全站仪高程导线测量在油气田工程测量中的应用

陈学虎，张里南，罗金锐，姚红舵

（1.唐山冀东油田设计工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省测绘局第二测绘院，青海西宁 811000）

全站仪高程导线测量在油气田工程测量中的应用

陈学虎1，张里南2，罗金锐1，姚红舵1

（1.唐山冀东油田设计工程有限公司，河北唐山 063000；2.青海省测绘局第二测绘院，青海西宁 811000）

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。

工程建设；工程测量；全站仪；高程导线测量；精度

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，GPS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GPS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GPS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间的高差，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A、B的大约中间位置选择与两点均通视的O点安置全站仪，根据三角高程测量原理，O、A两点的高差h1为：

式中S1——O至A点的斜距/m；

α1——观测垂直角；

c1——地球曲率改正数；

r1——大气折光改正数；

i——仪器高/m；

v1——A点的目标高/m。

地球曲率与大气折光影响之和f1为：

式中R——地球的平均半径，为6 369 000 m；

K1——O至A的大气折光系数。

因此， 式 （1）可表达为：

设已知点A的高程为HA，待求点B的高程为HB，则∶

式中S2——O至B点的斜距/m；

α2——观测垂直角；

f2——地球曲率与大气折光影响之和；

K2——大气折光系数；

v2——B点的目标高/m。

A、B两点间的高差h为：

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S1和S2、垂直角α1和α2、目标高v1和v2及大气折光系数K1和K2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、B

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 中间法观测顺序

在两点中间选测站点,用 “后—前—前—后”的顺序对称观测。

式中a——后视垂距中数/m，a＝Sasin aa；

b——前视垂距中数/m，b＝Sbsin ab；

Sa、Sb——分别为仪器至后视前视的斜距/m；aa、ab——分别为后视、前视观测垂直角。

高差中数∶

式中hab中——高差中数/m；a中——后视垂距中数/m；b中——前视垂距中数/m。

3.2.2 中间法测高程导线

如图2所示，A、B为高程导线的起点和终点，在测线间设测站1，2，…，n。盘左和盘右观测程序为∶“后—前—前—后”。后视垂距为a，前视垂距为b，则各段高差为：两点采用同一对中杆且不变换高度，即v1＝v2时，式 （6）变为∶

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l1和l2，觇标高度差Δlh＝l1-l2（如图3所示）。

当测站数为偶数时∶

由此可知，采用两棱镜分别轮流作为前后觇标，在测段间观测站为偶数时，棱镜高度差相互抵消，高差计算公式仍为式 （11）。

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Δlh，即∶

式中l1——最后一测站的后视觇标高；

l2——最后一测站的前视觇标高。

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 （5）进行全微分，得：

大气折光系数K1和K2一般不相等，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 K1≈ K2， 并设 mK＝ mK1＝ mK2， 考虑全站仪的特点，设边长的测量精度mS、角度的测量精度mα及目标高的量取精度mv分别相等，即

式中mh——全站仪中间法高程测量中误差；

mS——全站仪测距中误差；

mα——全站仪测角中误差;

mK——大气折光系数测定中误差；

mv——目标高量取中误差。

由式 （16）可见，全站仪中间法高程测量误差与仪器精度mS、mα、大气折光误差mK及目标高量取误差mv有关。式 （16） 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∶

式 （17）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+1×10-6D）～ ± （5+5×10-6D） mm （D 为测距长度，以 km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 mm时，取其平均值作为最终结果。

以mα＝±2″的全站仪为例，其测距精度一般为±（2+2×10-6D）mm，在此，取ms＝±4 mm，即按全站仪到测点的测距为1 km计算；曾有试验证明，折光系数的误差为±（0.03～0.05），在此，取mK＝±0.04，分别计算公式 （17）和公式（16），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△＝2 mh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α2和α1中的最大者，统一为α，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mα＝±2″全站仪的高程测量误差，当仪器至前后视距离差即｜D1-D2｜≤100 m时，前后视距离总和在1.8 km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D1-D2＝0，垂直角α≤±20°时，前后视距离总和在600 m以内，可满足三等水准测量的限差要求。

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

表2 考虑目标高量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

（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｜D1-D2｜≤100 m时，前后视距离总和在1.6 km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。

（2）采用 “后—前—前—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。

（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。

（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GPS RTK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

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GPS RTK数字测图。但提高GPS RTK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。

[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].华南农业大学学报,2004,25（4）∶101-106.

[2]王有贤,程新春.中点全站仪法高程控制测量[J].公路与汽运,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

陈学虎 （1977-），男，青海湟中人，助理工程师，2001年毕业于本溪冶金高等专科学校，现从事测绘工作。

2009-10-26；

2010-02-08