李 明 孟祥寧 薛小強(qiáng) 劉 偉

天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司 天津 300272

探索GPS在非洲大漠油氣轉(zhuǎn)運(yùn)站施工中的應(yīng)用

李 明 孟祥寧 薛小強(qiáng) 劉 偉

天津大港油田集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司 天津 300272

GPS測(cè)量是現(xiàn)代工程施工中普遍采用的一種測(cè)量方法，可覆蓋全球準(zhǔn)確定位。主要闡述了針對(duì)西非大漠區(qū)域內(nèi)一座油氣轉(zhuǎn)運(yùn)站施工中所采用的一種GPS測(cè)量方法，分別從GPS測(cè)量的必要性、改進(jìn)方法及改進(jìn)方法的優(yōu)點(diǎn)等方面進(jìn)行了論述。

GPS測(cè)量 坐標(biāo)系統(tǒng) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

天津大港油建公司承建的尼日爾AGADEM油田地面建設(shè)工程屬大型油氣轉(zhuǎn)運(yùn)站工程。該工程位于西非大漠尼日爾GOUMERI地區(qū)，地處撒哈拉沙漠腹地，方圓百里無(wú)任何已建構(gòu)筑物。該工程主要包括CPF（中心油氣處理設(shè)施）一座和OGM（油氣集輸區(qū)）四處，其中CPF站規(guī)模為339m*400m，內(nèi)含20000m3罐體兩座，2000m3罐體三座，1000m3罐體一座和500m3罐體兩座，綜合辦公室、能源控制間各一處，鋼樁及混凝土型設(shè)備基礎(chǔ)若干，涉及測(cè)量點(diǎn)位多達(dá)上千。而該工程屬區(qū)域內(nèi)新建工程，周圍無(wú)任何已有建筑可做參考，所以必須采用GPS全球定位，以滿足基礎(chǔ)測(cè)量之施工需求。

1 GPS的應(yīng)用

1.1 GPS定義

GPS是英文Navigation Satellite Tim ing and Ranging/Global Positioning System的縮寫,全稱為“授時(shí)，測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”，它是利用衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位，具有全球性、全天候、高精度測(cè)量定位功能。

GPS定位一般分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位，目前國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工均采用動(dòng)態(tài)定位，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Rcal Time Kinematic——RTK）測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量簡(jiǎn)單，便于操作。

1.2 GPS功能

目前，GPS測(cè)量已經(jīng)得到了全球性認(rèn)可，具有如下特點(diǎn)：

（1）全球地面連續(xù)覆蓋；

（2）高精度定位；

（3）施工測(cè)量觀測(cè)簡(jiǎn)便。

根據(jù)工程實(shí)際需要，我們沙漠施工現(xiàn)場(chǎng)采用美國(guó)天寶公司生產(chǎn)的Trimble TSC 2型GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2 圖紙標(biāo)定的GPS測(cè)量方法

根據(jù)華東地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)研究院提供的地質(zhì)勘查報(bào)告，CPE設(shè)計(jì)要求使用GPS進(jìn)行WGS-84大地坐標(biāo)系統(tǒng)全球定位，組織現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖紙?zhí)峁┝舜–PF站兩個(gè)角點(diǎn)的施工相對(duì)坐標(biāo)，即西南角坐標(biāo) A=0.00，B=0.00，東北角坐標(biāo) A=339.00，B=400.00，同時(shí)確定了與其對(duì)應(yīng)的WGS-84大地坐標(biāo)（X和Y值）。另外，華東地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)研究院在CPF站外圍確定了四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)并提供了對(duì)應(yīng)的WGS-84大地坐標(biāo)。而圖紙標(biāo)定的站內(nèi)各種待建構(gòu)筑物基礎(chǔ)坐標(biāo)全部為施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B），即相對(duì)于站內(nèi)零點(diǎn)坐標(biāo)。同時(shí)，圖紙?zhí)峁┝酸槍?duì)該工程施工測(cè)量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，即施工相對(duì)坐標(biāo)與WGS-84大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法，如下：

（1）施工相對(duì)坐標(biāo)換算為WGS-84大地坐標(biāo):

式中，X0、Y0和α為固定數(shù)值；Ap、Bp為圖紙中涉及的基礎(chǔ)施工相對(duì)坐標(biāo)，圖紙標(biāo)定；Xp、Yp為WGS-84大地坐標(biāo)，一般需要利用上述公式進(jìn)行換算求解。

2.2 初始GPS識(shí)別

GPS出廠時(shí)設(shè)置任務(wù)自動(dòng)識(shí)別GWS-84坐標(biāo)，對(duì)于其他人工后期編制的坐標(biāo)需要人工設(shè)置并校正后方能識(shí)別。而本工程中除了華東地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)研究院特別針對(duì)CPF提供的四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)定的CPF兩個(gè)角點(diǎn)的大地坐標(biāo)外，其余站內(nèi)涉及的所有構(gòu)筑物坐標(biāo)全部為施工相對(duì)坐標(biāo)，即A、B坐標(biāo)。通常我們根據(jù)圖紙中的公式將施工相對(duì)坐標(biāo)換算成WGS-84大地坐標(biāo)，然后再將換算后的大地坐標(biāo)X、Y值鍵入GPS測(cè)量任務(wù)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。但是，大地坐標(biāo)換算和坐標(biāo)輸入給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量施工帶來(lái)了諸多不便。

2.2.1 坐標(biāo)換算工作量大

根據(jù)圖紙?zhí)峁┑墓轿覀兛梢詫⑹┕は鄬?duì)坐標(biāo)（A、B）換算成WGS-84大地坐標(biāo)（X、Y），但是由于CPF站內(nèi)涉及到的各種構(gòu)筑物基礎(chǔ)坐標(biāo)多達(dá)上千個(gè)，換算坐標(biāo)工作量較大，過(guò)多的占用測(cè)量技術(shù)人員時(shí)間，延誤現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2.2 換算數(shù)值易出現(xiàn)錯(cuò)誤

上述公式換算后的大地坐標(biāo)（X、Y）數(shù)值較大，數(shù)字冗長(zhǎng)并含有小數(shù)，其中小數(shù)點(diǎn)前7位，小數(shù)點(diǎn)后2位。這可能會(huì)在換算過(guò)程中由于進(jìn)位等原因出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成工程測(cè)量不準(zhǔn)確。

2.2.3 坐標(biāo)輸入量大

由于CPF站內(nèi)基礎(chǔ)坐標(biāo)多達(dá)千個(gè)，而每個(gè)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)換算后，X值一般為9位數(shù)字，Y值為8位數(shù)字，這樣每個(gè)基礎(chǔ)坐標(biāo)至少有17個(gè)數(shù)字需輸入至GPS測(cè)量任務(wù)內(nèi)，而上千個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)也就需要近兩萬(wàn)個(gè)數(shù)字輸入至GPS測(cè)量任務(wù)的點(diǎn)管理器內(nèi)。數(shù)字量大而冗長(zhǎng)難免產(chǎn)生輸入錯(cuò)誤，影響測(cè)量。

2.2.4 測(cè)量觀測(cè)不方便

WGS-84大地坐標(biāo)（X，Y）是相對(duì)赤道的垂直球面距離和本初子午線的距離，是地理上的絕對(duì)北方向，而實(shí)際工程往往會(huì)隨著當(dāng)?shù)仫L(fēng)土人情等確定相對(duì)的工程北方向（此工程CPF的北方向就與地理北方向呈45°夾角，見(jiàn)圖1），這樣若繼續(xù)使用大地坐標(biāo)測(cè)量就會(huì)給觀測(cè)、定位帶來(lái)諸多不便。

3 GPS測(cè)量改進(jìn)方法及應(yīng)用

由于施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B）換算大地坐標(biāo)（X、Y）工作量大，易產(chǎn)生誤差，甚至錯(cuò)誤。而圖紙標(biāo)定的施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B）數(shù)值相對(duì)簡(jiǎn)單，最多為5位數(shù)字，操作簡(jiǎn)便，易于輸機(jī)。所以我們努力探尋一種直接采用施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B）進(jìn)行測(cè)量的簡(jiǎn)便方法。

3.1 GPS改進(jìn)后的測(cè)量方法

根據(jù)圖紙標(biāo)定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，我們將華東勘察設(shè)計(jì)研究院給定的四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)大地坐標(biāo)全部換算為施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B），建立以施工相對(duì)坐標(biāo)為基準(zhǔn)的新測(cè)量任務(wù)，直接采用施工相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量定位。

3.1.1 建立新測(cè)量任務(wù)

針對(duì)CPF施工相對(duì)坐標(biāo)，我們?cè)贕PS手部?jī)?nèi)建立新的測(cè)量任務(wù)并命名，然后打開新任務(wù)界面，在新任務(wù)界面內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)輸入、工地校正及測(cè)量。

3.1.2 坐標(biāo)換算并輸入

根據(jù)圖紙坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)換算為針對(duì)CPF的施工相對(duì)坐標(biāo)，重新命名并輸入至新任務(wù)中的點(diǎn)管理器內(nèi)。另外，將四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的WGS-84大地坐標(biāo)也對(duì)應(yīng)輸入至該任務(wù)的點(diǎn)管理器內(nèi)，并設(shè)置為控制點(diǎn)。

3.1.3 啟動(dòng)工地校正

每臺(tái)GPS均帶有工地校正功能，待基準(zhǔn)點(diǎn)大地坐標(biāo)和與之對(duì)應(yīng)的施工相對(duì)坐標(biāo)換算并輸入完成后，直接開啟“測(cè)量”文件下“RTK”功能中的“工地校正”，注意開啟工地校正時(shí)一定要求大地坐標(biāo)和換算后的施工相對(duì)坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。若經(jīng)自動(dòng)校正后GPS手部屏幕顯示“水平殘差”和“垂直殘差”均在規(guī)范允許誤差范圍內(nèi)，則表示該測(cè)量任務(wù)已經(jīng)形成并可以在該任務(wù)下進(jìn)行施工相對(duì)坐標(biāo)測(cè)量定位；若經(jīng)過(guò)自動(dòng)校正后屏幕顯示“水平殘差”或“垂直殘差”超出規(guī)范允許誤差范圍，則說(shuō)明在坐標(biāo)換算或坐標(biāo)輸入時(shí)存在誤差甚至錯(cuò)誤，必須重新檢查換算過(guò)程和結(jié)果并校核輸入數(shù)值，直至GPS手部屏幕中“水平殘差”和“垂直殘差”均在規(guī)范允許誤差范圍之內(nèi)時(shí)方可進(jìn)行下一步測(cè)量定位工作。

3.2 GPS測(cè)量改進(jìn)方法的優(yōu)點(diǎn)

針對(duì)CPF站內(nèi)施工，采用GPS改進(jìn)后的測(cè)量方法后明顯提高了測(cè)量速度和測(cè)量精度。

（1）設(shè)計(jì)圖紙直接標(biāo)定了施工相對(duì)坐標(biāo)（A、B），不必再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而可以直接輸入至測(cè)量新任務(wù)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量定位。

（2）施工相對(duì)坐標(biāo)A、B數(shù)值相對(duì)于大地坐標(biāo)X、Y數(shù)值簡(jiǎn)單，輸入方便。同時(shí)，數(shù)值小而簡(jiǎn)單在實(shí)際測(cè)量時(shí)也易于觀測(cè)，調(diào)整。

（3）WGS-84大地坐標(biāo)（X，Y）是地理上的絕對(duì)北方向，而施工相對(duì)坐標(biāo)是根據(jù)實(shí)際工程而確定的相對(duì)北方向，針對(duì)單體工程測(cè)量定位靈活。

（4）由于圖紙標(biāo)定了A、B值，可直接根據(jù)圖紙坐標(biāo)進(jìn)行輸機(jī)并測(cè)量，縮小了錯(cuò)誤幾率。

（5）此方法還可現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)如需CPF站內(nèi)某指定點(diǎn)（非圖紙給定）的坐標(biāo)，則可以直接將GPS移動(dòng)站置于該點(diǎn)上，啟動(dòng)“儀器”中“位置”程序，待移動(dòng)站調(diào)平后即可讀數(shù)，直接讀取該點(diǎn)的施工相對(duì)坐標(biāo)，快捷，簡(jiǎn)便。

3.3 GPS測(cè)量改進(jìn)方法的弊端

該方法是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程而探索的一種測(cè)量方式，其觀測(cè)的施工坐標(biāo)數(shù)值只相對(duì)于新建任務(wù)內(nèi)A=0.00，B=0.00點(diǎn)的坐標(biāo)，而非X、Y值的全球定位坐標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于我們大港油建正在施工的CPF站工程，全部測(cè)量點(diǎn)均涵蓋在了華東地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)研究院提供的基準(zhǔn)點(diǎn)范圍內(nèi)，完全可以采用此方法進(jìn)行測(cè)量定位。實(shí)際測(cè)量施工也證明該方法是可行的，提高了測(cè)量定位速度，節(jié)省了時(shí)間。同時(shí)，采用此方法縮小了錯(cuò)誤出現(xiàn)幾率也減小了測(cè)量誤差，整個(gè)CPF站內(nèi)測(cè)量定位沒(méi)有出現(xiàn)偏差，創(chuàng)造了效益，贏得了口碑。

1 《尼日爾AGADEM油田巖土工程勘察報(bào)告》

2 《測(cè)量學(xué)》高井祥、張書畢等主編

3 《測(cè)量與工程測(cè)量》程新文主編

4 《CPF總圖》 CPE

5 《工程測(cè)量》 王霞主編

TE682

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1672-9323（2012）05-0092-03

2012-06-14）