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GPS在地下管线探测控制测量中的应用

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施 工 技 术 CON STRU CT I ON TECHNOLOGY

2009年 6月 第 38卷 增刊

GPS在地下管线探测控制测量中的应用
杨万辉, 陆 震
212005) (镇江八一四勘察测绘有限 公司, 江苏 镇江

[ 摘要 ]结合某油田地下管线探测工程, 介绍了 GPS 网的 设计原则 , G PS网 起算点的 选取与 检验, 分析 了 G PS网的 观测边长和地面已知边 长之间的关系。 [ 关键词 ]地下管线; GPS网; 控制测量; 约束*差 [ 中图分类号 ] TU 198 [文献 标识码 ] A [文章编号 ] 1002 8498( 2009) S0 0490 03

Application of GPS in Control Surveying of Underground P ipeline D etection
Yang W anhu,i Lu Zhen
(Zhenjiang 814 Investiga tion& Survey ing Co , L td. , Zhenjiang, J iangsu . 212005 China ) ,

Abstract :

Based on unde rground pipe line detection o f an o ilfie ld, design pr inc iple of G PS net are introduced as w e ll as ,

se lection and inspection o f in itia l po int R e lationships betw een observed side leng th o fG PS net and rea lized side leng th on . the fie ld are ana ly zed.

K ey w ord s underground pipe line; G PS ne t control surveying; constra int adjust ent : ; m
油田地下管 线是油 田基础 设施 的重要 组成 部分, 是现代化油田 高质 量、 高效 率运转 的基 本保证。油 田 地下管线敷设现状 的基 础资料, 是油 田向深 层次勘 查 开发和管理的 重要 依据。由于 历史 原因, 油田 地下 管 线的 资料残 缺不全, 有 的资料 精度不高、 与现状 不符, 新的 废的油、 水管线 错综复 杂, 迫切需 要进行 管线 气、 探测工作。 某油田 地下 管线 探测 范 围约 100km 。坐 标系 统 采用 1954 年北京坐标系, 3 度带坐 标。首级 控制拟 布 设 GPS控制网, 最弱点的*面点位中误差优于 0 10m。 图根控 制导 线按 1 2 000 比例 尺的要 求, 地 下管线 点 位测量由全站仪 ( 或 RTK )施 测。 GPS控 制网的 布设: 首先, 要了解测区内已知三角点的分布情况和 等级, 并 对三角点之间的兼 容情 况作检 验和 分析, 进 而选择 己 知三角点作 GPS 控制 网的基准 点和条 件点。其 次, 根 据管线探测的精度 要求 且留有 一定 的富余 精度, 布 设 相应等级 GPS 控制网。 1 首级控制测量 由于测区内控制 点分布很少, 且分 布密度不合理, 不能满足本工区测量工作的需要, 采用 GPS 技术作控制 测量, 共观测 11 个 GPS控制点。 GPS仪器 采用 T rm b le i 4000SE 。观测按 CH2001 92 标 准进 行。 GPS 控 制 点进 行网*差, 点位精度: *面为 1. 1 GPS网的设计原则 根据管线探测 的要 求, GPS 网 相邻点 之间 的距 离 0 004m, 高程为 0 008m。
[收稿日期 ] 2009 05 19 [作者简介 ] 杨万辉, 镇江八 一四勘 察测绘 有限公 司生 产部主 任, 助理工程师, 江苏省 镇江 市朱 方路 227 号 212005 电话: , ( 0511) 85600829, E m ai: yw h814@ 163 com l .
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按 E级 网的 要求, * 面点位 中误 差按 D 级网的 要求, 最弱点的点位中误差优于 0 10m。 1) 地面网 现状 我国 1954 年北 京坐标系 统由于 受当时技术条件的限制, 采用的技术标准不一, 坐标成 果是通过不同区域网的局部*差逐次得到的。坐标方 位与实际方位相差约 3! 在不同的区域尺度差异较大, , 坐标传递累积误 差较 大。另一方 面, 由于 施测 年代久 远, 部分三角点受到大 地构 造等因 素的影 响产 生了较 大的位移。 2) 局部控制网 为了 满足经 济建 设的需 要, 许多 测量单位在小区域内布设的三、 四等三角网或导线网, 这些网点存在以下几个特点: ? 投影面不同, 测量坐标 成果有的归算至大地 水准 面的, 也 有的成 果归 算至测 区*均高程面 的; # 网 的 精度 不 高, 如 国 家二 等 补充 网, 相对精度为 1 40 000; ? 同一区域存在 几种不一致 的坐标系统。 3) GPS 网地面起算点的选取与检验 本区通过导 线网和 GPS 网的 联测检查, 发 现各已知点 之间的兼容 性较差。根据 已知 点的 分布 情 况, 拟 以 GPS3 号 点为 基准点, 以 GPS6 号点 作 GPS 网的尺 度基准 和方 位基 准。通过光电导线联 测分 析, 这两 个已知 点的 成果与

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杨万辉等: G PS在地下管线探测控制测量中的应用

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GPS 网的实测结果兼 容较 好, 用这 两个已 知点 的坐 标 作 GPS网 的基准点和尺 度基准和方 位基准, 不会 引起 GPS 控制网的扭曲和变形而损失 GPS网的精度。 1. 2 GPS网的布设与施测 GPS 网布点 11个, 独立边 19 条, 组成 三边同 步环 8 个和三边异步环 1 个。 GPS 网选用 两个已 知点的 成 果与实测结 果 兼容 性较 好的 三 角点, 即 GPS3 号点 和 GPS6号点。外 业 施测 采 用 3 台 T rm b le 4000SE 接 收 i 机。以 三 角 形 为 观 测 单 元 作 同 步 观 测, 观 测 时 间 1h15m in, 数据采样间隔 15 s 天线高由小钢尺分别在开 , 机和关机时各量一次, 取值至 0 001m, 取中值。 1. 3 基线向量的解算 基线向量由随机商用软件解算。基线向量各 种考 核指 标 按 以 下 参 考 标 准, 基 线 向 量 < 10km, RSM % 0 030m, ra tio& 3。 1 )重复边统计, 重复观测边 5 条, 复测边观测 中误 差
边名 1 3 1 4 4 6 7 8 8 9

1. 4 GPS 网*差

[ 1- 4]

首先, 对闭合差偏大的同步环进行分析, 认为同步 环 01 02 03、 异步 环 2 1 4 3 闭 合 差偏 大, 通过 对 基线 向量计算成果的检查, 发现 1 2边观 测质量 因子偏小, ra tio= 8 120, 但满足 GPS 网 ( 内部 ) 参考指标对观测精 度的要求。 1) 无约束*差 为 了考 核 GPS 网与 地 面网 间的 兼容 性 问 题, 以 GPS3 号 点 为 基 准 点, 依 据 W GS 84 B j54的转 换参 数, 将观 测网的 W GS 84大 地坐 标转换 并投影到 B j54 * 面 坐标 系 统。所 有观 测 边长 ( 坐标 差 ) 作高程异常改正, 设 S 为 84系统转换到 54 系统的 *面距离, 简称观测边长, 则有
[ 3]

: /R ) ( 1)

S0 = S - S = S ( 1-

式中: 为观测边两点间 的*均 高程异 常值; R 为地球 的*均半径; S0 为改正后的*距, 再进行*差算。 以 GPS3号点 和 GPS6 号点 的观 测方 位 为方 位基 准, 求出 GPS6号点的*面坐标, 并与 6号点的 54网的 *面坐标相比较, GPS 网两点方位比 54网 两点的方位 大 0 7! 与 54 网的实 际和 先验值 相符。 进而, 可 估算 , 尺度因子和方位因子。 2) 约束* 差
[ 1- 3, 5]

0 005m ( 见表 1) 。
表 1 重复基线统计
第 1次观测 /m 1 438 174 . 3 146 556 . 2 351 978 . 3 222 762 . 1 107 070 . 第 2 次观测 /m 1 438. 162 3 146. 559 2 351. 982 3 222. 766 1 107. 071 差值 /mm 允许值 /mm 12 3 - 5 - 4 - 1 29 33 31 33 29

以 GPS3 号点 为基准 点, 利用

地面网两已知点的尺 度和 方位作 尺度和 方位 基准, 将 观测网观测 量坐 标边 长, 进行 伸缩 和旋 转 变换。 GPS 网*差按条件*差, GPS网 共施测 GPS 点 11 个, 19条 独立观 测 边, 9 个独 立 观测 环; 其中 2 个地 面 网 已知 点, 为国家 (等三角点。 2 GPS网的考核指标及精度分析 GPS网观测精度 主要 从以下 几方 面来 分析, 即对 重复观测 边, 同步 环、 异步环 闭合差, *差后 的点位中 误差及最弱点的点位中误差, 等诸方面来考核分析; 并 对 GPS 网点与地面网点的一致性作比较。 2. 1 GPS 网的几项考核指标 GPS控制网重复基线观测中误差 M s =
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2 )同步环闭合差检验, GPS网共有 8个同步环, 三分 量最小闭合差 0 000m, 最大闭合差 0 009m; 最大相对闭合 差 1 96 ? 10 , 即相对闭合差优于 1 500 000(见表 2)。
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表 2 同步环闭合差统计
环号 01 01 01 04 05 06 07 08 02 03 03 04 04 06 05 06 07 08 08 09 08 11 09 10 边长 /mm dx 6 171. 800 0. 004 7 805 253 . 0. 000 8 153 552 . 0. 001 6 363 206 . 0. 000 9 943 810 - 0. 001 . 7 697 845 - 0. 001 . 11 223 214 - 0. 001 . 8 371 443 . 0. 000 0 . 0 . -0 . 0 . -0 . 0 . 0 . 0 . 闭合差 /m dy 009 000 001 000 001 000 001 000 0 . - 0 . - 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . dz 007 002 001 000 000 001 002 000 相对 闭合差 /10- 6 1 96 . 0 26 . 0 21 . 0 00 . 0 14 . 0 18 . 0 22 . 0 00 .

0 005m,

重复基线最大相差 0 012m, 优于允许值 0 029m。 同步环相对闭合差 f < 2 ? 10 , 优于 1 500 000的 精度, 最大闭合差 0 012m。 异步环相对闭合差 f < 3 ? 10 , 优于 1 330 000的
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3 )异步环闭合差检验, GPS网共有 5个异 步环, 三 分量最小闭合差 0 000m, 最大闭合差, 0 025m; 最 大相 对闭合差 2 76 ? 10 ( 见表 3 )。
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精度, 最大闭合差 0 030m, 各项 指标 均满 足 D 级 GPS 控制网的精度指标。
相对闭 合差 / 10- 6 0 . 1 . 0 . 0 . 0 . 620 320 140 370 012

表 3 异步环闭合差统计
环号 5 8 11 7 6 58 9 10 8 6 41 65 21 43 环边长 /mm dx 14 721. 9 407. 13 855. 9 812. 11 100. 496 - 0. 001 734 - 0. 008 148 0. 001 798 0. 000 717 - 0. 01 -0 . 0 . 0 . -0 . -0 . 闭合差 /m dy 001 009 000 002 013 0 . 0 . - 0 . 0 . 0 . dz 009 003 002 003 025

GPS 控 制 网 * 差 后 的 点 位 中 误 差: M x = 0 00 3 1m, M y = 0. 0 03 9 m, M z = 要求的 精度 0 002 6m, M z = 0 007 6m; 最 弱 点 的 点 位 中 误 差: M x = 0. 004 6 m, M y =

0. 012 8 m, 相 对 精 度 优 于

1 92 0 000。 满足或优 于管线 探测 1 500 比 例尺 测图 0 050m。

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施工技术

2009 增刊

2. 2 GPS网与地面网点的一致性 GPS 网与地面网点 的一致 性, 可以从 两方 面来 考 核分析, 即对 GPS 网 的 尺度 因子 和方 位 因子 作考 核。 通常 GPS 网观测系统采用 WG S- 84大地坐标系统, 可 以借助转换参数作坐标系转 换, 转换到 B j54 *面 坐标 系统内。 GPS网的观测边长和地面 网点的已知边 长存 在如下关系
[ 3- 4]

3 结语 根据 GPS 技术 在地 下管 线控 制测 量中 的初 步应 用, 体会到 GPS定位 技术具 有精度高、 速度快, 施工条 件简单, 且布网布点灵活, 经济效益显著等优点。 1) GPS 定位技术建立的控制网点, 无论在精度上, 还是在实用上, 都可以满足管线探测测量的要求。 2) 在布网方案上, 可以采用一次性布网的方案, 减 少控制网的加密层次, 方便管线探测的施工测量。 另外, 对 GPS 控 制网, 除需 对 网的 各 项指 标 作为 必要的检验外, 还需对已知 点的可靠性 及与 GPS 网的 一致性作检验, 应选 择 一致 性好, 与 GPS 网 兼容 性较 好的已知点, 作 GPS 控制 网 的约 束点。 这样, 可 以防 止因网的约束*差而降低 GPS控制网点的精度。
参考文献:
[ 1] 李永 朴 G PS 测 量中 几 个技 术问 题 的分 析 [ J] 1997, ( 4) : 224 230 [ 2] [ 3] [ 4] 刘大杰, 刘 经南 G PS 与地 面测量 数据的 三维 联合* 差 [ J] 测绘学报, 1994 ( 1) : 14 22 , 李永朴 李 永朴 李永 朴 长 边 G PS 控 制测 量的 应 用与 分析 [ J] . 地矿 测绘, GPS 高 程应 用 的理 论 基础 及 分 析 [ J] . 地 矿 测绘, *面 坐标 转 换的 微分 方法 [ J] 测绘 学 报, 1994 , 2000, ( 3) : 25 26 江苏 地质,

: K = S /S = /R ( 2)

式中: S 为 GPS网点的观测边长与地面网点的已 知边 长之差值; S 为地面网点 的已知 边长; R 为地 球的* 均 半径; 为观测边两点间的*均高程异常值。 式 ( 2) 的作用与意义是: 式 ( 2)计 算的两个 K 值接 *, 说明地面网已知点坐标可靠, 观测基线正 确。如果 两个 K 值相差较大, 甚至值的符号相反, 说明地面点的 标志或观测边长两者之中必有一个存在粗差。 通过对 GPS 网和地面 网已知点 的坐标 对比 分析, 地面网点的精度约 为 1 40 000 比 GPS 网观 测精度 低 , 一个级次; 如 果地 面 已知 点与 GPS 网 的 公共 点中, 个 别点的 坐标兼容性 差, 为了防止 GPS 控制网点发 生扭 曲和变形, 而损失 GPS 网的精度。故 在 GPS 网约 束* 差中, 只 选用与 GPS 网 观测结果一致 性较好的两 个已 知点, 作为网的起算点和约束点。
[ 5]

1999, ( 3) : 10 14 ( 1 ) : 37 44.




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