陳學(xué)虎，張里南，羅金銳，姚紅舵

（1.唐山冀東油田設(shè)計工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省測繪局第二測繪院，青海西寧 811000）

全站儀高程導(dǎo)線測量在油氣田工程測量中的應(yīng)用

陳學(xué)虎1，張里南2，羅金銳1，姚紅舵1

（1.唐山冀東油田設(shè)計工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省測繪局第二測繪院，青海西寧 811000）

在油氣田工程勘測中，用全站儀高程導(dǎo)線測量替代三 （四）等水準(zhǔn)測量，能有效提高精度，降低勞動強度。文章介紹了全站儀中間法三角高程測量的原理、方法和優(yōu)點，并對該測量方法的精度進行了分析。該方法更適用于山地、丘陵等高差較大的地區(qū)，可靈活選擇測站位置，測站不需對中，不需量取儀器高，操作靈活實用，能有效提高測量工作的效率。

工程建設(shè)；工程測量；全站儀；高程導(dǎo)線測量；精度

1 油氣田工程測量的特點

油氣田勘探開發(fā)的特點是地域廣闊，而生產(chǎn)用地相對較少且比較分散，生活基地距生產(chǎn)區(qū)較遠，線路工程距離較長，隨著油氣勘探開發(fā)的加快，地面工程建設(shè)速度相對較快，工程勘察設(shè)計工期較短，而加快勘測工作、在確保精度的條件下縮短測量作業(yè)時間最有效的方法是改進測量技術(shù)，盡可能采取一些高效作業(yè)方法，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在測繪領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不但降低了勞動強度，還大大提高了測量作業(yè)效率。

由于油氣田所處地理位置的特殊性及生產(chǎn)的特殊性，控制點往往經(jīng)常被破壞，所以經(jīng)常需要做工程測量控制網(wǎng)，在采用GPS靜態(tài)控制測量和動態(tài)野外數(shù)據(jù)采集數(shù)字化成圖作業(yè)的今天，為了獲得比較理想的GPS擬合水準(zhǔn)面，就需要進行大量的高程聯(lián)測工作，為了克服已知控制點比較分散且距測區(qū)被聯(lián)測點遠而造成的加大高程測量工作量和工作難度的問題，采用全站儀高程導(dǎo)線測量是切實可行的方法。

2 電子全站儀的特性

全站儀是由電子測角、電子測距、電子計算和數(shù)據(jù)存儲單元等組成的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量結(jié)果能自動顯示，并能與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，是一種多功能測量儀器。由于全站型電子速測儀較完善地實現(xiàn)了測量處理過程的電子化和一體化，所以通常稱之為全站型電子速測儀或簡稱全站儀。全站儀在實際工作中的應(yīng)用十分普遍。

3 全站儀高程導(dǎo)線測量代替三 （四）等水準(zhǔn)測量

測量地面待定點的高程，常用方法是先通過儀器測量待測點與已知點間的高差，然后計算出待測點的高程。測定兩點間高差的方法很多，如水準(zhǔn)測量、經(jīng)緯儀三角高程測量等。水準(zhǔn)測量精度高，但僅適用于平坦地區(qū)；經(jīng)緯儀三角高程測量適用于山區(qū)，但由于距離測量精度和量取儀器高的精度較低，測量所得的高差精度也比較低。全站儀具有測量速度快、測距精度高、適用范圍廣等特點，但用全站儀代替經(jīng)緯儀進行三角高程測量，仍然存在量取儀器高的問題，因此，必須對傳統(tǒng)三角高程測量方法進行改進，才能提高高差測量精度。不少測繪工作者通過多次實踐，認為全站儀中間法三角高程測量能達到國家三 （四）等水準(zhǔn)測量的精度要求。

3.1 全站儀中間法三角高程測量的原理

如圖1所示，在已知高程點A和待測點B上分別安置反光棱鏡，在A、B的大約中間位置選擇與兩點均通視的O點安置全站儀，根據(jù)三角高程測量原理，O、A兩點的高差h1為：

式中S1——O至A點的斜距/m；

α1——觀測垂直角；

c1——地球曲率改正數(shù)；

r1——大氣折光改正數(shù)；

i——儀器高/m；

v1——A點的目標(biāo)高/m。

地球曲率與大氣折光影響之和f1為：

式中R——地球的平均半徑，為6 369 000 m；

K1——O至A的大氣折光系數(shù)。

因此， 式 （1）可表達為：

設(shè)已知點A的高程為HA，待求點B的高程為HB，則∶

式中S2——O至B點的斜距/m；

α2——觀測垂直角；

f2——地球曲率與大氣折光影響之和；

K2——大氣折光系數(shù)；

v2——B點的目標(biāo)高/m。

A、B兩點間的高差h為：

由上式可知,在不考慮已知點高程誤差的情況下，采用中間法測量高程主要與測量斜距S1和S2、垂直角α1和α2、目標(biāo)高v1和v2及大氣折光系數(shù)K1和K2有關(guān)，與儀器高無關(guān)， 從而克服了量取儀器高精度低的問題,有利于提高測量精度。 當(dāng)A、B

由上式可知，采用適當(dāng)?shù)姆椒?，全站儀中間法高程測量與儀器高、目標(biāo)高完全無關(guān)，只與距離、垂直角及大氣折光系數(shù)有關(guān)。

3.2 中間法高程導(dǎo)線測量3.2.1 中間法觀測順序

在兩點中間選測站點,用 “后—前—前—后”的順序?qū)ΨQ觀測。

式中a——后視垂距中數(shù)/m，a＝Sasin aa；

b——前視垂距中數(shù)/m，b＝Sbsin ab；

Sa、Sb——分別為儀器至后視前視的斜距/m；aa、ab——分別為后視、前視觀測垂直角。

高差中數(shù)∶

式中hab中——高差中數(shù)/m；a中——后視垂距中數(shù)/m；b中——前視垂距中數(shù)/m。

3.2.2 中間法測高程導(dǎo)線

如圖2所示，A、B為高程導(dǎo)線的起點和終點，在測線間設(shè)測站1，2，…，n。盤左和盤右觀測程序為∶“后—前—前—后”。后視垂距為a，前視垂距為b，則各段高差為：兩點采用同一對中桿且不變換高度，即v1＝v2時，式 （6）變?yōu)椤?/p>

即高差中數(shù)等于前視垂距中數(shù)之和減去后視垂距中數(shù)之和。

為提高測量速度，當(dāng)使用兩個棱鏡分別為前后視覘標(biāo)時，其覘標(biāo)高度不能嚴(yán)格相等。

設(shè)覘標(biāo)高分別為l1和l2，覘標(biāo)高度差Δlh＝l1-l2（如圖3所示）。

當(dāng)測站數(shù)為偶數(shù)時∶

由此可知，采用兩棱鏡分別輪流作為前后覘標(biāo)，在測段間觀測站為偶數(shù)時，棱鏡高度差相互抵消，高差計算公式仍為式 （11）。

若觀測站數(shù)為奇數(shù)，兩點間高差應(yīng)減去最后一站棱鏡高度差Δlh，即∶

式中l(wèi)1——最后一測站的后視覘標(biāo)高；

l2——最后一測站的前視覘標(biāo)高。

4 全站儀中間法三角高程測量的精度分析

4.1 全站儀中間法高程測量中誤差

在不考慮已知點高程誤差的情況下，對式 （5）進行全微分，得：

大氣折光系數(shù)K1和K2一般不相等，要精確地測量出某一時間K的變化值是不可能的，但在同一地點，短時間內(nèi)值的變化很小，因觀測幾乎是在同樣情況下進行的，而且?guī)缀跏窃谕粫r間內(nèi)進行的,近似地假定 K1≈ K2， 并設(shè) mK＝ mK1＝ mK2， 考慮全站儀的特點，設(shè)邊長的測量精度mS、角度的測量精度mα及目標(biāo)高的量取精度mv分別相等，即

式中mh——全站儀中間法高程測量中誤差；

mS——全站儀測距中誤差；

mα——全站儀測角中誤差;

mK——大氣折光系數(shù)測定中誤差；

mv——目標(biāo)高量取中誤差。

由式 （16）可見，全站儀中間法高程測量誤差與儀器精度mS、mα、大氣折光誤差mK及目標(biāo)高量取誤差mv有關(guān)。式 （16） 即為考慮目標(biāo)高量取誤差時全站儀中間法高程測量的中誤差。

同理，對式 （7）取全微分,并轉(zhuǎn)換成中誤差關(guān)系式，得∶

式 （17）為目標(biāo)高相等時全站儀中間法高程測量的中誤差。

4.2 全站儀中間法高程測量的極限誤差

目前工程上常用的全站儀測距精度一般為± （1+1×10-6D）～ ± （5+5×10-6D） mm （D 為測距長度，以 km計），測角精度一般為 ±0.5″～6.0″。儀器高和目標(biāo)高的量取一般采用卷尺丈量，當(dāng)精度要求較高時，則采用測桿量取，而且要獨立量取2次，當(dāng)2次量取的較差小于2 mm時，取其平均值作為最終結(jié)果。

以mα＝±2″的全站儀為例，其測距精度一般為±（2+2×10-6D）mm，在此，取ms＝±4 mm，即按全站儀到測點的測距為1 km計算；曾有試驗證明，折光系數(shù)的誤差為±（0.03～0.05），在此，取mK＝±0.04，分別計算公式 （17）和公式（16），即目標(biāo)高相等時和考慮目標(biāo)高量取誤差時全站儀中間法高程測量的中誤差，并以△＝2 mh即2倍中誤差與三、四等水準(zhǔn)測量的極限誤差進行比較，精度計算時取α2和α1中的最大者，統(tǒng)一為α，結(jié)果見表1和表2。

4.3 精度分析

通過表1、表2的分析可知∶

（1）全站儀中間法高程測量的誤差，隨著觀測距離、豎直角的增大而增大。

（2）采用前后視目標(biāo)高相等進行高程測量，可以消除目標(biāo)高量取誤差的影響，提高高程測量精度，尤其是在觀測距離較短的時候。

（3）從表1及相關(guān)分析可知，前后視采用同一目標(biāo)高，以mα＝±2″全站儀的高程測量誤差，當(dāng)儀器至前后視距離差即｜D1-D2｜≤100 m時，前后視距離總和在1.8 km范圍內(nèi)可以達到四等水準(zhǔn)測量的限差要求；當(dāng)儀器至前后視距離相等，即D1-D2＝0，垂直角α≤±20°時，前后視距離總和在600 m以內(nèi)，可滿足三等水準(zhǔn)測量的限差要求。

表1目標(biāo)高相等時全站儀中間法高程測量的極限誤差與三、四等水準(zhǔn)測量極限誤差的比較

表2 考慮目標(biāo)高量取誤差時全站儀中間法高程測量的極限誤差與三、四等水準(zhǔn)測量限差的比較

（4）從表2及相關(guān)分析可知，即使考慮目標(biāo)高量取誤差，當(dāng)儀器安置在前后視距離差即｜D1-D2｜≤100 m時，前后視距離總和在1.6 km范圍內(nèi)仍可達到四等水準(zhǔn)測量的限差要求。

5 全站儀中間法三角高程測量的優(yōu)點

采用全站儀中間法進行高程測量，有以下優(yōu)點∶

（1）不需量取儀器高，消除了量取儀器高對高程測量精度的影響；采用同一覘標(biāo)進行觀測，覘標(biāo)高相等，不需量取覘標(biāo)高，消除了量取覘標(biāo)高的誤差對高程測量精度的影響。

（2）采用 “后—前—前—后”的對稱觀測順序，保持前后視距相等，能有效消除地球曲率和大氣折光對高程測量精度的影響。

（3）用中間法進行高程導(dǎo)線測量，既可用同一覘標(biāo)進行觀測，也可以前后兩覘標(biāo)分別觀測。加之全站儀測程較大，可大大提高測量速度。

（4）更適用于山地、丘陵等高差較大的地區(qū)，而且精度高。如果以水準(zhǔn)儀進行觀測，必將安置更多的測站，觀測誤差累積將越來越大。但是，以全站儀進行高差測量，其誤差遠遠小于水準(zhǔn)儀的限差，因而可進行高等級的高程控制測量。當(dāng)采用盤左和盤右觀測時，還可進一步提高高差測量的精度。

（5）采用全站儀中間法測量高程，相鄰兩測點可以不通視，可靈活選擇測站位置，測站不需對中，不量儀器高，操作靈活、實用，節(jié)約大量測量時間并降低勞動強度，在作業(yè)特點上比全站儀對向觀測法具有明顯的優(yōu)勢，在一定范圍內(nèi)，其精度可達到四等水準(zhǔn)測量的要求，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ骨昂笠暷繕?biāo)高相等，還可滿足三等水準(zhǔn)測量的精度要求。

（6）觀測速度快，錯誤率低，降低勞動強度，提高勞動效率。用水準(zhǔn)儀觀測，測量人員通過望遠鏡讀取水準(zhǔn)尺上的數(shù)，速度慢，容易讀錯數(shù)，而且眼晴容易疲勞。采用全站儀觀測，僅瞄準(zhǔn)目標(biāo)而已，讀數(shù)直接以數(shù)字顯示，因而讀數(shù)錯誤的概率幾乎為零，速度也非?？?。

6 全站儀中間法高程測量在油氣田的應(yīng)用實例

表3是冀東油田某基地測量中的高程控制測量數(shù)據(jù)，為了驗證該控制網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性，分別利用四等水準(zhǔn)測量和GPS RTK擬合高程測量進行檢校。

表3 冀東油田某基地高差計算對比

7 結(jié)束語

在經(jīng)濟日益騰飛的今天，測繪技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，由過去的經(jīng)緯儀平板手工測圖發(fā)展到今天的GPS RTK數(shù)字測圖。但提高GPS RTK測量高程，需要精確確定測區(qū)擬合水準(zhǔn)面，所以，在實際測繪工作中，不論采取什么樣的作業(yè)方法，水準(zhǔn)高程測量是必不可少的工作，采用全站儀中間法高程導(dǎo)線測量代替三 （四）等水準(zhǔn)測量，能有效提高高程測量工作效率。在實際工作中，選用這種既能確保精度，又能提高工作效率的測繪作業(yè)方法，不但能保障工程建設(shè)對測繪服務(wù)的要求，而且能有效提高測繪項目的經(jīng)濟效益。

[1]劉惠明,張波,陳俊林.全站儀中間法高程測量及其精度探討[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,25（4）∶101-106.

[2]王有賢,程新春.中點全站儀法高程控制測量[J].公路與汽運,2003，（3）∶40-42.

Application of Elevation Polygonmetry with Total Station in Engineering Survey of Oil and Gas Fields

CHEN Xue-hu（Tangshan Jidong Oilfield Design Engineering Co.,Ltd.,Tangshan 063004， China），ZHANG Li-nan， LUO Jin-rui， et al.

For engineering survey of oil and gas fields,using the elevation polygonmetry with a total station to replace the third or fourth leveling can increase precision and reduce labour intensity effectively.The principle,method and advantages of the middle way trigonometric leveling with a total station are introduced and its measurement precision is analyzed in this paper.This method is more suitable for survey of biggish elevation difference areas such as mountains and hills.It can significantly increase survey efficiency because of agile selection of survey station position,no needs of survey station aligning and instrument height measuring,and easy operation.

engineering construction;engineering survey;elevation polygonmetry;precision

TB22

B

1001－2206（2010）02－0120－05

陳學(xué)虎 （1977-），男，青海湟中人，助理工程師，2001年畢業(yè)于本溪冶金高等?？茖W(xué)校，現(xiàn)從事測繪工作。

2009-10-26；

2010-02-08