全站仪高程导线测量在油气田工程测量中的应用.pdf

l 2 0 石油工程建设 2 0 1 0年 4月 一 母 陈学虎 ，张里南 2 ，罗金锐 ，姚红舵 1 1 ． 唐山冀东油田设计工程有限公司，河北唐山0 6 3 0 0 0 ；2 ． 青海省测绘局第二测绘院，青海西亍8 1 1 0 0 0 摘 要 在 油气 田工程 勘 测 中 ，用全站 仪 高程 导 线测 量替 代 三 四 等 水准测 量 ．能有 效提 高精 度，降低劳动强度 。文章介绍了全站仪 中间法三角高程测量的原理、方法和优点．并对该测量方法 的精度 进行 了分析 。该 方 法更 适用 于 山地 、丘 陵等 高差较 大的地 区 。可灵 活选择 测站位 置 ．测站不 需对 中，不 需量取仪 器高 ，操作 灵 活实用 ，能有效提 高测量 工作 的效 率 关键词 工程 建设 ；工程 测 量 ；全 站仪 ；高程 导线测 量 精 度 中图分类号 T B 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 0 0 2 0 1 2 0 0 5 1 油气 田工程 测量 的特点 油气 田勘探开发的特点是地域广阔．而生产用 地相 对 较少 且 比较 分散 ，生 活基 地距 生 产 区较 远 ． 线路工程距离较长 ．随着油气勘探开发的加快 ．地 面 工 程建 设 速 度 相 对 较 快 ．工程 勘 察设 计 工 期 较 短 ，而加快 勘测 工作 、在确 保精 度 的条 件下缩 短测 量作业时间最有效的方法是改进测量技术．尽可能 采取一些高效作业方法．G P S卫星定位技术在测绘 领域的广泛应用 ．不但降低了劳动强度 ．还大大提 高 了测 量作 业效 率 由于 油气 田所处地 理位 置 的特殊性 及生产 的特 殊性 ．控制点往往 经常被破坏 ．所以经常需要做工程 测量控制网．在采用 G P S静态控制测量和动态野外 数据采集数字化成图作业的今天．为了获得 比较理想 的 G P S拟合水准面 ．就需要进行大量的高程联测工 作 ．为 了克服已知控制点 比较分散且距测区被联测点 远 而造成 的加大高程测量工 作量和工作 难度 的问题 ． 采用全站仪高程导线测量是切实可行的方法 2电子全 站仪 的特性 全站 仪是 由 电子测 角 、电子 测距 、电子计 算 和 数据存储单元等组成的三维坐标测量系统．测量结 果能 自动 显示 ．并能 与外 部设备 交换数 据 ．是一种 多功能测量仪器 由于全站型电子速测仪较完善地 实现 了测量 处理 过程 的电子 化和 一体化 ．所 以通常 称之为全站型电子速测仪或简称全站仪 全站仪在 实际工作中的应用十分普遍 3 全站 仪高 程导线测 量代替 三 四 等 水准测 量 测量地面待定点的高程 ．常用方法是先通过仪 器测量待测点与已知点问的高差 ．然后计算出待测 点 的高程 。测定 两点 间高差 的方法 很多 ．如水 准测 量 、经纬 仪 三角高程测 量等 。水 准测 量精 度高 ，但 仅适用于平坦地区经纬仪三角高程测量适用于山 区 ．但 由于距 离 测 量 精 度 和 量 取 仪器 高 的精 度 较 低 ．测量所得的高差精度也 比较低 全站仪具有测 量速度快 、测距精度高 、适用范围广等特点 ，但用 全 站仪代 替经 纬仪进行 三角 高程测 量 ．仍 然存 在量 取仪器高的问题 ．因此．必须对传统三角高程测量 方 法进行 改进 ．才能 提高 高差测量 精度 。不少 测绘 工作者通过多次实践 ．认为全站仪中间法三角高程 测 量能达 到 国家三 四等 水准测 量 的精度要 求 。 3 ． 1 全站仪 中间法三 角 高程 测量 的原理 如 图 1 所 示 ．在 已知 高 程 点 A 和 待 测 点 B上 分 别安 置反 光棱镜 ．在 、 的大约 中 间位 置选择 与两点均通视 的 0点安置全站仪 ，根据三角高程 测量原理 ，O、A两点 的高差 h 为 h l S l s i n a 1 c l r l i ～ l 1 式 中 S 。 D至 A点 的斜距／ m； O ／ 观测 垂直角 c 、 地球曲率改正数 ． r 。 大 气折光 改正数 仪器 高／ m 4点的目标高／ m 羊 羊 牛 ★ ★ ★ ★ ★ ★ 第 3 6卷第 2期 陈学虎 等全站仪高程导线测量在油气 田工程测量中的应用 1 2 1 图 1 全站仪中间法高程测量原理 地球 曲率与大 气折光 影 响之 和 为 f , c , -r l - 2 2 一 学 S 1 C O S O 1 2 式 中尺 地球 的平 均半 径 ，为 6 3 6 9 0 0 0 IT I ； K， 0至 A的大气折光系数。 因此 ，式 1 可 表达 为 hi S1 s i n l iV l 3 1 S i S c o s o t 1 3 同理可得 0、B两点的高差 h 为 h 2． s i n 2 ．， i V 2 2 s i 2 c o s o 2 z 4 式 中 ．s 广D至 点 的斜距， m； ， 观测垂直角 一 地球 曲率 与大 气折 光影 响之 和 ； K 广大气折光系数 ； ， 点 的 目标 高／ m A 、B两点问的高差 h为 hh 2 一h l S2 s i n O L 2 一S1 s i n 1 l 一 2 2 c o s o l 一 s l c 0 s 5 设已知点 A的高程为 ，待求点 日的高程为 ，则 HB Hah 月 C O S 2 一S1 s i n 1 l 一口 2 q - c o s o 一 S C O S 1 6 由上 式 可知， 在 不 考虑 已知 点 高程误 差 的情 况 下 ，采用中间法测量高程主要与测量斜距 5 和 5 2 、 垂直角 和 、目标高 和 及大气折光系数 K 和 K 有关 ，与仪器高无关 ， 从而克服 了量取仪器 高精度低 的问题， 有利于提高测量精度。 当 A 、 两点采用 同一对 中杆且 不变换高度 ，即 。 时 ， 式 6 变 为 HBHAh 4 - S 2 s i n仅2 一S1 s i n 1 2 c o s o r 2 c o s o q 7 由上 式可 知 ，采 用适 当的方法 ，全 站仪 中 间法 高程测量与仪器高 、目标高完全无关 ，只与距离 、 垂 直 角及 大气折 光 系数有 关 3 ． 2中间法高程导线测量 3 ． 2 ． 1 中问法观 测 顺序 在两点 中问选测站 点． 用“ 后一前一前一后 ” 的顺序对称观测 盘左 先后 视再 前视 h 曲 左b 左 一a 左 8 盘 右 先前 视再 后视 h a b 右b a 一口 右 9 式 中 后 视垂 距 中数／ m，aS s i n a a ； 6 前视 垂距 中数／ m，bS b s i n a b ； Js 、S 厂分别 为仪 器至后 视前 视 的斜距／ m； 瓯、n 厂分别为后视 、前视观测垂直角。 高 差 中数 h a b 中 b 左 a b 右 ／ 2 6 左6 右 ／ 2一 0 左0 右 ／ 2b 中一 n 中 1 0 式 中 h a b 中 高 差 中数， m； n 后视 垂距 中数／ m b 前 视垂 距 中数／ m 3 ． 2 ． 2 中间法测 高程导 线 如 图 2所示 ，A 、曰为高程导线 的起点 和终 点 ，在测 线 问设 测站 1 ，2 ，⋯ ， 。盘 左 和盘 右 观 测程 序 为 “ 后一 前一 前一 后 ” 。后 视 垂 距 为 a ，前 视垂距为 b ，则各段高差为 图 2中 间 法 测 高程 导 线 h1 左bl 左 一a 1 左， hl 右bl 右一a l 右 h 2 左6 2 左一 左，h 2 右 6 2 右一 右 h 左 6 左一 ％左，h 右6 右 一 右 上式 合计 得 ∑h 左 ∑6 左一 ∑ ，∑h 右 ∑6 右一 ∑％ l 2 2 石油工程建设 2 0 1 0年 4月 A B 中 ∑h 左 ∑ 右 ／ 2 ∑b 中一 ∑a 中 1 1 即高差 中数等于前视垂距 中数之和减去后视垂 距 中数 之 和 为提高测量速度，当使用两个棱镜分别为前后 视觇标时，其觇标高度不能严格相等。 设 觇标 高分别 为 Z 和 f 2 ，觇标 高度差 △ f Z 一 Z 如图 3所示 。 由式 h a b _B HA H 。 b i f b 一 H a i f ，得 第一测站高差 h 6 。 一a 。 一 2 一z 第二测站高差 h b 一a z 一 1 一f 2 图 3 觇标高度不相等 时的高程测量 当测站数为偶数时 h l h 2 ⋯ [ b 1 一a 1 一 f 2 一f 1 ] [ b 2 一a 2 一 2 l 一1 2 ] ⋯ [ b 1 0 1 b 2 一a ,z ⋯] [ 一 Z 2 一l 1 一 Z - 一1 2 一⋯ ] b 1 b 2 ⋯ 一 a 1 Ⅱ 2 ⋯ 1 2 由此 可知 ．采用两棱镜分别轮流作为前后觇 标．在测段问观测站为偶数时．棱镜高度差相互抵 消 ，高差计算公式仍为式 1 1 。 若观测站数为奇数 ．两点间高差应减去最后一 站棱镜高度差 △ f ，即 h s s ,∑6 中一∑0 中一 f 2 一I i 式 中l l 最后一 测站 的后 视觇标 商 l 最后--N站的前视觇标高。 4 全站 仪 中间法三 角高程 测量 的精度 分析 4 ． 1 全站仪 中间法高程测量中误差 在不考虑已知点高程误差的情况下 ．对式 进行全 微分 ．得 d h一 s 2l c 0 s 2 0 [ ， d S s i n 0 c 2 |s 2 c o s 2 一 s - c 。 s ] 1 - 广KI．s 2 c 。 s i n 5 z c o s 2 s 一 2 R 5 c 。 s 1 2 c。s 2 -d K- d 山 1 3 式 中P2 0 6 2 6 5” O 当 S I 1 0 0 0 13 1 、S 2 1 0 0 0 m，并 且 K值 在 我 国东 部 地 区 约为 0 ． 0 9一o ． 1 3 ， s C O 8 2 、 ] 1 - K 2 5 2 C 0 S 2 2 。 1 - ⅡK I S c o s 1 S in 、l - nK 2 S c 。 s z s i n O t 的值很小 ，可以忽略不计 ，设 D。 S 。 c o s 。 、 D 2 C O S 2 ，D 、D2 分别 为 O至 A 、 的水 平 距 离 ，则式 1 3 可写 成 d h一s i na1 d S1 s i n 2 dS 2 一 D1 d 1 D2 d 2 一 1 2 z 1 2 一 2 1 4 根据误差传播定律将式 1 4 转变为 中误差 关 系式 ，则 式 1 4 变为 r r s i n 2 o q 2 s i n 2 饯 z 2 D ， 1 r 2 2 1 4 2 1 D4 2m2 m 2 m 2 1 5 大气折光系数 K 和 K 一般不相等，要精确地 测量出某一时间 K的变化值是不可能的．但在同 一 地点 ，短时间内值的变化很小，因观测几乎是在 同样情况下进行的．而且几乎是在同一时间内进行 的， 近似地假定 K ，并设 mx mK ，mK ’考 虑 全站仪的特点 ．设边长的测量精度 m s 、角度的测 量精度 m 及 目标高 的量取精度 m 分别相等 ，即 2 2 2 2 2 2 2 2 2 m S m s ． m s 、／ r ／ , v ／ n v 豫 、 md ， 帆 2， 则式 1 5 可写 成 [ s i n 2 1 s i 1 1 2 0 2 2 1 D 2 D 22 2 D m 2 m ] 1 6 5 式中m 全站仪中间法高程测量中误差 ； m 广全站仪测距 中误差 m 全站仪测角中误差； m 大气折光系数测定 中误差 ； m 目标高 量取 中误差 。 由式 1 6 可见 ，全站仪 中间法高程测量误差 与仪 器精度 m 、m 、 大气折 光误差 m 及 目标高 第 3 6卷第 2期 陈学虎等 全站仪高程导线测量在油气 田工 程测量 中的应用 1 2 3 量取误差 m 有关。式 1 6 即为考虑 目标高量取 误差时全站仪中间法高程测量的中误差。 同 理 ，对 式 7 取 全 微 分 ， 并 转 换 成 中误 差 关 系式 ．得 [ s i n 1 s i n O L2 m s2 D D 2 -I- 1 m 1 7 式f 1 7 为 目标高相等时全站仪 中间法高程 测量 的 中误差 4 ． 2 全站 仪 中间 法高程 测量 的极 限误 差 目前 工 程上 常用 的全 站 仪测距 精 度 一般 为 1 1 x l 0 - 6 D～ 55 x l 0 Dm m D 为狈 0 距 长 度 ． 以 k m 计 ， 测 角 精 度 一 般 为 0 ． 5 ” ～ 6 ． 0 仪器高和 目标高的量取一般采用卷尺丈量 ， 当精 度要求 较高 时 ．则 采用 测杆 量取 ．而 且要独 立 量取 2次 ．当 2次量取的较差小于 2 m m时 ，取其 平均值 作为 最终 结果 。 以 m 2 ” 的全站仪为例 ，其测距精度一般 为 22 x l 0 Dm m ，在 此 ，取 m 4 m m ， 即按全站仪到测点的测距为 1 k m计算 ；曾有试验 证 明 ，折 光 系数 的误 差 为 0 ． 0 3～0 ． 0 5 ，在 此 ， 取 m 0 ． 0 4 ，分 别 计 算 公 式 1 7 和 公 式 1 6 ，即目标高相等时和考虑 目标高量取误差时全 站仪 中间法高程测量的中误差 ，并 以A2 m 即 2 倍 中误 差 与 三 、四等 水 准 测 量 的极 限误 差 进 行 比 较 ．精度计算时取 和 中的最大者，统一为 ， 结 果见 表 1 和表 2 4 ． 3 精度 分析 通 过表 1 、表 2的分析 可知 1 全站仪 中间法高程测量的误差 ，随着观测 距 离 、竖直 角 的增大 而增 大 。 2 采用前后视 目标高相等进行高程测量 ，可 以消 除 目标 高 量 取 误 差 的 影 响 ，提 高 高 程 测 量 精 度 ．尤 其是 在观 测距离 较 短 的时候 。 3 从 表 1 及 相关 分析 可知 ，前 后视 采用 同一 目标高 ，以 m 2 ” 全站仪的高程测量误差 ，当 仪 器 至前 后视 距离 差 即I D 一D l ≤1 0 0 m 时 ，前 后 表 1 目标高相等时全站仪中间法高程测量的极 限误差与 三、四等水准测量极限误差的比较 D l -I- D 2 ／ m 2 o 0 4 o o 6 0 0 l 8 o o I DI 一 J ／ m O 1 0 O O 1 o o O 1 0 o 0 l o 0 1 。 2．7 5 3 ．O8 5 ． 5 0 5 ． 6 7 8 ． 2 7 8 39 2 5．71 2 5．7 6 5 。 2．9 2 3 ．2 2 5 ．58 5 ． 7 5 8 - 3 2 8 44 2 5 ． 7 3 2 5 ． 7 8 l 0 。 3 ．3 7 3 ．6 4 5 ． 8 4 6 ． 0 0 8 ． 5 O 8 ． 61 2 5 ． 7 8 2 5 ． 8 4 △ 2 mh ／ ram l 5 。 4 ． 01 4 2 4 6- 2 3 6 - 3 8 8 ． 7 7 8 ． 8 8 2 5 ． 8 8 2 5 ． 9 3 2 O。 4 ． 4 7 4 ． 9 4 6 ． 7 2 6． 8 6 9 ． 1 3 9 ． 2 3 2 6 ． 0 o 2 6 ． O 5 2 5 。 5 ． 51 5 ． 6 8 7．2 8 7．41 9 ． 5 5 9 ． 6 5 2 6 ． 1 5 2 6 ． 2 0 3 0。 7 ． 1 3 6 ． 4 3 7 ． 8 9 8 ．0 0 1 0．O 2 1 O ． 1 l 2 6 - 3 2 2 6 _ 3 8 三等水 准限差 1 2 、 ／ ／ m m 5 36 7 ． 5 9 9 - 3 O 2 4 ． 4 9 四等水准限差 2 0 、 ／ ／ ra m 8 ． 9 4 l 2 ． 6 5 1 5 ．4 9 2 6 ． 8 2 表 2考虑 目标高■取误差时全站仪中间法高程测量 的极 限误差与三 四等水准测量限差的比较 D1 D2 ／ m 2 0 0 4 o o 6 0 0 1 6 o 0 I D- 一D I ／ m O l 0 o O 1 0 o 0 l 0 0 0 1 0 HD l 。 6 ． 2 9 6 ． 6 5 7 ． 8 9 8 ． 0l 1 0 ． 0 2 1 0． 1 2 2 3 _ 3 6 2 3 ．4 2 5 。 6．3 6 6 ． 7 2 7 ． 9 5 8 ． 0 7 1 0 ． O 6 l 0． 1 7 2 3 ． 3 8 2 3 ．4 4 1 O 。 6 ． 5 9 6 ．9 4 8 ． 1 3 8 ． 2 5 1 0-21 1 0_ 3 0 2 3 ．4 4 2 3 ．5 0 △ 2 mh ／ mm l 5 。 6 ． 9 4 4- 2 4 8 ．4l 8 ． 5 3 1 0 ． 4 4 1 O ． 5 3 2 3．5 4 2 3 ．6 0 2 0 。 7 ． 3 8 4 ．9 4 8 ． 7 8 8 ． 8 9 1 0 ． 7 4 1 0 ． 8 3 2 3 ．6 8 2 3 ．7 3 2 5 。 7 ． 9 0 5 ．68 9 _ 2 2 9-3 3 1 1 ． 1 0 1 1 ． 1 9 2 3．8 4 2 3 ．9 O 3 0 。 8 ． 4 6 6 ．4 3 9 ． 7 O 9 ． 8 O 1 1 ． 5 O 】 1 ． 5 9 2 4 ． 0 3 2 4 ． O 9 三等水准限差 1 2 V百 ／ ram 5 _3 6 7 ． 5 9 9 -3 O 1 4 ．7 0 四等水准限差 2 0 、 ／ _ D／ m m 8 ． 9 4 1 2 ． 6 5 1 5 ． 4 9 2 4 ．4 9 1 2 4 石油工程建设 2 0 1 0年 4月 视距离总和在 1 ． 8 k m范围内可 以达到四等水准测 量的限差要求 当仪器至前后视距离相等 ，即 D 一 D 2 0。垂 直 角 O L ≤ 2 0 o 时 。前 后视 距 离 总和 在 6 0 0 m以内．可满足三等水准测量的限差要求 4 从表 2及 相关分 析可 知 ．即使考 虑 目标 高 量取误 差 ，当仪器 安置在 前后 视距离 差 即 I D。 一D I ≤1 0 0 m时 ．前后 视距 离总 和在 1 ． 6 k m 范 围 内仍 可 达到 四等水 准测 量的 限差 要求 5 全 站仪 中 间法 三角 高程测 量 的优点 采用全站仪中间法进行高程测量 ．有 以下优点 1 不需量取仪器高，消除了量取仪器高对高 程测 量精度 的影 响 采 用 同一觇标 进行观 测 ，觇标 高相等．不需量取觇标高 ．消除了量取觇标高的误 差对高程测量精度的影响。 f 2 采 用“ 后一 前一前 一后 ” 的对 称 观 测 顺 序 ．保持前后视距相等 ，能有效消除地球曲率和大 气折 光对 高程测 量精度 的影 响 3 用 中间法进行 高程 导线测 量 ，既可用 同一 觇标进 行观 测 ，也可 以前后 两觇标 分别 观测 。加之 全站仪测程较大 ，可大大提高测量速度。 4 更 适用 于 山地 、丘 陵 等高 差较 大 的地 区 ．而且精度高 。如果 以水准仪进行观测 ，必将 安置更多的测站 ，观测误差累积将越来越大 。但 是 ．以全 站仪进 行高 差测 量 ，其误 差远 远小 于水准 仪的限差 ．因而可进行高等级的高程控制测量。当 采用盘左和盘右观测时 ．还可进一步提高高差测量 的精度。 f 5 采用全站仪中间法测量高程 ，相邻两测点 可以不通视 ．可灵活选 择测站位置 ，测站不需对 中 ， 不量仪器高 ，操作灵活 、实用 ，节约大量测量时间 并降低劳动强度，在作业特点上 比全站仪对 向观测 法具有 明显 的优势 ．在一 定 范围 内 ，其精度 可达 到 四等水准测量的要求 ．采用适 当的方法使前后视 目 标高相等 ．还可满足三等水准测量的精度要求 。 f 6 观测速度快 ，错误率低 ，降低劳动强度 ， 提高 劳动效 率 用 水准仪 观测 。测 量人 员通过 望远 镜读取水准尺上的数 ，速度慢 ，容易读错数，而且 眼晴容易疲劳 。采用全站仪观测 ，仅 瞄准 目标而 已．读数直接 以数字显示，因而读数错误的概率几 乎为零 ．速度也非常快。 6 全站仪 中间法高程 测量在 油气 田的应用 实例 表 3是冀东油 田某基地测量中的高程控制测量 数据 ，为 了验证 该控制 网数据 的可靠 性 ，分 别利用 四等水准测量和 G P S R T K拟合高程测量进行检校。 表 3冀东油 田某基地高差计算对比 全站仪 水准 G P S拟 三角高差 三角高差 水准高差 点号 三角高 高差／ m 合高程 与水准高 与 G P S拟 与 G P S拟 差之差 合差之差 合差之差 差／ m 差 ／ m ／ ml n ／ ram ／ n u n l 0 ． 1 5 3 O ． 1 6 O O ． 1 5 9 - 7 6 1 2 - 0 ． 0 7 6 - 0 ． 0 6 7 - 0 ． 0 8 5 - 9 -9 1 8 3 0 ． 0 2 3 O ． Ol 7 0 ． 0 4l 一 6 一l 8 2 4 4 - 0 ． 0 5 8 - 0 ． 0 6 6 - 0 ． 0 7 9 8 2 1 1 3 5 O ． 0 HD 8 0 ． 0 0 2 O ． 01 4 6 - 6 一l 2 6 0 ． 0 3 8 0．0 4 7 - 0 ． 0 5 0 9 l 2 3 l 闭合 差 ∑ O ． O 1 2 一 O ．o o 1 四等水准限差 2 0 、 v ／ 2 0 、 ／ 3 8 ． 4 m m 。全 站仪 中间法 高程导线 测量 闭合差 1 2 m m3 8 ． 4 mm．满足 精度要求 。 7结束 语 在经 济 日益腾 飞的今天 ．测绘 技术也 得到 了迅 速 的发展 ．由过去 的经纬仪 平板手 工测 图发展 到今 天的 G P S R T K数字 测 图 但 提 高 G P S R T K测量 高 程 ．需要 精确 确定测 区拟合 水准 面 ，所 以 ．在 实 际 测绘工作中．不论采取什么样的作业方法 ，水准高 程 测量 是必不 可少 的工作 。采用 全站仪 中间法 高程 导线测 量代替 三 四 等水准测 量 ，能有效 提高高 程测量工作效率 在实际工作中．选用这种既能确 保 精度 ．又 能提 高工作效 率 的测绘作业 方法 ，不但 能保 障工程 建设 对测绘 服务 的要求 ，而且 能有效 提 高测 绘项 目的经 济效益 。 参考 文献 [ 1 ]刘惠明 ， 张波 ， 陈俊林． 全站仪 中间法高程测量及其精度探讨【J J ． 华南农业大学学报， 2 0 0 4 ， 2 5 4 1 0 1 1 0 6 ． [ 2 ]王有 贤， 程新 春． 中点全 站仪法 高程控 制测 i t [ J ] ． 公路 与汽 运． 2 0 03． 3 4 O一 4 2 ． 作者 简介 陈 学虎 1 9 7 7 一 ，男，青海湟 中人 ，助理 工程 师 ．2 0 0 1 年 毕业 于本 溪 台 金 高等- - 科 学校 ，现 从 事测绘 工作 。 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 6修 回 日期 2 0 1 0 0 2 - 0 8