GPS土地测量应用技术在东营市垦利区天然气管道中的施工应用研究

王红军

【摘要】天然氣管道施工与测量工作对于市政基础工程建设而言是非常重要的， GPS技术是一种较为成熟的测量手段，具有效率高、准确率好的特点，在天然气测量和施工中也是常用的技术手段。本文以GPS测量技术在天然气管道中的施工应用为研究对象，同时借助东营市垦利区天然气工程的具体案例，用来明确应用的要点与过程，能为同类工程提供参考。

【关键词】GPS 技术;天然气;工程;测量;应用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.02.060

引言：

GPS是已经发展成熟的技术，其能够作用于高精度定位与导航，同时随着数据库的完善和GPS精度的提高，在测量领域中也有了较为广阔的应用。GPS测量相比于传统的测量方式，不受环境与操作条件的影响，在长距离、大范围的测量中，也有优异的精度和准确性，随着技术的普及和相应设备的完善，GPS测量技术也已经成为了测量行业中的主要技术形式。天然气管道的施工与测量工作通常工作区间较大，对于远距离测量和广范围测量中，如何保持效率与精确度成为了行业内所探索的问题[1]。而GPS技术从原理和使用上都有着较为明显的优势，在天然气管道的施工工作中也是适用的技术形式。

1、GPS测量技术原理

1.1 单一GPS技术的工作原理

GPS技术依靠卫星进行通信，它本质上是一种定位与导航系统。在整个定位系统中可以将地球简化为一个三维立体坐标系，而卫星就是在坐标系以外进行测量的装置，使用时有专用的用户接收机与卫星进行通信，而后卫星对该用户接收机的位置进行精准定位。

GPS技术中，卫星与用户接收机之间确定的是位置坐标，若想进行测量，则需至少由两部用户接收机同时与卫星通信，并借助同一坐标系计算出两个接收机的坐标，利用相对坐标的形式，从而计算出两点之间的距离。在实际操作中也可将一台接收机变为固定的测量基站，另一台接收机进行动态测量，并得到与基站的相对方位和距离，再通过计算即可得出所有点位互相之间的相对方位与距离[2]。

1.2 GPS技术与动态定位的测量基本原理

除GPS之外，为了保证测量数据的准确性和效率性，一般与动态定位技术结合使用，但其本质上还是利用GPS卫星进行定位。在实际测量工作中，通过建立一固定坐标的基站，而基站通过短波与测量点接收机进行通信，作为距离方位的验算，同时根据卫星结果进行数据修正。整个过程由仪器自动完成，能够对GPS测量结果进行可信化处理。而当前GPS技术的高速发展以及其他辅助测量措施的成熟，在 GPS技术应用的过程中，几乎不会出现测量误差过大或GPS无法使用、卫星无法通信的问题，这也使得了结合GPS的测量技术在各个行业中的普遍应用与发展[3]。

2、GPS技术优势

2.1 测量效率高

在传统的测量之中，需要保证各个测量点之间具有良好的视野，并且需要至少两组设备和工作人员进行逐个点位的测量与验算工作，而数据的读取记录也来自人工。GPS技术依赖于卫星通信与计算机数据处理，在测量的过程中只需按要求操作即可得到数据，也不需要进行固定点位的频繁布置和点位之间的相互验算，计算与处理过程由计算机软件辅助处理，都有着较高的效率性。

2.2 测量结果准确

与传统测量方式不同，GPS测量技术依赖于卫星通信确定坐标的形式，得到测量结果。目前我国能够用于测量方面的通信卫星也不在少数，几乎所有区域都能被GPS卫星有效覆盖，且至少有3个可用卫星同时与测量点位通信为测量服务。在取得数据之后，计算机软件会根据信号强度、不同卫星反馈的数据进行可信性分析，当时也有其他地面短波通信技术和大地相对坐标的辅助，能够提升在测量过程中的数据精准度。当前情况下，在GPS通信正常的情况下，测量精度一般在100mm/1km以上，相对于传统的人工测量方式而言，在大体量长距离的测量工作中，GPS技术能够表现出优良的测量结果，也能为后续工作提供坚实的数据支撑[4]。

2.3 操作便捷

当前GPS技术已经发展得愈发成熟，GPS在测量时不需要在地面固定点位，也不需要大型的信号搜索设备和电源供给设备。GPS技术的测量操作比较简单，它的基本原理与传统测量是相似的，都是得到2点之间的距离与方位，进而进行下一步的数据处理和图纸绘制工作[5]。一般而言根据待测量区域的平面图，利用手持终端即可获得待测量点位的精准位置数据，可在信息系统中将该点位进行标注，即使不在该点位布设测量仪器和工具，在进入其他点位时也能实时计算出该点的距离与方位。

2.4 测量综合成本低

传统的测量工作通常有大量的人力与物力资源投入，同时需要专业技术人员对数据进行分析和处理，而GPS技术的应用，其设备简单操作便捷，通常能够将人员缩减为原先的一半以上。GPS测量技术还无需进行数据验算和复杂的数据处理流程，大部分工作均能交由计算机软件自动进行处理。整个过程中能够节约资源与时间，使整个工程项目的综合成本降低。

3、GPS测量技术在天然气管线中的应用

3.1 静态 GPS 控制测量

静态GPS测量主要是测量单个点位的位置坐标或相对距离，它在天然气管道测量工作中，通常用于点位的校准和定位工作。在进行静态点测量时需要在区域内有固定点位并已知该点位的坐标，单一点位的静态测量工作通常是在整体测量之后，并进行相应的点位布置或施工工作开始之前，用于验证点位位置是否正确，在设备调试妥当且应用环境无异常的前提下，能够简单快速地得到测量数据。

3.2 管线点测量

管线点就是用于标识管线位置和方向的点。管线的测量工作中，将所有管道走向一一画出是不现实的，能够指示管道的走向与方位，通过布置管线点的形式，将所有点按照方位指示与距离相连即可得到该区域的管线网络[6]。传统测量中需要通过不断加密管线点的方式来精确得到测量结果，而采取GPS的方式，因其能够进行实时的动态测量，故对于管线点的测量工作而言，将会变得简单而又便捷。

3.3 图根点测量

图根点是在测量网中所使用的，在绘制平面图的时候要先在图纸上面绘制控制点，根据这些控制点，再进行加密测绘，这些基础的控制点即为图根点。图根点的准确程度与测量整体工作的成果息息相关。实际测量工作中需要对图文点进行反复验算多次测量，并采取可靠的数据来源。传统的测量工作仅能通过增加测量次数的方式，或从不同角度多次对图根点展开测量工作以提高精度，使用GPS技术可采取不同时间段不同卫星的数据用来进行验证，而多次验证的工作，可在同一时间内交由计算机软件自动完成。针对于图根点的精度，只要周围没有极大障碍物的遮挡，一般而言均能保障图根点准确性。

4、GPS测量技术应用流程与要点

4.1 测量前准备工作

测量的准备工作主要分为仪器和人员两个方面。在测量工作开始之前，要根据测量项目的实际情况选取恰当的测量仪器。一般而言，普通GPS+RTK测量装置即能满足绝大部分工程项目的测量需求，若在测量区域中有较多障碍物或有人不便到达的位置，也可通过无人机辅助进行目标点测量工作。人员的准备主要是确定测量团队的人员配备，除了专业技术人员之外，后勤保障也需有专人负责。

4.2 图根点与测量基准点的确定

在测量任务开始之前应确定本次测量任务所参照的坐标系与标准点，而后在整个任务中所有的数据处理均依照该标准点进行处理。测量参照依据的统一化，能够减少后期数据处理的难度，也能提高准确性。对于有高精度需求的工程可进行多次测量，每次选取不同基准点的形式依次验证测量结果是否准确。一般而言选取图根点与基准点的过程中，需要保障该点位的卫星信号畅通，测量时数据准确。图根点与测量基准点的标准化确定有利于后期测量工作数据处理的准确性，也应避免影响测量工作的进行，防止反复更改或修改参照系造成的数据误差累计[7]。

4.3 测量任务设计

测量任务需要进行专项设计，设计的内容主要是测量的方式方法以及测量点的选取工作。进行设计时，应由专业技术人员与测量操作人员共同参与。设计过程中应考虑设计方案的可行性与效率性，同时要兼顾能否便于现场操作。设计方案在完成之后，可出具模拟的测量数据进行复核，便于验证该测量方案能够完成目标任务。

4.4 正式测量

测量任务中应参照测量方案与任务设计内容进行测量的执行工作，测量中仪器的使用遵循标准操作原则，测量的数据应进行可靠记录。在测量过程中应明确障碍物和天气对测量结果的影响，若使用的测量方案和仪器对环境和外界因素有一定要求，则需确定外界要求满足再开展测量工作。测量的过程中可通过数据分析终端对测量到的数据实时验证，若有誤差极大的不合理数据，应分析原因进行重新测量、更换设备、更换操作方法的方式处理，确保后续数据的可信性。

4.5 数据整理与分析

当所有测量任务完成之后，进入数据整理与分析环节。通过测量到的数据进行整理和分析，并根据项目的实际需求进行测量结果输出。数据整理过程中同时进行误差数据排除工作对于点位缺失或误差较大的位置应及时进行补测。通过多方面的数据完善和准确性保障，最终利用可靠的数据整理相应工作成果。

5、东营市垦利区天然气管道案例应用

5.1 案例概况与案例目标

该案例为山东泰正测绘地理信息有限公司进行的真实测绘项目，案例位于东营市垦利区，项目为一复合型项目，目标之一为石油天然气管道测绘。该案例中，油气管线普查范围为垦利区全域2330平方公里内，测绘管线种类包括输油管线、天然气管线，约计285公里的地下管线。整体待测量区域可分为三个部分，中间为凸起，南北两侧为凹陷。该区域地处滨海位置，但对于测绘工作开展影响不大。

经初步考察，测区周围有东营市勘察测绘院布设的D级GPS控制点及四等水准点，同时具备1980西安坐标系和CGCS2000国家大地坐标系坐标，经检查精度符合规程要求，可用作一级以下平面和高程控制的起算点使用。山东省CORS系统在东营地区已实现全覆盖，可在一级以下平面控制测量中使用。多方验证，该区域可借助GPS技术进行管线的测绘工作。

5.2 前置工作准备与资料收集

外业管线探测前，山东泰正测绘地理信息有限公司协调测区内管线权属单位，对测区管线大致位置、走向、材质、建设年代、规格、运行状态进行调绘，以作为外业管线普查作业时参考。同时根据项目需求和实际情况，配备了地下管线探测仪（型号：SENNR-6018A）、GPS（RTK）接收机（型号R8-2、R8-3）、全站仪（型号：ES-602G）、水准仪（型号：S3BZ-1、DS32）作为测量工作中的主要器械，同时配备了有毒气体监测仪、干粉式灭火器和其他必要设备作为安全防护工具。

5.3 实施流程

5.3.1 坐标转换

该案例处于GPS信号覆盖区域，当地已经有了成熟的GPS参照系。为了便于后续数据处理与信息化交流，该案例使用CGCS2000 国家大地坐标系作为基准坐标系，通过坐标转换参数将所需要的坐标数据转换至目标坐标系，这些坐标系包括 WGS-84 坐标系、CGCS2000 国家大地坐标系、1954 年北京坐标系。转换参数采用 3 点以上的高等级平高控制点的两套坐标成果进行求解，控制点的 WGS-84 坐标和 1954 年北京坐标系坐标通过 GPS RTK 方法按一级控制点测量方法测定。该过程的质量保证主要通过四测回测量的形式，天线应采用三角支架架设，点位中误差不大于±50mm，每测回 10 次记录测回间隔 60s 以上，并重新初始化，两测回间平面坐标分量互差2cm，高程互差 3cm。一般应求解七参数进行坐标转换。

5.3.2图根控制测量

为了便于沟通与数据处理，在案例中的图根控制点编号，用汉语拼音缩写加序号的形式表示，序号自西至东、自南至北编排，如西四路最南端的图根点编号为“XSL01”。图根点的测量方式为 RTK 动态测量平面坐标，利用图根水准联测高程。

在进行RTK的测量作业中，基准站架设在D 级以上控制点上，两测回测定，并通过回测的方式来确保数据准确。多次测量之间有至少一分钟的时间间隔并对仪器进行初始化。为了加强图根控制点的经度，RTK测量后采取图根水准联测。在进行图根控制点的编号和测量过程中，均根据实际的工程需要进行，同时通过多种仪器设备采取多次测量的方式，以减少误差。

5.3.3 管线测量工作

该项目在进行测绘工作的同时，还将地下管线进行了勘察作业。故在进行测绘的过程中，借助勘察阶段的工作成果，拿到一份 1：500 探查草图，图上标注有物探点号、管线走向、位置及连接关系等，作为开展管线测量的依据。

地下管线点的位置联测，使用全站仪以导线串测法、极坐標法、GPS RTK 或采用网络 RTK 定位方法进行。各种管线点均以全站仪或 GPS 定位仪直接测定，通过内存存贮通讯至计算机得到采集资料。最终将采集资料汇总并整理得出工作成果。

5.4 案例总结与分析

该案例中的项目除了需要进行地下管线的测绘工作之外，还同时进行管道勘察与信息数据库的建立工作。该案例运用了基于GPS的RTK测绘仪器完成整体测量工作，并在测绘工作正式开始之前进行了充分的调研与事前准备，在测绘工作进行过程中明确操作规范与质量标准，同时通过多种制度的执行与约束，最终顺利完整测绘作业。

结语：

GPS技术已经发展成熟，基于GPS技术进行测量的形式，具有精度高、效率快、操作简单的特点。在天然气管线的施工与测量工作中，通过引入GPS技术能够解决传统测量技术中存在的效率低、误差大的问题。本文中引用一天然气管道测绘案例，在利用现有数据的技术上，使用GPS+RTK技术绘制天然气管线，能够高效率、高准确度的完成测绘工作。行业内对于GPS应用技术已经逐渐发展成熟，我国自研卫星定位系统“北斗”也逐渐投入使用，随着技术的革新与探索，也会有更科学高效的测绘方法应用到行业之中，为测绘行业健康发展赋予新的能量。

参考文献：

[1]张世涛，盂志河，刘加收.多种GPS测量手段在施工前期的应用[J].中小企业管理与科技， 2009.

[2]郭铁民.浅谈大连—沈阳天然气管道工程测量GPS控制网的布设[J].中国石油和化工标准与质量， 2011（6）：2.

[3]计长飞，林峰，闫琴.浅析GPS在工程测量中的应用[J].新疆石油学院学报，2000，12（1）：4.

[4]杜大鹏，DUDa-peng. GPS-RTK技术在石油天然气井位测量中的应用[J].江汉石油职工大学学报，2012（6）：3.

[5]刘丽，吕继书. GPS控制测量已知点检校的两种方法[J].天然气与石油，2016，34（1）：4.

[6]王连好，周欢欢.静态GPS在川鲁天然气管线控制测量中的应用[C].//山东省测绘学术年会. 0.

[7]史庆伟.低空无人机测绘在天然气地面工程设计中的应用研究[J].地矿测绘，2019， 2（6）.