■ 吕玉宏 中国石油天然气管道局第二工程分公司 江苏徐州 221008

GPS RTK技术在阿布扎比原油管道工程测量中的应用

■ 吕玉宏 中国石油天然气管道局第二工程分公司 江苏徐州 221008

文章阐述了GPS的系统组成、测量原理，总结了GPS RTK测量技术的特点，结合工程实践探讨了RTK技术在管道工程施工测量中的应用。

GPS-RTK 管道施工 工程应用

1 前言

阿布扎比原油管道工程（以下简称：阿布扎比项目）由中国石油工程公司和中石油管道局联合总承包，是中石油管道局第一次踏入阿联酋高端石油管道建设市场。中国石油天然气管道局第二工程分公司（以下简称：管道二公司）在该工程中承担着从HABSHAN油区到阿布扎比与沙迦接壤处的304km管道施工安装任务，工程建设全部采用欧美标准，起点高，要求严，其中有170km位于沙漠、沙丘段，地形起伏大，交通不便，工程测量任务重，扫线、管沟开挖、管道数字化信息采集、竣工图以及各种附属设施的定位，都离不开测量工作的密切配合。因此必须选择一种测量速度快、精度高的测量仪器来满足高端市场管道施工测量的需求。

2 全球定位系统(GPS)简介

2.1 GPS的组成

GPS（Global Position System）是由美国研制的导航、授时和定位系统。该系统主要由一个基准站、一个或若干个移动站、通讯系统3大部分组成。该系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。随着GPS工作卫星的不断入轨和GPS接收机性能的不断提高和改进，GPS测量技术已广泛应用于全球经济建设的各个领域。

2.2 GPS RTK测量的基本原理

RTK是实时动态测量(Real-time Kinematics)的缩写。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行计算才能获得cm级的精度，而RTK是能够在野外实时得到cm级定位精度的测量方法。在使用RTK测量定位时，基准站将接收到的卫星信息及基准站信息一起由通讯系统传送给各移动站。移动站完成初始化后，通过数据链接收来自基准站的数据，同步观测采集GPS观测数据，通过在系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，得到基准站和移动站之间的坐标差值(△X，△Y，△H)，差值加上基准站坐标则可得到移动站点的WGS-84坐标，再经过坐标转换和投影改正，即可实时计算并在手簿屏幕中显示出移动站点位的cm级精度的三维坐标(X，Y，海拔高H)及相关的精度指标[1]。

2.3 GPS RTK测量技术的优势

（1）测站之间无需通视。这一优点可大大减少管道测量外业工作的经费和时间，极大地提高了工作效率，同时也使点位的选择变得更为灵活。

（2）定位精度高。RTK的定位精度一般为：平面:10mm+2ppm，高程：20mm+2ppm。而且GPS测量有着误差不累积的特点，这是传统测量方法不可比拟的。

（3）观测时间短。据权威数据显示，现在GPS的OTF（on-the-fly）初始化时间一般小于1min，最快8s，而且RTK初始化时间为典型15s，初始化之后的测量过程中，数据是即时更新的，也就是说接下来的测量仅仅需要测点之间的移动时间，即可连续获取所需数据。

（4）实时提供三维坐标。RTK能实时地解算出所在位置的空间三维坐标，并在手簿屏幕上显示出来。

（5）自动化程度高，操作简便。在观测中，测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高度、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。

（6）无线信号覆盖远，观测距离长。RTK作业半径：标称：15Km，一般应为：6-10Km，特别适合长输管道野外测量作业线路较长的实际特点。

（7）全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。

3 GPS RTK技术在管道施工测量中的应用

在阿布扎比项目施工测量中，管道二公司配备了两套拓普康GPS测量仪器，手簿型号为FC2000，安装的软件为Top-SURV。两年来的使用情况表明，长输管道工程施工测量工作充分发挥了GPS各方面的优势，经过多方的复核和校验，它的精度指标完全满足高端市场管道施工测量的需要，可以广泛应用于长输管道工程测量的各个方面。

3.1 控制测量

传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业期间不知精度如何；采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测。而采用GPS RTK技术来进行控制测量，能够实时得到定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，这样可以大大提高作业效率。

在阿布扎比项目施工测量过程中，位于沙漠段的控制桩经常会受到沙暴的影响，造成控制桩被埋或者松动。为了保证测量的精度，使管道待定位的设施位于测量控制点的工作范围内，需要将丢失或者松动的控制点进行重新加密，方便测量定位作业的实施。在进行控制桩加密时，可以选择附近的一个较高精度的控制点作为基准站，用RTK测量的方法，对需加密的控制点进行坐标的定位，得到该控制点的WGS-84坐标，再在加密的控制点所覆盖的作业范围内进行管道设施的施工测量作业，这样利于作业范围内测量精度和作业效率的提高[2]。见图1， 指示水平位置精度； 指示垂直位置精度； 指示电台数据链的通信质量。

3.2 放样测量

以往我们主要采用全站仪进行放样，一般至少需要两人合作，且要求测站点与放样点要通视才行，若不通视，还要进行转站。若附近无控制点，则要先引点。现在采用RTK技术进行放样，只要把放样点的坐标输入到手簿中，测量员背着GPS接收机，RTK系统在行进中不断计算测站位置、偏移量，因此测量员可以根据手簿屏幕上的提示径直走到放样点上，放样像走路一样轻松完成。当然，其精度也较高，各放样点的误差影响也是独立的。此外，RTK特别适合于进行管道线路的放样，其特点表现在以下几个方面：

3.2.1 点位放样：RTK实时地提供导航数据，不仅可以快速的找到点位，而且还能提供定位精度，并可进行采点；

3.2.2 直线定位：直线定位最常用于线路放样。测量程序显示出的定线导航数据能快速上线，一旦到达待定直线，手簿屏幕上就显示到达并提示，便可存储点位坐标，直至完成；

3.2.3 曲线放样：先设定好曲线，如圆曲线或缓和曲线参数，中线、边线等，导航数据将快速引导上线。由于RTK 测量用于放样，无需对讲机传递导航数据和方向，靠流动站的导航画面，就能轻松上点、上线；并且仅需一个人就能完成放样工作，极大的提高了工作效率[3]。

3.3 GPS RTK配合CASS软件进行土方工程量计算

阿布扎比项目中的沙漠地段长达170km，由于沙丘段起伏大，管线铺设前必须进行作业带平整，对于起伏较大地段的动土量将是十分庞大；中间站主体施工前，需要将施工区域内表层土和沙丘移出站外，涉及土方量约70万方，由于是分包工程，施工完成后必须精确计算土方量。因此，为编制施工计划和进行工程量的最终校核提供参考，必须对现场土方量进行精确测量计算。

使用RTK测量技术可以采集到精度较高的地形特征点的三维坐标，而且采集速度快、控制区域大，并能多个流动站同时采集，是进行现场野外数据采集的首选方案。通过对施工区域进行动土前后两次测量，将两次采集到的数据在CASS软件中建立数字地面模型（DTM），并进行叠加，DTM建成后即可自动进行土方工程量计算，比传统的测量和计算方法要省时、省力，而且精度高。三维立体模式下显示的沙漠段地形起伏情况，见图2。

3.4 数字化管道测量和GIS数据采集

利用GPS RTK的点测量程序可以对管线点：如焊道、阴极保护点、三桩、各种穿越点的位置和阀室等设施的坐标和位置进行三维坐标的采集，采集到的数据自动保存在电子手簿中，该数据可作为GIS的重要信息源。RTK在数据采集时，可以将管道不同设施点的属性加进去，对应于每个点的三维坐标，再进行一定的数据处理，可以生成适应GIS平台数据格式要求的基础资料数据库，并易于修改和完善。

3.5 地形测量

大比例尺地形图测绘中使用RTK，可不用布设图根控制点，仅依据少量的基准点，即可直接测定地形地物点坐标和高程数据。利用RTK快速定位和实时得到三维坐标的特点，在一定的测量环境中可以进行地形的碎部测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量。野外作业时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点站立1～2s，并同时输入设定的特征编码，通过手簿可以实时查看点位精度，把一个区域测完后回到室内，采集完的地形点坐标经过成图处理，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率。

4 体会

GPS RTK的特点使测量和放样工作变的简单方便和耳目一新，它的应用在很大程度上综合代替了其他几种不同的测量仪器，并在作业效率上有了很大的提高。GPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破，一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革；另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进管道测量技术的现代化发展。

1 米鸿燕，蒋兴华.GPS-RTK技术在测绘大比例尺地形图的应用探讨[J].昆明：昆明冶金高等专科学校学报.2005，21(3).

2 丁长福.RTK技术在数字化管道测量中的应用[J].北京：科学决策.2008，（11）.

3 钟仁福.GPS RTK在工程放样中的应用研究[J].北京：中国高新技术企业.2009，（5）.

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1672-9323（2010）06-0066-03

2010-08-24）