方式觀測并計算溝邊木樁圖根點,再對焊口進行觀測。

4)目前接收機普遍配置性能良好的扼流圈天線,在大面積水域附近如河流穿越點測試時沒有明顯感覺到多路徑反射的影響,觀測效果良好。

5)在一天的大多數時間使用CORS技術都可以正常作業,但在低緯度地區,每天午后電離層TEC指數達到峰值的2～3 h內,平均初始化所需時間明顯增加,高程精度下降,可通過電離層TEC的預報及規律合理擬定作業計劃來解決[11,16]。

3.3管道安全運營方面

3.3.1日常安全維護機制

巡線是管道運營日常安全維護機制最主要的內容,巡視內容包含閥門井、調壓設備、管線(包括托管管線)、標志(標志樁、標志釘、標志磚)、陰極保護測試樁、第三方施工、地質災害等。

目前電力、電信及油氣等行業相繼開發了基于GPS的嵌入式巡線系統,這些系統定位方式一般都以GPS偽距單點定位,定位精度范圍在幾米到幾十米,在油氣長輸管道的巡線上不能滿足精確定位的要求。基于CORS技術的網絡RTD服務為多基站偽距差分,不需要雙頻接收機,1臺手持PDA即可解決,定位速度快,精度優于0.5 m,而且不受距離制約[17],非常適用于油氣長輸管道的日常巡線。

3.3.2應急響應快速定位

由于城市建設步伐的加快,長輸管道沿線施工活動頻繁,威脅管道的安全運營,管道保護成為管道安全運營的重點[18]。在油氣長輸管道日常運營中,為預防施工開挖造成的第三方破壞,經常需要在施工現場快速定位地下管道并在地面加密警示樁。采用CORS技術可以滿足這種應急響應的需求,使用CORS技術進行油氣長輸管道應急定位,與傳統RTK測量作業方式相比,用戶不需架設參考站,1臺雙頻GPS接收機就能工作,真正實現單機作業,減少儀器投入費用,還可以減少因參考站搬遷可能造成的區域定位精度不一致的問題。

通過數字化管道系統或竣工測量成果查詢,獲取管道竣工時采集的數據,如焊口、彎點、套管、補傷點等碎部點的坐標,現場采用CORS技術直接放樣定位到管線點,或使用CORS技術布設加密圖根點、再使用全站儀放樣,確定目標點的精確位置,結合管線探測儀進行檢查確認。在地面上加密埋設警示樁,并輔以重點巡視確保管道安全[19]。

3.3.3管道內檢測定位

管道內檢測是利用在管道內運行的可實時采集并記錄管道信息的檢測器所完成的檢測[20]。可以準確地檢測出管道腐蝕、開裂、皺折等缺陷情況,通過風險評價對管道進行安全維護,避免管道事故發生,有效促進管道的安全運營。

管道內檢測定位,分為內檢測實施前的內檢測磁力盒定位和內檢測完成后的管道缺陷定位。內檢磁力盒是內檢測特征點及缺陷點定位的基準點,其精度直接影響到內檢測成果的可靠性。使用CORS技術放樣缺陷點坐標,指導現場開挖修復缺陷點,內檢測缺陷點的定位準確性尤為重要,開挖結果直接影響內檢測的可靠性。CORS技術應用于油氣長輸管道內檢測定位,對比常規的單基準站RTK作業模式,提高了測量工作效率,具有實施成本低、定位精度高、實時性強等諸多優點。

4結論

作為一種維持高精度參考框架的基礎設施,CORS技術提供了多種可以滿足不同層次定位需求的解決方案。通過對CORS技術和油氣長輸管道測量現狀與需求的分析,以廣東省天然氣主干管網二期工程為背景,對CORS技術在油氣長輸管道控制測量、數字化管道建設、管道安全運營等方面的應用進行了論述，相對于油氣長輸管道測量的傳統作業方式,CORS技術的應用使得作業更為靈活方便,平面和高程控制成果整體精度更高,在安全運營保障方面也更具可操作性,具有重要的推廣價值。

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收稿日期：2015-12-10

作者簡介：李建輝(1982-),男,湖南安化人,高級工程師,注冊測繪師,學士,主要從事測繪、軟件開發、數字管道、管道完整性管理等相關工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.024