CORS技术在油气长输管道测量中的应用

李建辉　林其明　古宗鹏　刘武广

1.北京天下图数据技术有限公司,　北京　101300；2.广东省天然气管网有限公司,　广东　广州　510425



CORS技术在油气长输管道测量中的应用

李建辉1林其明2古宗鹏1刘武广1

1.北京天下图数据技术有限公司,北京101300；2.广东省天然气管网有限公司,广东广州510425

摘要：以广东省天然气主干管网二期工程为背景,对CORS技术在油气长输管道测量中的应用进行研究。通过对CORS技术和油气长输管道测量现状的分析,阐述了CORS技术在油气长输管道控制测量、数字化管道建设及管道安全运营方面应用的技术思路与实施方法，得出了在油气长输管道测量中使用CORS技术比传统测量方式更灵活方便,平面和高程控制测量成果整体精度更高,安全运营保障可操作性更强的结论。研究表明，CORS技术适合在油气长输管道测量中推广应用,能提高长输管道测量的工作效率,降低长输管道测量成本,有效保障油气长输管道的安全运营。

关键词：CORS；网络RTK；长输管道；数字化管道

0前言

管道运输作为石油天然气等能源的主要运输方式,对保障我国经济建设和能源安全有重要意义。为适应管道测量、数据采集与安全保障等方面的需要,开展了CORS技术在油气长输管道中的可行性与适用性研究。本文以广东省天然气主干管网二期工程为背景,参照相关规范对实验数据进行分析统计,结合管道测量的特点进行适用性研究,特别提出了CORS技术在管道安全运营方面应用的技术思路和实施方法,可作为CORS技术在油气长输管道测量的应用依据。

1CORS技术

连续运行参考站系统(Continuously Operating Reference Stations,CORS)是网络技术与GNSS定位技术、现代大地测量、地球动力学交叉融合的产物,通过建立覆盖一定区域的一个或多个连续运行的GNSS参考站,利用计算机网络技术,实时或准实时地向用户提供多样数据,包括不同类型的GNSS观测值(载波相位、伪距等),对流层、电离层等各种GNSS误差改正数,状态信息以及授时等其他信息[1]。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五部分组成,各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体,形成专用网络。

严格来说CORS技术不是单一的技术,而是一系列技术和资源的集成。除了提供实时精密定位导航服务[2],CORS拥有高精度框架基准、连续不间断数据资源、区域内间距均匀的分布特征，以及与区域内高等级控制点和似大地水准面建立的联系,都可为各种不同类型的精密定位需求提供解决方案。

深圳市建立了我国第一个连续运行参考站系统(SZCORS)[3],已开始全面应用。全国部分省、市也已初步建成或正建类似的省、市级CORS系统。

2油气长输管道测量现状

油气长输管道测量主要有线路测量、穿(跨)越工程测量、站址测量等,特点是线状分布,地形地貌复杂多样,经常穿越河流和道路,观测条件通常较差,部分地区控制点稀缺。

油气长输管道测量按照传统作业方式、技术原理、成果精度等特点,可分为五类，见表1。

表1油气长输管道传统测量类别

测量类别作业方式/技术原理成果精度平面控制GPS静态测量GPSD级精度高程控制水准测量、GPS高程拟合四等水准精度图根控制、像控测量GPS-RTK、全站仪±5cm以内数字化管道测量、放样GPS-RTK、全站仪±10cm以内日常巡线单点定位、手持GPS±10m以内

由于油气长输管道的线状分布特点,GPS静态测量时需要搜集管道沿线大量的高等级平面、高程控制点资料并分段进行观测计算,管道线路勘测中的带状地形图测绘、中线测量、纵横断面测绘都需要测量大量的地形及油气管道专业要素,数字化管道建设中需要对大量碎部点,如焊口、阀门、弯头、穿越、水保、阴保等进行定位测量,在运营阶段的日常测绘、坐标放样等方面也需要快速精确定位方法。为更好地服务于油气长输管道的建设和运营,需要一种更简单快速精确的测量定位技术和安全保障解决方案[4]。

3CORS技术的应用

3.1油气长输管道控制测量方面

3.1.1首级控制测量

实施GPS静态控制测量时,需搜集测区范围已有的国家高等级控制点成果,按照逐级布设的原则向下发展,高等级控制点作为整个控制网的基准和起算依据[5]。但由于高等级控制点破坏严重,加上油气长输管道呈线状分布的特点,找到足够数量并能在网型上均匀分布且对管道控制网形成有效控制的高等级控制点往往较困难,控制点资料申请审批、点位踏勘、联测解算也需要大量时间和经费。

CORS系统的高精度基准站坐标和不间断观测数据,提供了一种能够替代联测高等级控制点的作业方式,实施方法为：以静态方式观测控制点(可以是单独一个或从网中选择分别均匀的若干个点构成框架网),观测完成后选取控制点周边CORS基准站,采用长基线解算软件和精密星历进行基线解算,再以CORS基准站的精确坐标进行约束平差得到控制点在CORS系统下的成果,通过区域转换关系和水准面模型得到管道控制网坐标系的成果。这种方式简化了布网和观测工作,节省了搜集资料和踏勘找点投入的时间及人力成本,并可获得整体精度更好的成果[6]。

以广东省天然气主干管网二期工程首级控制网为例,将控制网中部和北部的国家Ⅱ等三角点作为起算点,但南部临海区域的国家Ⅱ等三角点ZGLD被破坏,附近没有其他可以使用的控制点,后采用基于CORS的联测方式处理。在国家Ⅱ等三角点ZGLD上进行静态观测,然后选取ZGLD附近分布的3个广东CORS基准站ZHGT、JWGT、GDTS作为起算,使用高精度数据处理软件GAMIT和精密星历进行联测解算并进行平差和转换工作[7],得到ZGLD与附近国家Ⅱ等三角点一致的平面成果,再联合中北部的Ⅱ等三角点进行整网约束平差。控制点联测图见图1。

图1　采用CORS基准站联测方式进行控制点加密

3.1.2图根控制测量

CORS技术是利用区域内网状分布的基准站的载波相位观测数据,以一个或多个基准站为基准计算和发播GNSS改正信息,对该区域内的用户进行实时改正定位的技术。由于通过差分消除了绝大部分误差,因此达到厘米级的定位精度[8]。CORS系统为区域(一个城市、省级行政区甚至更大的区域范围)提供统一基准,解决不同行业测量成果的兼容性问题[9],测量作业稳定性及成果可靠性更强,可以应用于油气长输管道图根控制测量。测量时使用带有拨号模块的GPS双频接收机,通过GPRS/CDMA等方式连接到CORS中心服务器,获取差分改正数,完成初始化后即可测量,整个操作用户只需单机进行架站、连接及观测[10]。

为验证CORS的观测精度和转换参数精度,选取广东省天然气主干管网二期工程的部分图根控制点进行GPS静态观测,实测时每个点按2个时段、每次不低于60个历元进行,再利用广东CORS提供的坐标转换服务将观测成果转换到1980西安坐标系成果,实测点的观测精度统计情况见表2、3，GPS静态观测成果与CORS测量成果的对比情况表见4。

通过观测精度统计和转换结果的外部检核可以看出,CORS技术应用于图根控制测量满足规范精度要求。

表2单次初始化各方向标准差与内符合精度统计

m

表3重复观测精度统计

m

表4GPS静态观测成果与CORS测量成果比对

m

3.1.3高程控制测量

目前，国内大多数省市级CORS中心与当地似大地水准面精化模型都建立了联系,可实时或事后通过格网内插求取国家高程基准成果。似大地水准面模型是以一定分辨率建立的区域高程异常格网,在区域内任何位置都可采用内插数值方法获取该位置的高程异常,根据观测得到的大地高转换到正常高。这种模式减少了繁重劳动,避免误差积累对精度的影响,尤其对长输管道的线状地形,避免分段GPS高程拟合带来的分段重叠地区成果不一致的情况[11]。

对利用似大地水准面精化模型求取高程的方法进行可行性研究。通过CORS获取实测点的经纬度和大地高，再使用广东省似大地水准面工具通过内插获取实测点的正常高，将此结果与水准测量成果进行比对，成果较差见图2，精度统计见表5。

图2　似大地水准面计算高程与水准测量成果较差

表5似大地水准面计算高程与水准测量成果精度统计

统计项高差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

从表5可知,使用似大地水准面精化模型求取高程能满足油气长输管道高程控制测量的要求。需注意的是,区域似大地水准面精化模型在某些局部可能与当地正常高系统存在系统偏差,根据实际情况确定系统偏差并加以改正,可以使高程成果最大程度地符合当地正常高系统[12-13]。

3.2数字化管道建设方面

数字化管道是指以信息基础设施为基础,以多尺度、多种类的空间基础地理信息为支撑的管理和决策支持系统[14]。数据采集是数字化管道的基础,采集的内容主要包括施工测量数据、施工过程数据,检测信息等。其中测量数据主要包括焊口、阀门、弯头、穿越、水保、阴保等碎部点的坐标信息。由于油气长输管道的分布特点,碎部点往往处于上空遮挡、信号干扰、多路径反射、通讯条件差等极端环境,因此常规测量方法需结合多种观测手段(如常规RTK加全站仪的方式)进行。

油气长输管道的分布范围广、线路长,如果采用常规RTK进行数字化测量,测量精度随移动站与基准站的距离增加而降低[15],相对于常规的RTK方式,CORS技术具有不需架设基准站、区域内精度一致、不受基准站距离影响的优点,可以应用于数字化管道建设。

在广东省天然气主干管网二期工程中选取部分能够反映环境特征的碎部点位置,如城市街区、山地、林地、河流穿越点等,采用CORS技术进行测量并对测量结果进行检验，得出：

1)在无明显遮挡、通讯条件良好的碎部点,使用CORS技术测量初始化迅速,观测精度高。

2)在遮挡严重或通信信号差、无法完成初始化的焊口位置,可采用CORS技术在附近观测条件较好的地点测定2～3个图根控制点,采用全站仪以支导线或后方交会的方式观测并求解加密图根点,再对焊口进行观测。

3)在完全没有通信信号且附近没有可用控制点的碎部点位置如山区,可采用基于CORS技术的静态观测方式测定2～3个图根控制点,采用全站仪以支导线或后方交会的方式观测并计算沟边木桩图根点,再对焊口进行观测。

4)目前接收机普遍配置性能良好的扼流圈天线,在大面积水域附近如河流穿越点测试时没有明显感觉到多路径反射的影响,观测效果良好。

5)在一天的大多数时间使用CORS技术都可以正常作业,但在低纬度地区,每天午后电离层TEC指数达到峰值的2～3 h内,平均初始化所需时间明显增加,高程精度下降,可通过电离层TEC的预报及规律合理拟定作业计划来解决[11,16]。

3.3管道安全运营方面

3.3.1日常安全维护机制

巡线是管道运营日常安全维护机制最主要的内容,巡视内容包含阀门井、调压设备、管线(包括托管管线)、标志(标志桩、标志钉、标志砖)、阴极保护测试桩、第三方施工、地质灾害等。

目前电力、电信及油气等行业相继开发了基于GPS的嵌入式巡线系统,这些系统定位方式一般都以GPS伪距单点定位,定位精度范围在几米到几十米,在油气长输管道的巡线上不能满足精确定位的要求。基于CORS技术的网络RTD服务为多基站伪距差分,不需要双频接收机,1台手持PDA即可解决,定位速度快,精度优于0.5 m,而且不受距离制约[17],非常适用于油气长输管道的日常巡线。

3.3.2应急响应快速定位

由于城市建设步伐的加快,长输管道沿线施工活动频繁,威胁管道的安全运营,管道保护成为管道安全运营的重点[18]。在油气长输管道日常运营中,为预防施工开挖造成的第三方破坏,经常需要在施工现场快速定位地下管道并在地面加密警示桩。采用CORS技术可以满足这种应急响应的需求,使用CORS技术进行油气长输管道应急定位,与传统RTK测量作业方式相比,用户不需架设参考站,1台双频GPS接收机就能工作,真正实现单机作业,减少仪器投入费用,还可以减少因参考站搬迁可能造成的区域定位精度不一致的问题。

通过数字化管道系统或竣工测量成果查询,获取管道竣工时采集的数据,如焊口、弯点、套管、补伤点等碎部点的坐标,现场采用CORS技术直接放样定位到管线点,或使用CORS技术布设加密图根点、再使用全站仪放样,确定目标点的精确位置,结合管线探测仪进行检查确认。在地面上加密埋设警示桩,并辅以重点巡视确保管道安全[19]。

3.3.3管道内检测定位

管道内检测是利用在管道内运行的可实时采集并记录管道信息的检测器所完成的检测[20]。可以准确地检测出管道腐蚀、开裂、皱折等缺陷情况,通过风险评价对管道进行安全维护,避免管道事故发生,有效促进管道的安全运营。

管道内检测定位,分为内检测实施前的内检测磁力盒定位和内检测完成后的管道缺陷定位。内检磁力盒是内检测特征点及缺陷点定位的基准点,其精度直接影响到内检测成果的可靠性。使用CORS技术放样缺陷点坐标,指导现场开挖修复缺陷点,内检测缺陷点的定位准确性尤为重要,开挖结果直接影响内检测的可靠性。CORS技术应用于油气长输管道内检测定位,对比常规的单基准站RTK作业模式,提高了测量工作效率,具有实施成本低、定位精度高、实时性强等诸多优点。

4结论

作为一种维持高精度参考框架的基础设施,CORS技术提供了多种可以满足不同层次定位需求的解决方案。通过对CORS技术和油气长输管道测量现状与需求的分析,以广东省天然气主干管网二期工程为背景,对CORS技术在油气长输管道控制测量、数字化管道建设、管道安全运营等方面的应用进行了论述，相对于油气长输管道测量的传统作业方式,CORS技术的应用使得作业更为灵活方便,平面和高程控制成果整体精度更高,在安全运营保障方面也更具可操作性,具有重要的推广价值。

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收稿日期：2015-12-10

作者简介：李建辉(1982-),男,湖南安化人,高级工程师,注册测绘师,学士,主要从事测绘、软件开发、数字管道、管道完整性管理等相关工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.024