GPS手持導航儀在地震踏勘與設(shè)計的應用

金守鋒　陳明春　石添尹

（中石化地球物理有限公司云南分公司，云南昆明　650233）

GPS手持導航儀在地震踏勘與設(shè)計的應用

金守鋒陳明春石添尹

（中石化地球物理有限公司云南分公司，云南昆明650233）

地震采集項目前期踏勘及施工設(shè)計階段，常常因地形圖陳舊、城鎮(zhèn)廠礦密集，常規(guī)踏勘方法難以滿足前期測線調(diào)整、試驗點選取、施工條件評估及后期高效物探生產(chǎn)需要。利用GPS導航儀存儲的航點、航線、航跡、GIS軟件及實地踏勘數(shù)據(jù)，結(jié)合地震勘探設(shè)計軟件進行針對性設(shè)計，能夠大大提高工作效率，使設(shè)計更加合理，同時可降低地震勘探設(shè)計成本。

GPS 數(shù)據(jù)格式設(shè)計踏勘

隨著物探作業(yè)施工區(qū)域逐漸向城區(qū)、廠礦密集區(qū)、大山區(qū)深入，對地震踏勘及設(shè)計要求也越來越高。手持GPS以全天候、高精度、成本低、操作簡單、高效益等顯著特點，給定位提供了極大的方便，越來越多的應用到地震采集踏勘至設(shè)計各個環(huán)節(jié)，大大提高了踏勘精度及效率，成為地震勘探野外采集作業(yè)中必不可少的輔助定位工具。

本文就GPS數(shù)據(jù)格式、定位精度、數(shù)據(jù)采集及交換進行了介紹，結(jié)合地理信息軟件Goggle Earth、Global Mapper、MapSend Lite等地理信息軟件，介紹了在地震采集系統(tǒng)中設(shè)計及踏勘中的應用。

圖1　導航儀與設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

圖2　踏勘測線加載至手持機

1　GPS接收終端簡介

1.1便攜式手持終端簡介

在野外工作中，性價比較高便攜式GPS接收終端大體上有Garmin、Explorist、Venture 、勞倫斯等機型，根據(jù)價位高低及功能多少分為三個層次的產(chǎn)品。

基本機型：有Garmin Legend H、eXplorits600等機型，目前應用面較廣，也是普通用戶大規(guī)模使用的普及機型。中高端機型：eXplorits510、Garmin Vista C 蜂彩、GPS76C等。該類機型代表市場發(fā)展的主流方向。電子地圖數(shù)據(jù)較為詳細，亦配備內(nèi)置電子羅盤和氣壓高度計，避免了屏蔽后的方位指向困難，也在一定程度上緩解了GPS 測高不準的問題。

圖3　踏勘中干擾源調(diào)查

圖4　航跡圈定障礙邊界

圖5　共享數(shù)據(jù)位置交通網(wǎng)絡(luò)圖

隨著信息技術(shù)的進步與發(fā)展，SD擴展卡漸漸應用到手持導航儀中，卡容量從最初的64MB 擴展到現(xiàn)在的8GB，使人們可以隨心所欲地存儲MapSend格式的詳細地圖數(shù)據(jù)。

表1　GPX數(shù)據(jù)交換格式屬性

表2　不同坐標系橢球參數(shù)

表3　GPX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為采集設(shè)計軟件數(shù)據(jù)

1.2eXplorist600手持終端簡介

1.2.1性能簡介

eXplorist序列機型是地震勘探野外作業(yè)目前應用較為廣泛的便攜式機型之一，它有如下特點：（1）TrueFix技術(shù)，精確度更高，改正精度達到3m以內(nèi)；（2）SD擴充卡：支持SD卡擴展內(nèi)存，可實現(xiàn)航點、航線、航跡無限存儲；（3）內(nèi)置地圖；（4）航跡：可存儲3～5條航跡，每條航跡可包含2000個航跡點；（5）超大顯示屏：超大顯示屏可以清晰的看到GPS數(shù)據(jù)信息，eXplorist510配有高清晰度彩色觸摸顯示屏。

1.2.2功能簡介

eXplorist600手持GPS提供3種基本導航功能。（1）航點導航。用航點導航到地圖上某點的直接路徑，通過點導航模式，就可以根據(jù)手持機導航信息提示，尋找到坐標點。根據(jù)需要，還可以設(shè)置其他數(shù)據(jù)項在顯示屏上，比如方位、時間、速度、坐標等。（2）航線導航。將測線定義為航線，包括定義航線附近的各種路標，用于測線導行。（3）航跡導航。通過對行進過的路線進行存儲，可以在再次行進時重復原有的路線，或利用航跡返回功能沿原路返回到起點。這一功能在物探施工中非常有用，先期踏勘的班組把航跡存儲起來，然后把GPS交給其他后續(xù)班組，后續(xù)班組利用航跡，直接導航到已設(shè)定的激發(fā)或接收物理點位上。如果在施工中迷失方向，還可以利用這一功能，根據(jù)已存儲的航跡原路返回。

圖6　干擾源、障礙物分布及測線設(shè)計

2　eXplorist手持機數(shù)據(jù)格式

2.1數(shù)據(jù)類型

航點（Waypoint）：用于記錄地圖上的某個點的位置，可以存儲坐標（經(jīng)緯度）、注解、點標識等其它信息。航跡（Track）：一段運動軌跡，由很多個點組成，一般的GPS內(nèi)部可以存幾百個到幾千個。Track的生成算法比較重要，好的算法記錄點少而且描述精確。航線（Route）：手工或自動生成的線路，一般由幾十個點組成。

2.2數(shù)據(jù)格式定義

GPX（GPS Exchange Format）是GPS數(shù)據(jù)的交換格式，是一種基于XML（Extensible Markup Language）的一種開發(fā)數(shù)據(jù)標準，編碼采用UTH-8Unicode格式，分別以XML標簽的形式記錄文件基本格式、航點、航跡、航線等信息。目前GPX在GPS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、制圖等方面支持上百種應用軟件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為GPS接收機、桌面軟件、移動設(shè)備軟件以及基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的標準格式（見表1）。GPX數(shù)據(jù)格式僅支持WGS-84經(jīng)緯度坐標（格式為DDD.ddddddd ddb）。如果已知數(shù)據(jù)為其它坐標系數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為WGS-84經(jīng)緯度格式的坐標。

2.3GPS數(shù)據(jù)交換

2.3.1GPS手持機數(shù)據(jù)輸入

GPX交換文件是一個XML文件，Mapsend Lite軟件、Global Mapper軟件可以直接讀取，而eXplorist GPS手持機亦能通過MapSend Lite軟件輸入GPX數(shù)據(jù)。利用Global Mapper數(shù)據(jù)輸入、輸出功能可快速將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GPX數(shù)據(jù)。其過程是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為SPS數(shù)據(jù)，利用Global Mapper輸出GPX數(shù)據(jù)，實現(xiàn)由MapSend Lite向GPS手持機寫入GPX數(shù)據(jù)。

采用上述方法，可將測線、炮檢點設(shè)計數(shù)據(jù)或踏勘路線利用Global Mapper轉(zhuǎn)化為GPX格式后，利用MapSend Lite批量導入手持機，實現(xiàn)航點、航線數(shù)據(jù)的快速建立與查詢。

2.3.2GPS手持機數(shù)據(jù)輸出

手持GPS 踏勘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的航點坐標位置和測點坐標必須轉(zhuǎn)換成KLsies、Mesa等地震勘探設(shè)計軟件可以加載的格式（常見為平面坐標或SPS格式，見圖1），才能用來實現(xiàn)地震勘探設(shè)計和圖件的任意比例尺輸出。手持機GPX格式數(shù)據(jù)輸出，可利用Global Mapper自動投影轉(zhuǎn)換功能，將GPX數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化為采集設(shè)計軟件通用格式。

采用上述方法，可將野外踏勘時手持機記錄的航點、航線數(shù)據(jù)輸出為采集軟件可識別格式，在采集軟件中準確、直觀顯示踏勘路線、障礙物及干擾源位置，為地震設(shè)計提供準確、詳細的基礎(chǔ)資料。

3　GPS數(shù)據(jù)采集

3.1參數(shù)設(shè)置

3.1.1參考橢球-坐標系統(tǒng)設(shè)置

GPS導航系統(tǒng)所提供的坐標屬于WGS-84坐標系（經(jīng)緯度坐標系），但地震采集常使用的坐標系屬于高斯投影的1954年北京坐標系，即BJ-54坐標系。以下列出了WGS84坐標系與1954年北京坐標系及1980西安坐標系橢球參數(shù)（見表2）。

通過表看出，DA、DF針對某一坐標系統(tǒng)來說為固定參數(shù)， 北京54坐標系DA =-108、DF= 0.0000005；西安80坐標系DA=-3、DF=0。需要自己測算的參數(shù)主要為前3個（ DX、DY、DZ），一般稱為三參數(shù)。三參數(shù)一般由控制網(wǎng)平差獲取。

3.1.2坐標投影設(shè)置

坐標格式的設(shè)定， 包括中央經(jīng)線（即研究區(qū)域所處坐標帶的中央經(jīng)度值： E105°0 0′00″）投影比例（+1.0000000）、東西偏差（+5000000.0m） 和南北偏差（0.0m）。其次是坐標系統(tǒng)的設(shè)定，用研究區(qū)域的五個坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)加以設(shè)定。通過以上的坐標轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置，即可解決手持GPS的現(xiàn)地絕對定位問題。

3.2測線及物理點導入、存儲

利用MapSend Lite與eXplorist手持機的通訊功能，實現(xiàn)GPX數(shù)據(jù)的上傳和下載。而Global Mapper有很強的數(shù)據(jù)接口功能，可將常用的測量數(shù)據(jù)、SPS數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為GPX數(shù)據(jù)，也能將GPX數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)化后上傳至手持導行儀器。

在踏勘過程中，對特殊點如廠礦定位坐標，并添加備注信息。行徑過程中記錄設(shè)定航跡采用間隔20m-50m不等，記錄大型障礙物邊界。踏勘結(jié)束后，利用GPS手持機數(shù)據(jù)接口功能，將踏勘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3GPS數(shù)據(jù)精度

GPS誤差有多種因素引起，對GSP測量誤差的影響最大的是地形因素（也就是多路徑效應）、衛(wèi)星信號強弱影響，GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號時，它能計算出本地的三維坐標，若只能收到3顆衛(wèi)星的信號，它只能計算出二維坐標。使用中應注意以下幾項降低誤差：（1）盡量選擇比較開闊的地方進行定位，防止信號被遮擋，保證有足夠數(shù)量的衛(wèi)星，（不少于4顆）用于定位解算。（2）盡量遠離大功率的電子波發(fā)射裝置，如電視臺、電臺、微波站、高于線及微波無線電信號傳達通道等，防止電子信號對GPS信號的干擾；（3）盡量避免多路徑反射誤差，如遠離大面積水域及大面積強反射裝置；（4）保證穩(wěn)定觀測時間（建議4min以上，條件差的地方適當延長。）

4　eXplorist手持機應用

4.1GPS導航儀在踏勘中的應用

4.1.1精確踏勘測線，實現(xiàn)逐點到位

為盡可能的避開廠礦、水域、陡崖區(qū)域，施工前必須對工區(qū)進行踏勘（見表2）。將設(shè)計坐標、障礙物坐標轉(zhuǎn)換為*.GPX 格式上裝至手持GPS中，野外踏勘人員在現(xiàn)場馬上就能知道障礙物所在位置的樁號以及障礙物所影響的測線長度和范圍，做到精確踏勘，精細設(shè)計。

4.1.2GIS踏勘

利用手持GPS航點記錄功能，可準確測定大型干擾源、特殊巖性位置，可以全面、準確地了解工區(qū)內(nèi)廠礦等大型干擾區(qū)、地表巖性位置、的分布情況，為地震勘探設(shè)計提供有用的基礎(chǔ)資料。圖3是利用手持GPS 測定的某工區(qū)準確的大型干擾區(qū)分布圖。

4.1.3障礙物邊界圈定

根據(jù)障礙物類型，可設(shè)定航跡記錄長度，比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、廠礦、水庫等，可將自動記錄的航跡設(shè)定為20m，甚至更小，步行或車載繞障礙物一周，以便準確圈定大型障礙的禁炮范圍，為地震勘探設(shè)計提供準確信息。圖4是利用手持GPS 定位信息數(shù)據(jù)繪制的某工區(qū)精細的交通網(wǎng)絡(luò)圖和大型障礙禁炮范圍圖。

4.1.4數(shù)據(jù)共享

利用個班組自動記錄航跡，利用MapSend lite軟件，定期將所有航跡數(shù)據(jù)進行合并，可將航跡繪制成工區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)圖，并將合并的航跡文件轉(zhuǎn)化為*.GPX文件上傳至各個手持機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，避免重復踏勘造成人力、物力及時間浪費（見圖5）。

4.2GPS導航儀在設(shè)計中的應用

4.2.1轉(zhuǎn)換提取手持GPS定位信息數(shù)據(jù)

GPS手持機的定位的航點、航線及航跡數(shù)據(jù)，可利用圖6轉(zhuǎn)換方法及流程，將定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計常用SPS文件、障礙物、干擾源等坐標文件，為設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件。

4.2.2手持機與設(shè)計軟件數(shù)據(jù)交換

手持GPS踏勘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的航點坐標位置和測點坐標必須轉(zhuǎn)換成地震勘探設(shè)計軟件可以加載的格式如SPS、坐標文件（見圖3），才能用來實現(xiàn)圖件的任意比例尺輸出和進行地震勘探設(shè)計。我們可以根據(jù)KLsies、綠山軟件提供的外部數(shù)據(jù)接口格式將提取的GPS數(shù)據(jù)進行相應的處理轉(zhuǎn)換，整理成SPS文件、邊界數(shù)據(jù)。

5　結(jié)語

GPS手持機攜帶靈活，便于操作，定位相對準確，數(shù)據(jù)接口方便，可為地震踏勘及設(shè)計提供相對準確的基礎(chǔ)資料，提高踏勘、設(shè)計的準確性與效率，使設(shè)計更加科學合理，同時可降低地震勘探設(shè)計成本。

［1］呂公河，張慶淮，段衛(wèi)星，等.黃土塬地區(qū)地震勘探采集技術(shù).石油物探，2001，40（2）：84～91.

［2］朱選，劉素霞.地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)［M］.上海：華東師范大學出版社，2006.22～25.