CORS技術(shù)在油氣長輸管道測量中的應(yīng)用

李建輝　林其明　古宗鵬　劉武廣

1.北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司,　北京　101300；2.廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司,　廣東　廣州　510425

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CORS技術(shù)在油氣長輸管道測量中的應(yīng)用

李建輝1林其明2古宗鵬1劉武廣1

1.北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司,北京101300；2.廣東省天然氣管網(wǎng)有限公司,廣東廣州510425

摘要：以廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程為背景,對CORS技術(shù)在油氣長輸管道測量中的應(yīng)用進行研究。通過對CORS技術(shù)和油氣長輸管道測量現(xiàn)狀的分析,闡述了CORS技術(shù)在油氣長輸管道控制測量、數(shù)字化管道建設(shè)及管道安全運營方面應(yīng)用的技術(shù)思路與實施方法，得出了在油氣長輸管道測量中使用CORS技術(shù)比傳統(tǒng)測量方式更靈活方便,平面和高程控制測量成果整體精度更高,安全運營保障可操作性更強的結(jié)論。研究表明，CORS技術(shù)適合在油氣長輸管道測量中推廣應(yīng)用,能提高長輸管道測量的工作效率,降低長輸管道測量成本,有效保障油氣長輸管道的安全運營。

關(guān)鍵詞：CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；長輸管道；數(shù)字化管道

0前言

管道運輸作為石油天然氣等能源的主要運輸方式,對保障我國經(jīng)濟建設(shè)和能源安全有重要意義。為適應(yīng)管道測量、數(shù)據(jù)采集與安全保障等方面的需要,開展了CORS技術(shù)在油氣長輸管道中的可行性與適用性研究。本文以廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程為背景,參照相關(guān)規(guī)范對實驗數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計,結(jié)合管道測量的特點進行適用性研究,特別提出了CORS技術(shù)在管道安全運營方面應(yīng)用的技術(shù)思路和實施方法,可作為CORS技術(shù)在油氣長輸管道測量的應(yīng)用依據(jù)。

1CORS技術(shù)

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations,CORS)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GNSS定位技術(shù)、現(xiàn)代大地測量、地球動力學(xué)交叉融合的產(chǎn)物,通過建立覆蓋一定區(qū)域的一個或多個連續(xù)運行的GNSS參考站,利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實時或準(zhǔn)實時地向用戶提供多樣數(shù)據(jù),包括不同類型的GNSS觀測值(載波相位、偽距等),對流層、電離層等各種GNSS誤差改正數(shù),狀態(tài)信息以及授時等其他信息[1]。CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五部分組成,各基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體,形成專用網(wǎng)絡(luò)。

嚴(yán)格來說CORS技術(shù)不是單一的技術(shù),而是一系列技術(shù)和資源的集成。除了提供實時精密定位導(dǎo)航服務(wù)[2],CORS擁有高精度框架基準(zhǔn)、連續(xù)不間斷數(shù)據(jù)資源、區(qū)域內(nèi)間距均勻的分布特征，以及與區(qū)域內(nèi)高等級控制點和似大地水準(zhǔn)面建立的聯(lián)系,都可為各種不同類型的精密定位需求提供解決方案。

深圳市建立了我國第一個連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(SZCORS)[3],已開始全面應(yīng)用。全國部分省、市也已初步建成或正建類似的省、市級CORS系統(tǒng)。

2油氣長輸管道測量現(xiàn)狀

油氣長輸管道測量主要有線路測量、穿(跨)越工程測量、站址測量等,特點是線狀分布,地形地貌復(fù)雜多樣,經(jīng)常穿越河流和道路,觀測條件通常較差,部分地區(qū)控制點稀缺。

油氣長輸管道測量按照傳統(tǒng)作業(yè)方式、技術(shù)原理、成果精度等特點,可分為五類，見表1。

表1油氣長輸管道傳統(tǒng)測量類別

測量類別作業(yè)方式/技術(shù)原理成果精度平面控制GPS靜態(tài)測量GPSD級精度高程控制水準(zhǔn)測量、GPS高程擬合四等水準(zhǔn)精度圖根控制、像控測量GPS-RTK、全站儀±5cm以內(nèi)數(shù)字化管道測量、放樣GPS-RTK、全站儀±10cm以內(nèi)日常巡線單點定位、手持GPS±10m以內(nèi)

由于油氣長輸管道的線狀分布特點,GPS靜態(tài)測量時需要搜集管道沿線大量的高等級平面、高程控制點資料并分段進行觀測計算,管道線路勘測中的帶狀地形圖測繪、中線測量、縱橫斷面測繪都需要測量大量的地形及油氣管道專業(yè)要素,數(shù)字化管道建設(shè)中需要對大量碎部點,如焊口、閥門、彎頭、穿越、水保、陰保等進行定位測量,在運營階段的日常測繪、坐標(biāo)放樣等方面也需要快速精確定位方法。為更好地服務(wù)于油氣長輸管道的建設(shè)和運營,需要一種更簡單快速精確的測量定位技術(shù)和安全保障解決方案[4]。

3CORS技術(shù)的應(yīng)用

3.1油氣長輸管道控制測量方面

3.1.1首級控制測量

實施GPS靜態(tài)控制測量時,需搜集測區(qū)范圍已有的國家高等級控制點成果,按照逐級布設(shè)的原則向下發(fā)展,高等級控制點作為整個控制網(wǎng)的基準(zhǔn)和起算依據(jù)[5]。但由于高等級控制點破壞嚴(yán)重,加上油氣長輸管道呈線狀分布的特點,找到足夠數(shù)量并能在網(wǎng)型上均勻分布且對管道控制網(wǎng)形成有效控制的高等級控制點往往較困難,控制點資料申請審批、點位踏勘、聯(lián)測解算也需要大量時間和經(jīng)費。

CORS系統(tǒng)的高精度基準(zhǔn)站坐標(biāo)和不間斷觀測數(shù)據(jù),提供了一種能夠替代聯(lián)測高等級控制點的作業(yè)方式,實施方法為：以靜態(tài)方式觀測控制點(可以是單獨一個或從網(wǎng)中選擇分別均勻的若干個點構(gòu)成框架網(wǎng)),觀測完成后選取控制點周邊CORS基準(zhǔn)站,采用長基線解算軟件和精密星歷進行基線解算,再以CORS基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)進行約束平差得到控制點在CORS系統(tǒng)下的成果,通過區(qū)域轉(zhuǎn)換關(guān)系和水準(zhǔn)面模型得到管道控制網(wǎng)坐標(biāo)系的成果。這種方式簡化了布網(wǎng)和觀測工作,節(jié)省了搜集資料和踏勘找點投入的時間及人力成本,并可獲得整體精度更好的成果[6]。

以廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程首級控制網(wǎng)為例,將控制網(wǎng)中部和北部的國家Ⅱ等三角點作為起算點,但南部臨海區(qū)域的國家Ⅱ等三角點ZGLD被破壞,附近沒有其他可以使用的控制點,后采用基于CORS的聯(lián)測方式處理。在國家Ⅱ等三角點ZGLD上進行靜態(tài)觀測,然后選取ZGLD附近分布的3個廣東CORS基準(zhǔn)站ZHGT、JWGT、GDTS作為起算,使用高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT和精密星歷進行聯(lián)測解算并進行平差和轉(zhuǎn)換工作[7],得到ZGLD與附近國家Ⅱ等三角點一致的平面成果,再聯(lián)合中北部的Ⅱ等三角點進行整網(wǎng)約束平差?？刂泣c聯(lián)測圖見圖1。

圖1　采用CORS基準(zhǔn)站聯(lián)測方式進行控制點加密

3.1.2圖根控制測量

CORS技術(shù)是利用區(qū)域內(nèi)網(wǎng)狀分布的基準(zhǔn)站的載波相位觀測數(shù)據(jù),以一個或多個基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)計算和發(fā)播GNSS改正信息,對該區(qū)域內(nèi)的用戶進行實時改正定位的技術(shù)。由于通過差分消除了絕大部分誤差,因此達到厘米級的定位精度[8]。CORS系統(tǒng)為區(qū)域(一個城市、省級行政區(qū)甚至更大的區(qū)域范圍)提供統(tǒng)一基準(zhǔn),解決不同行業(yè)測量成果的兼容性問題[9],測量作業(yè)穩(wěn)定性及成果可靠性更強,可以應(yīng)用于油氣長輸管道圖根控制測量。測量時使用帶有撥號模塊的GPS雙頻接收機,通過GPRS/CDMA等方式連接到CORS中心服務(wù)器,獲取差分改正數(shù),完成初始化后即可測量,整個操作用戶只需單機進行架站、連接及觀測[10]。

為驗證CORS的觀測精度和轉(zhuǎn)換參數(shù)精度,選取廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程的部分圖根控制點進行GPS靜態(tài)觀測,實測時每個點按2個時段、每次不低于60個歷元進行,再利用廣東CORS提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)將觀測成果轉(zhuǎn)換到1980西安坐標(biāo)系成果,實測點的觀測精度統(tǒng)計情況見表2、3，GPS靜態(tài)觀測成果與CORS測量成果的對比情況表見4。

通過觀測精度統(tǒng)計和轉(zhuǎn)換結(jié)果的外部檢核可以看出,CORS技術(shù)應(yīng)用于圖根控制測量滿足規(guī)范精度要求。

表2單次初始化各方向標(biāo)準(zhǔn)差與內(nèi)符合精度統(tǒng)計

m

表3重復(fù)觀測精度統(tǒng)計

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表4GPS靜態(tài)觀測成果與CORS測量成果比對

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3.1.3高程控制測量

目前，國內(nèi)大多數(shù)省市級CORS中心與當(dāng)?shù)厮拼蟮厮疁?zhǔn)面精化模型都建立了聯(lián)系,可實時或事后通過格網(wǎng)內(nèi)插求取國家高程基準(zhǔn)成果。似大地水準(zhǔn)面模型是以一定分辨率建立的區(qū)域高程異常格網(wǎng),在區(qū)域內(nèi)任何位置都可采用內(nèi)插數(shù)值方法獲取該位置的高程異常,根據(jù)觀測得到的大地高轉(zhuǎn)換到正常高。這種模式減少了繁重勞動,避免誤差積累對精度的影響,尤其對長輸管道的線狀地形,避免分段GPS高程擬合帶來的分段重疊地區(qū)成果不一致的情況[11]。

對利用似大地水準(zhǔn)面精化模型求取高程的方法進行可行性研究。通過CORS獲取實測點的經(jīng)緯度和大地高，再使用廣東省似大地水準(zhǔn)面工具通過內(nèi)插獲取實測點的正常高，將此結(jié)果與水準(zhǔn)測量成果進行比對，成果較差見圖2，精度統(tǒng)計見表5。

圖2　似大地水準(zhǔn)面計算高程與水準(zhǔn)測量成果較差

表5似大地水準(zhǔn)面計算高程與水準(zhǔn)測量成果精度統(tǒng)計

統(tǒng)計項高差Δ?H㊣/m最大值0.079次大值0.063最小值0.001外符合精度0.037

從表5可知,使用似大地水準(zhǔn)面精化模型求取高程能滿足油氣長輸管道高程控制測量的要求。需注意的是,區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型在某些局部可能與當(dāng)?shù)卣８呦到y(tǒng)存在系統(tǒng)偏差,根據(jù)實際情況確定系統(tǒng)偏差并加以改正,可以使高程成果最大程度地符合當(dāng)?shù)卣８呦到y(tǒng)[12-13]。

3.2數(shù)字化管道建設(shè)方面

數(shù)字化管道是指以信息基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ),以多尺度、多種類的空間基礎(chǔ)地理信息為支撐的管理和決策支持系統(tǒng)[14]。數(shù)據(jù)采集是數(shù)字化管道的基礎(chǔ),采集的內(nèi)容主要包括施工測量數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù),檢測信息等。其中測量數(shù)據(jù)主要包括焊口、閥門、彎頭、穿越、水保、陰保等碎部點的坐標(biāo)信息。由于油氣長輸管道的分布特點,碎部點往往處于上空遮擋、信號干擾、多路徑反射、通訊條件差等極端環(huán)境,因此常規(guī)測量方法需結(jié)合多種觀測手段(如常規(guī)RTK加全站儀的方式)進行。

油氣長輸管道的分布范圍廣、線路長,如果采用常規(guī)RTK進行數(shù)字化測量,測量精度隨移動站與基準(zhǔn)站的距離增加而降低[15],相對于常規(guī)的RTK方式,CORS技術(shù)具有不需架設(shè)基準(zhǔn)站、區(qū)域內(nèi)精度一致、不受基準(zhǔn)站距離影響的優(yōu)點,可以應(yīng)用于數(shù)字化管道建設(shè)。

在廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程中選取部分能夠反映環(huán)境特征的碎部點位置,如城市街區(qū)、山地、林地、河流穿越點等,采用CORS技術(shù)進行測量并對測量結(jié)果進行檢驗，得出：

1)在無明顯遮擋、通訊條件良好的碎部點,使用CORS技術(shù)測量初始化迅速,觀測精度高。

2)在遮擋嚴(yán)重或通信信號差、無法完成初始化的焊口位置,可采用CORS技術(shù)在附近觀測條件較好的地點測定2～3個圖根控制點,采用全站儀以支導(dǎo)線或后方交會的方式觀測并求解加密圖根點,再對焊口進行觀測。

3)在完全沒有通信信號且附近沒有可用控制點的碎部點位置如山區(qū),可采用基于CORS技術(shù)的靜態(tài)觀測方式測定2～3個圖根控制點,采用全站儀以支導(dǎo)線或后方交會的方式觀測并計算溝邊木樁圖根點,再對焊口進行觀測。

4)目前接收機普遍配置性能良好的扼流圈天線,在大面積水域附近如河流穿越點測試時沒有明顯感覺到多路徑反射的影響,觀測效果良好。

5)在一天的大多數(shù)時間使用CORS技術(shù)都可以正常作業(yè),但在低緯度地區(qū),每天午后電離層TEC指數(shù)達到峰值的2～3 h內(nèi),平均初始化所需時間明顯增加,高程精度下降,可通過電離層TEC的預(yù)報及規(guī)律合理擬定作業(yè)計劃來解決[11,16]。

3.3管道安全運營方面

3.3.1日常安全維護機制

巡線是管道運營日常安全維護機制最主要的內(nèi)容,巡視內(nèi)容包含閥門井、調(diào)壓設(shè)備、管線(包括托管管線)、標(biāo)志(標(biāo)志樁、標(biāo)志釘、標(biāo)志磚)、陰極保護測試樁、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害等。

目前電力、電信及油氣等行業(yè)相繼開發(fā)了基于GPS的嵌入式巡線系統(tǒng),這些系統(tǒng)定位方式一般都以GPS偽距單點定位,定位精度范圍在幾米到幾十米,在油氣長輸管道的巡線上不能滿足精確定位的要求?；贑ORS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)為多基站偽距差分,不需要雙頻接收機,1臺手持PDA即可解決,定位速度快,精度優(yōu)于0.5 m,而且不受距離制約[17],非常適用于油氣長輸管道的日常巡線。

3.3.2應(yīng)急響應(yīng)快速定位

由于城市建設(shè)步伐的加快,長輸管道沿線施工活動頻繁,威脅管道的安全運營,管道保護成為管道安全運營的重點[18]。在油氣長輸管道日常運營中,為預(yù)防施工開挖造成的第三方破壞,經(jīng)常需要在施工現(xiàn)場快速定位地下管道并在地面加密警示樁。采用CORS技術(shù)可以滿足這種應(yīng)急響應(yīng)的需求,使用CORS技術(shù)進行油氣長輸管道應(yīng)急定位,與傳統(tǒng)RTK測量作業(yè)方式相比,用戶不需架設(shè)參考站,1臺雙頻GPS接收機就能工作,真正實現(xiàn)單機作業(yè),減少儀器投入費用,還可以減少因參考站搬遷可能造成的區(qū)域定位精度不一致的問題。

通過數(shù)字化管道系統(tǒng)或竣工測量成果查詢,獲取管道竣工時采集的數(shù)據(jù),如焊口、彎點、套管、補傷點等碎部點的坐標(biāo),現(xiàn)場采用CORS技術(shù)直接放樣定位到管線點,或使用CORS技術(shù)布設(shè)加密圖根點、再使用全站儀放樣,確定目標(biāo)點的精確位置,結(jié)合管線探測儀進行檢查確認(rèn)。在地面上加密埋設(shè)警示樁,并輔以重點巡視確保管道安全[19]。

3.3.3管道內(nèi)檢測定位

管道內(nèi)檢測是利用在管道內(nèi)運行的可實時采集并記錄管道信息的檢測器所完成的檢測[20]?？梢詼?zhǔn)確地檢測出管道腐蝕、開裂、皺折等缺陷情況,通過風(fēng)險評價對管道進行安全維護,避免管道事故發(fā)生,有效促進管道的安全運營。

管道內(nèi)檢測定位,分為內(nèi)檢測實施前的內(nèi)檢測磁力盒定位和內(nèi)檢測完成后的管道缺陷定位。內(nèi)檢磁力盒是內(nèi)檢測特征點及缺陷點定位的基準(zhǔn)點,其精度直接影響到內(nèi)檢測成果的可靠性。使用CORS技術(shù)放樣缺陷點坐標(biāo),指導(dǎo)現(xiàn)場開挖修復(fù)缺陷點,內(nèi)檢測缺陷點的定位準(zhǔn)確性尤為重要,開挖結(jié)果直接影響內(nèi)檢測的可靠性。CORS技術(shù)應(yīng)用于油氣長輸管道內(nèi)檢測定位,對比常規(guī)的單基準(zhǔn)站RTK作業(yè)模式,提高了測量工作效率,具有實施成本低、定位精度高、實時性強等諸多優(yōu)點。

4結(jié)論

作為一種維持高精度參考框架的基礎(chǔ)設(shè)施,CORS技術(shù)提供了多種可以滿足不同層次定位需求的解決方案。通過對CORS技術(shù)和油氣長輸管道測量現(xiàn)狀與需求的分析,以廣東省天然氣主干管網(wǎng)二期工程為背景,對CORS技術(shù)在油氣長輸管道控制測量、數(shù)字化管道建設(shè)、管道安全運營等方面的應(yīng)用進行了論述，相對于油氣長輸管道測量的傳統(tǒng)作業(yè)方式,CORS技術(shù)的應(yīng)用使得作業(yè)更為靈活方便,平面和高程控制成果整體精度更高,在安全運營保障方面也更具可操作性,具有重要的推廣價值。

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收稿日期：2015-12-10

作者簡介：李建輝(1982-),男,湖南安化人,高級工程師,注冊測繪師,學(xué)士,主要從事測繪、軟件開發(fā)、數(shù)字管道、管道完整性管理等相關(guān)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.024