MapSource軟件在物探前期工作中的運用

劉彥華，楊青峰，王正亮

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223400)

0 引言

手持GPS是目前項目前期勘察過程中較為常見的定位工具，涉及的領(lǐng)域廣泛，例如工區(qū)范圍調(diào)查、地質(zhì)調(diào)繪、物探測線清理，鉆孔孔位初定等。物探測線上的物理點(例如地震炮點、檢波點、電極點、記錄點等)的坐標可以通過手持GPS實現(xiàn)，野外數(shù)據(jù)采集過程中遇到的明顯的地質(zhì)現(xiàn)象也可以通過手持GPS定位，為以后資料解譯提供相對精確的定位幫助(李鵬等，2008)。MapSource作為Garmin系列手持GPS的配套軟件，不僅能提供點位、導(dǎo)航等信息，也可以作為物探測線導(dǎo)航，還可以在Google Earth軟件中直觀地顯示航線和航跡，為物探解譯發(fā)揮更大的作用。

1 坐標轉(zhuǎn)換問題

在工程物探測量中，常見的是業(yè)主提供的平面直角坐標，例如北京54和西安80(國外常用UTM坐標)。而手持機系統(tǒng)默認的是WGS－84坐標，所以2種不同坐標系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)關(guān)系(WGS－84坐標系與我國應(yīng)用的坐標系之間的誤差約為80 m)。通過手持GPS進行絕對定位必須進行坐標轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的絕對定位精度可由80 m提高到5～10 m，通過區(qū)域控制點校正定位精度可達到0～3 m，足以滿足工程物探的精度要求。

WGS－84坐標和北京54(或西安80)坐標系屬于兩個不同的模擬地球形狀的橢球模型。北京54坐標系采用的是克拉索夫斯基橢球模型，而WGS－84坐標系有1個WGS－84橢球，其常數(shù)采用 IUGG第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值。兩個橢球模型之間轉(zhuǎn)換首先要考慮兩者不同的橢球基準，即DA、DF。DA、DF分別是2個橢球基準之間半長軸的差和扁率倒數(shù)的差。WGS－84橢球2個最常用的幾何常數(shù)為：長半軸：(6 378 137±2)m;扁率：1∶298.257 223 563。在進行坐標轉(zhuǎn)換時，這2個參數(shù)是固定的，即：WGS－84→北京54：DA：－108;DF：0.000 000 5、WGS－84→西安80：DA：－3;DF：0。

橢球的基準轉(zhuǎn)換后，建立橢球的原點仍不一致，還需要在DX、DY、DZ這3個空間平移參量，以便將2個不同的橢球原點重合，這樣才能使2個坐標系的橢球完全轉(zhuǎn)換。由于各地的地理位置不同，因此在各個地方的這3個坐標軸平移參量也不同。

2 運用公式求取DX、DY、DZ三參數(shù)

傳統(tǒng)求三參數(shù)的方法即通過公式求取，具體計算方法如下。

第一步：搜集應(yīng)用區(qū)域內(nèi)GPS網(wǎng)3個以上網(wǎng)點WGS－84坐標系B、L、H值及我國坐標系(北京54或西安80)B、L、h、x值(B、L、H分別為大地坐標系中的大地緯度、大地經(jīng)度及大地高，h、x分別為大地坐標系中的高程及高程異常。

第二步：計算不同坐標系三維直角坐標值，對應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)見表1，計算公式如下：

表1 不同坐標系對應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)Table 1 Relevant constants of corresponding ellipsoidsfor different coordinate systems

其中，X、Y、Z為大地坐標系中的三維直角坐標;A為大地坐標系對應(yīng)橢球之長半軸;e2為大地坐標系對應(yīng)橢球第一偏心率;N為該點的卯酉圈曲率半徑，N=A/(1－e2sin2B)/2;H=h+x，H為北京54或西安80坐標系中的大地高(劉大杰等，1997;杜大彬等，2007)

第三步：求出 DX，DY，DZ。即利用 WGS－84 坐標系的X、Y、Z值，減去我國坐標系的對應(yīng)值，得出實現(xiàn)坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的3個參數(shù)(應(yīng)算出WGS－84與北京和西安坐標系2套參數(shù))。

第四步：參數(shù)驗證。參數(shù)計算之后必須對其進行驗證。驗證的方法是在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)選擇5個以上控制點進行實測，實測值與測繪部門提供的理論值對比，若平均誤差≤10 m，則計算出的參數(shù)可以使用，否則要重新計算或查找出現(xiàn)問題的原因。

3 用MapSource求DX、DY、DZ三參數(shù)

傳統(tǒng)求三參數(shù)的方法仍然需要現(xiàn)場驗證，通過不斷修改參數(shù)來達到定位效果。通過MapSource軟件反復(fù)推算三參數(shù)可以達到現(xiàn)場驗證的目的，節(jié)省大量的時間。下面通過1組實例說明MapSource軟件的優(yōu)越性。

選取能控制工程區(qū)域的3個以上三角點的WGS－84坐標系B、L及我國坐標系(北京54或西安80)X、Y值。以3點407P、408P和424P為例進行計算。

表2 福建某工程三角點數(shù)據(jù)Table 2 Triangulation point data of a project in Fujian

3.1 MapSource軟件預(yù)設(shè)

MapSource V6.15.6版本為中文版本，雙擊圖標打開軟件，單擊菜單欄的“編輯”，在彈出的下拉菜單中點擊“首選項”命令，彈出“首選項”對話框。

單擊“位置”標簽，對下列選項進行設(shè)置：網(wǎng)格(用戶定義的網(wǎng)格)—從下拉列表框中可選擇“緯度/經(jīng)度 hddd°mm'ss.s″”(度、分、秒格式);基準(用戶定義的基準)—從下拉列表框中可選擇“WGS－84”(Garmin Corp，2004)(圖1)。

3.2 輸入3點的WGS－84坐標

單擊菜單欄的“編輯”，在彈出的下拉菜單中點擊“新航點”，在彈出的“新航點”對話框中輸入對應(yīng)點的經(jīng)緯度坐標，并保存設(shè)置。重復(fù)該步驟可以得到3個點的經(jīng)緯度坐標(Garmin Corp，2006)。

圖1 三角點的WGS－84坐標Fig.1 WGS-84 coordinates of the triangulation points

3.3 輸入DA、DF數(shù)值

在“位置”對話框中將坐標系改成西安80坐標系，輸入 DA、DF 數(shù)值(Garmin Corp，2004)。

單擊“位置”標簽，對應(yīng)的選項進行下列設(shè)置：網(wǎng)格—用戶定義的坐標，這時后面出現(xiàn)一個“屬性”按鈕;基準—用戶定義的基準，后面也出現(xiàn)“屬性”按鈕。下面對這些屬性按鈕進行設(shè)置。

首先對“用戶定義的網(wǎng)格”進行設(shè)置，點擊“屬性”按鈕，彈出的對話框中，分別對中央經(jīng)線、比例系數(shù)、東西偏差假定值、南北偏差假定值進行賦值。

中央經(jīng)線：通常坐標X是7位，Y是8位，其中Y坐標前2位是帶號，表明是中央子午線(通常指經(jīng)度L)。一般來說，20左右的應(yīng)為6度分帶，帶號為n則6n－3;40左右的為3度分帶則3n。

比例系數(shù)為1，東西偏差假定值為500 000 m，南北偏差假定值為0 m。

再次對“用戶定義的基準屬性”進行設(shè)置，點擊“屬性”按鈕，彈出的對話框中分別有DeltaX、DeltaY、DeltaZ、Delta半長軸、Delta平面度等參數(shù)。Delta半長軸、Delta平面度2個常數(shù)即DA、DF。DA、DF分別填寫－3、0(圖2)。

圖2 MapSource下網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Fig.2 Grid parameter setting in MapSource

3.4 運用MapSource快速求取三參數(shù)

假定DX、DY、DZ為0，可以得出在西安80坐標系統(tǒng)下三角點的假定數(shù)值，將假定數(shù)值與實際數(shù)值相減，并不斷地修正DX、DY、DZ，可以得到最接近實際數(shù)值的假定數(shù)值，即擬合程度最高的DX、DY、DZ(圖 3)(馬翠玲，2010)。

通過編寫的程序反復(fù)計算，得出DX=－111、DY=－46、DZ=－5。該參數(shù)在3個點的假定數(shù)值與實際數(shù)值對比見表3。

通過MapSource軟件可以在室內(nèi)計算出DX、DY、DZ三參數(shù)，并與實際數(shù)值對比分析，誤差極小。經(jīng)大量實際驗證，該方法簡單適用。

4 MapSource與Google Earth軟件結(jié)合布置測線

4.1 物探測線編輯

物探野外工作主要以物探測線為主，將布置好的測線按照里程結(jié)合線位弧度縮小誤差，以物探點的形式輸入到MapSource軟件中，并編輯好航線(圖4)。野外操作過程中可以導(dǎo)航此航線，隨時提醒偏航距，調(diào)整清理線位，達到精確勘探的目的(圖5)(劉凡珍等，2007;王會峰等，2008)。

圖3 MapSource下三參數(shù)快速設(shè)置Fig.3 Rapid setting of three parameters in MapSource

表3 三角點平面直角坐標實際值和假定值關(guān)系Table 3 Relationship between actual values and assumed values of plane rectangular coordinates of triangulation points

4.2 Google Earth顯示的物探線位

在MapSource軟件的菜單欄“視圖”最下一個命令欄，有與Google Earth軟件接口，可以在 Google Earth軟件中查看測線(圖6)。這項功能可以大大提高野外工作的效率，提前做好分段清理的計劃，節(jié)省大量時間。

線路途徑的小路清晰可見，里程樁號位置可定，可以預(yù)先做好分段數(shù)據(jù)采集處理，計算好排列長度，盡最大可能采集有效數(shù)據(jù)(圖7)。

4.3 運用Google Earth軟件進行航跡記錄

物探野外施工過程中，難免遇到陡坎、公路、河流等無法施工地段，通過手持GPS的航跡記錄，還可以給這些位置定位，對數(shù)據(jù)處理有極大幫助(圖8)。

航跡記錄不僅能記錄施工經(jīng)過的位置，也保留了對應(yīng)位置上的時間，有助于回憶施工的細節(jié)。運用此項功能還可以為地質(zhì)調(diào)繪提供很好的幫助。

5 結(jié)論

(1)通過MapSource軟件可以快速計算GPS定位的空間平移參量DX、DY、DZ 3個參數(shù)，為前期工作節(jié)省大量時間。除了測量部門提供的三角點的坐標之外，還可以通過轉(zhuǎn)換線位圖，設(shè)置相對坐標系統(tǒng)來布置測線。

(2)通過Google Earth軟件自帶坐標轉(zhuǎn)換功能，可以將相對坐標系統(tǒng)下布置的測線轉(zhuǎn)到Google Earth軟件中查看。

圖4 MapSource下物探航點編輯Fig.4 Edition of geophysical navigation points in MapSource

圖5 MapSource下物探航線編輯Fig.5 Edition of geophysical navigation lines in MapSource

圖6 Google Earth軟件下物探航線Fig.6 Geophysical exploration routes in the software Google Earth

圖7 Google Earth軟件下物探航線的地形Fig.7 Terrain of geophysical exploration routes in the software Google Earth

圖8 Google Earth軟件下野外物探航跡Fig.8 Field geophysical exploration paths in the software Google Earth

(3)結(jié)合Google Earth軟件，MapSource軟件不僅可以對物探前期測線清理、后期數(shù)據(jù)處理提供幫助，還可以運用到鉆孔位置初定、地質(zhì)調(diào)繪點初定等初步勘察中。

杜大彬，張寬房，張開盾，等.2007.手持GPS坐標系轉(zhuǎn)換方法［J］.陜西地質(zhì)，25(1)：96－102.

GARMIN Corp.2004.MapSource使用說明書［R］.北京：Garmin Corp.

GARMIN Corp.2006.eTrex Venture－奇遇 GPS使用手冊［R］.北京：Garmin Corp.

李鵬，楊婷婷，王秋菊，等.2008.手持GPS的功能及其在野外調(diào)查中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，(5)：98－99.

劉大杰，施一民，過靜珺.1997.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理［M］.上海：同濟大學(xué)出版社.

劉凡珍，郭玉軍，孫萍，等.2007.GPS與 Excel、MapGIS相結(jié)合在化探工作中的應(yīng)用［J］.吉林地質(zhì)，26(1)：61－65.

馬翠玲.2010.GPS手持機坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的一種求法［J］.中國電子商務(wù)，(6)：72－73.

王會峰，彭立華，安興，等.2008.GPS技術(shù)在化探工作中的應(yīng)用［J］.物探與化探，32(5)：477－479.