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GPS手持導航儀在地震踏勘與設計的應用
【摘要】地震采集項目前期踏勘及施工設計階段，常常因地形圖陳舊、城鎮廠(chǎng)礦密集，常規踏勘方法難以滿(mǎn)足前期測線(xiàn)調整、試驗點(diǎn)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(diǎn)、航線(xiàn)、航跡、GIS軟件及實(shí)地踏勘數據，結合地震勘探設計軟件進(jìn)行針對性設計，能夠大大提高工作效率，使設計更加合理，同時(shí)可降低地震勘探設計成本。
【關(guān)鍵詞】GPS 設計 踏勘 數據格式
隨著(zhù)物探作業(yè)施工區域逐漸向城區、廠(chǎng)礦密集區、大山區深入，對地震踏勘及設計要求也越來(lái)越高。手持GPS以全天候、高精度、成本低、操作簡(jiǎn)單、高效益等顯著(zhù)特點(diǎn)，給定位提供了極大的方便，越來(lái)越多的應用到地震采集踏勘至設計各個(gè)環(huán)節，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數據格式、定位精度、數據采集及交換進(jìn)行了介紹，結合地理信息軟件Goggle Earth、Global Mapper、MapSend Lite等地理信息軟件，介紹了在地震采集系統中設計及踏勘中的應用。
一、GPS接收終端簡(jiǎn)介
1.1 便攜式手持終端簡(jiǎn)介
在野外工作中，性?xún)r(jià)比較高便攜式GPS接收終端大體上有Garmin、Explorist、Venture 、勞倫斯等機型，根據價(jià)位高低及功能多少分為三個(gè)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(hù)大規模使用的普及機型。中高端機型：eXplorits510、Garmin Vista C 蜂彩、GPS76C等。該類(lèi)機型代表市場(chǎng)發(fā)展的主流方向。電子地圖數據較為詳細，亦配備內置電子羅盤(pán)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(wèn)題。
隨著(zhù)信息技術(shù)的進(jìn)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 擴展到現在的8GB，使人們可以隨心所欲地存儲MapSend格式的詳細地圖數據。
1.2 eXplorist600手持終端簡(jiǎn)介
1.2.1 性能簡(jiǎn)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(diǎn)：(1)TrueFix技術(shù)，精確度更高，改正精度達到3m以?xún)?(2)SD擴充卡：支持SD卡 擴展內存，可實(shí)現航點(diǎn)、航線(xiàn)、航跡無(wú)限存儲;(3)內置地圖;(4)航跡：可存儲3～5條航跡，每條航跡可包含2000個(gè)航跡點(diǎn);(5)超大顯示屏：超大顯示屏可以清晰的看到GPS數據信息，eXplorist510配有高清晰度彩色觸摸顯示屏。
1.2.2 功能簡(jiǎn)介
eXplorist600手持GPS提供3種基本導航功能。(1)航點(diǎn)導航。用航點(diǎn)導航到地圖上某點(diǎn)的直接路徑，通過(guò)點(diǎn)導航模式，就可以根據手持機導航信息提示，尋找到坐標點(diǎn)。根據需要，還可以設置其他數據項在顯示屏上，比如方位、時(shí)間、速度、坐標等。(2)航線(xiàn)導航。將測線(xiàn)定義為航線(xiàn)，包括定義航線(xiàn)附近的各種路標，用于測線(xiàn)導行。(3)航跡導航。通過(guò)對行進(jìn)過(guò)的路線(xiàn)進(jìn)行存儲，可以在再次行進(jìn)時(shí)重復原有的路線(xiàn)，或利用航跡返回功能沿原路返回到起點(diǎn)。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(lái)，然后把GPS交給其他后續班組，后續班組利用航跡，直接導航到已設定的激發(fā)或接收物理點(diǎn)位上。如果在施工中迷失方向，還可以利用這一功能，根據已存儲的航跡原路返回。
二、eXplorist手持機數據格式
2.1 數據類(lèi)型
航點(diǎn)(Waypoint)：用于記錄地圖上的某個(gè)點(diǎn)的位置，可以存儲坐標(經(jīng)緯度)、注解、點(diǎn)標識等其它信息。航跡(Track)：一段運動(dòng)軌跡，由很多個(gè)點(diǎn)組成，一般的GPS內部可以存幾百個(gè)到幾千個(gè)。Track的生成算法比較重要，好的算法記錄點(diǎn)少而且描述精確。航線(xiàn)(Route)：手工或自動(dòng)生成的線(xiàn)路，一般由幾十個(gè)點(diǎn)組成。
2.2 數據格式定義
GPX( GPS Exchange Format )是GPS數據的交換格式，是一種基于XML(Extensible Markup Language)的一種開(kāi)發(fā)數據標準，編碼采用UTH-8 Unicode格式，分別以XML標簽的形式記錄文件基本格式、航點(diǎn)、航跡、航線(xiàn)等信息。目前GPX在GPS 數據格式轉換、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(dòng)設備軟件以及基于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的數據轉換的標準格式(見(jiàn)表1)。
GPX 數據格式僅支持WGS-84 經(jīng)緯度坐標(格式為DDD.dddddddddb)。如果已知數據為其它坐標系數據， 需要轉換為WGS-84經(jīng)緯度格式的坐標。
表1 GPX數據交換格式屬性
2.3 GPS數據交換
2.3.1 GPS手持機數據輸入
GPX交換文件是一個(gè)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(guò)MapSend Lite軟件輸入GPX數據。利用Global Mapper數據輸入、輸出功能可快速將原始數據轉化為GPX數據。其過(guò)程是將原始數據轉化為SPS數據，利用Global Mapper輸出GPX數據，實(shí)現由MapSend Lite向GPS手持機寫(xiě)入GPX數據。
采用上述方法，可將測線(xiàn)、炮檢點(diǎn)設計數據或踏勘路線(xiàn)利用Global Mapper轉化為GPX格式后，利用MapSend Lite批量導入手持機，實(shí)現航點(diǎn)、航線(xiàn)數據的快速建立與查詢(xún)。
2.3.2 GPS手持機數據輸出
手持GPS 踏勘基礎數據的航點(diǎn)坐標位置和測點(diǎn)坐標必須轉換成KLsies、Mesa等地震勘探設計軟件可以加載的格式(常見(jiàn)為平面坐標或SPS格式，見(jiàn)圖1)，才能用來(lái)實(shí)現地震勘探設計和圖件的任意比例尺輸出。手持機GPX格式數據輸出，可利用Global Mapper自動(dòng)投影轉換功能，將GPX數據自動(dòng)轉化為采集設計軟件通用格式。
圖1 導航儀與設計數據轉換流程
采用上述方法，可將野外踏勘時(shí)手持機記錄的航點(diǎn)、航線(xiàn)數據輸出為采集軟件可識別格式，在采集軟件中準確、直觀(guān)顯示踏勘路線(xiàn)、障礙物及干擾源位置，為地震設計提供準確、詳細的基礎資料。
三、GPS數據采集
3.1 參數設置
3.1.1 參考橢球-坐標系統設置
GPS 導航系統所提供的坐標屬于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(見(jiàn)表2)。
表2不同坐標系橢球參數
通過(guò)表看出，DA、DF針對某一坐標系統來(lái)說(shuō)為固定參數， 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主要為前3個(gè)( DX、DY、DZ)，一般稱(chēng)為三參數。三參數一般由控制網(wǎng)平差獲取。
3.1.2 坐標投影設置
坐標格式的設定， 包括中央經(jīng)線(xiàn)(即研究區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)。其次是坐標系統的設定，用研究區域的五個(gè)坐標轉換參數加以設定。通過(guò)以上的坐標轉換和參數設置，即可解決手持GPS的現地絕對定位問(wèn)題。
3.2 測線(xiàn)及物理點(diǎn)導入、存儲
利用MapSend Lite與eXplorist手持機的通訊功能，實(shí)現GPX數據的上傳和下載。而Global Mapper有很強的數據接口功能，可將常用的測量數據、SPS數據快速轉化為GPX數據，也能將GPX數據進(jìn)行投影轉化后上傳至手持導行儀器。
在踏勘過(guò)程中，對特殊點(diǎn)如廠(chǎng)礦定位坐標，并添加備注信息。行徑過(guò)程中記錄設定航跡采用間隔20m-50m不等，記錄大型障礙物邊界。踏勘結束后，利用GPS手持機數據接口功能，將踏勘數據轉化為設計基礎數據。
3.3 GPS數據精度
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)、衛星信號強弱影響，GPS能夠收到4顆及以上衛星的信號時(shí)，它能計算出本地的三維坐標，若只能收到3顆衛星的信號，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(kāi)闊的地方進(jìn)行定位，防止信號被遮擋，保證有足夠數量的衛星，(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(xiàn)及微波無(wú)線(xiàn)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)保證穩定觀(guān)測時(shí)間(建議4min以上，條件差的地方適當延長(cháng)。)
四、eXplorist手持機應用
4.1 GPS導航儀在踏勘中的應用
4.1.1 精確踏勘測線(xiàn)，實(shí)現逐點(diǎn)到位
為盡可能的避開(kāi)廠(chǎng)礦、水域、陡崖區域，施工前必須對工區進(jìn)行踏勘(見(jiàn)圖2)。將設計坐標、障礙物坐標轉換為*.GPX 格式上裝至手持GPS中，野外踏勘人員在現場(chǎng)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(xiàn)長(cháng)度和范圍，做到精確踏勘，精細設計。
圖2踏勘測線(xiàn)加載至手持機
4.1.2 GIS踏勘
利用手持GPS航點(diǎn)記錄功能，可準確測定大型干擾源、特殊巖性位置，可以全面、準確地了解工區內廠(chǎng)礦等大型干擾區、地表巖性位置、的分布情況，為地震勘探設計提供有用的基礎資料。圖3是利用手持GPS 測定的某工區準確的大型干擾區分布圖。
圖3 踏勘中干擾源調查
4.1.3障礙物邊界圈定
根據障礙物類(lèi)型，可設定航跡記錄長(cháng)度，比較大的鄉鎮、村莊、廠(chǎng)礦、水庫等，可將自動(dòng)記錄的航跡設定為20m，甚至更小，步行或車(chē)載繞障礙物一周，以便準確圈定大型障礙的禁炮范圍，為地震勘探設計提供準確信息。圖4是利用手持GPS 定位信息數據繪制的某工區精細的交通網(wǎng)絡(luò )圖和大型障礙禁炮范圍圖。
圖4航跡圈定障礙邊界
4.1.4 數據共享
利用個(gè)班組自動(dòng)記錄航跡，利用MapSend lite軟件，定期將所有航跡數據進(jìn)行合并，可將航跡繪制成工區交通網(wǎng)絡(luò )圖，并將合并的航跡文件轉化為*.GPX文件上傳至各個(gè)手持機，實(shí)現數據共享，避免重復踏勘造成人力、物力及時(shí)間浪費(見(jiàn)圖5)。
圖5 共享數據位置交通網(wǎng)絡(luò )圖
4.2 GPS導航儀在設計中的應用
4.2.1 轉換提取手持GPS定位信息數據
GPS手持機的定位的航點(diǎn)、航線(xiàn)及航跡數據，可利用圖6轉換方法及流程，將定位數據轉化為設計常用SPS文件、障礙物、干擾源等坐標文件，為設計提供基礎數據文件。
圖6干擾源、障礙物分布及測線(xiàn)設計
4.2.2 手持機與設計軟件數據交換
手持GPS踏勘基礎數據的航點(diǎn)坐標位置和測點(diǎn)坐標必須轉換成地震勘探設計軟件可以加載的格式如SPS、坐標文件(見(jiàn)圖3)，才能用來(lái)實(shí)現圖件的任意比例尺輸出和進(jìn)行地震勘探設計。我們可以根據KLsies、綠山軟件提供的外部數據接口格式將提取的GPS 數據進(jìn)行相應的處理轉換，整理成SPS文件、邊界數據。
表3 GPX數據轉化為采集設計軟件數據
五、結語(yǔ)
GPS手持機攜帶靈活，便于操作，定位相對準確，數據接口方便，可為地震踏勘及設計提供相對準確的基礎資料，提高踏勘、設計的準確性與效率，使設計更加科學(xué)合理，同時(shí)可降低地震勘探設計成本。
參考文獻：
[1] 呂公河，張慶淮，段衛星 等.黃土塬地區地震勘探采集技術(shù).石油物探，2001，40(2)：84～91.
[2] 朱選，劉素霞.地理信息系統原理與技術(shù)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2006.22～25.
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