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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、城鎮廠礦密集，常規踏勘方法難以滿足前期測線調整、試驗點選取、施工條件評估及后期高效物探生產需要。利用GPS導航儀存儲的航點、航線、航跡、GIS軟件及實地踏勘數據，結合地震勘探設計軟件進行針對性設計，能夠大大提高工作效率，使設計更加合理，同時可降低地震勘探設計成本。
【關鍵詞】GPS 設計 踏勘 數據格式
隨著物探作業施工區域逐漸向城區、廠礦密集區、大山區深入，對地震踏勘及設計要求也越來越高。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計各個環節，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，根據價位高低及功能多少分為三個層次的產品。
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。
隨著信息技術的進步與發展，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手持終端簡介
1.2.1 性能簡介
eXplorist序列機型是地震勘探野外作業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，精確度更高，改正精度達到3m以內;(2)SD擴充卡：支持SD卡 擴展內存，可實現航點、航線、航跡無限存儲;(3)內置地圖;(4)航跡：可存儲3～5條航跡，每條航跡可包含2000個航跡點;(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，就可以根據手持機導航信息提示，尋找到坐標點。根據需要，還可以設置其他數據項在顯示屏上，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交給其他后續班組，后續班組利用航跡，直接導航到已設定的激發或接收物理點位上。如果在施工中迷失方向，還可以利用這一功能，根據已存儲的航跡原路返回。
二、eXplorist手持機數據格式
2.1 數據類型
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)的一種開發數據標準，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、航跡、航線等信息。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絡服務，成為GPS接收機、桌面軟件、移動設備軟件以及基于網絡服務的數據轉換的標準格式(見表1)。
GPX 數據格式僅支持WGS-84 經緯度坐標(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。其過程是將原始數據轉化為SPS數據，利用Global Mapper輸出GPX數據，實現由MapSend Lite向GPS手持機寫入GPX數據。
采用上述方法，可將測線、炮檢點設計數據或踏勘路線利用Global Mapper轉化為GPX格式后，利用MapSend Lite批量導入手持機，實現航點、航線數據的快速建立與查詢。
2.3.2 GPS手持機數據輸出
手持GPS 踏勘基礎數據的航點坐標位置和測點坐標必須轉換成KLsies、Mesa等地震勘探設計軟件可以加載的格式(常見為平面坐標或SPS格式，見圖1)，才能用來實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自動投影轉換功能，將GPX數據自動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，可將野外踏勘時手持機記錄的航點、航線數據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(見表2)。
表2不同坐標系橢球參數
通過表看出，DA、DF針對某一坐標系統來說為固定參數， 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( DX、DY、DZ)，一般稱為三參數。三參數一般由控制網平差獲取。
3.1.2 坐標投影設置
坐標格式的設定， 包括中央經線(即研究區域所處坐標帶的中央經度值： 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，用研究區域的五個坐標轉換參數加以設定。通過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數據進行投影轉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，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)盡量選擇比較開闊的地方進行定位，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)保證穩定觀測時間(建議4min以上，條件差的地方適當延長。)
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，實現逐點到位
為盡可能的避開廠礦、水域、陡崖區域，施工前必須對工區進行踏勘(見圖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，精細設計。
圖2踏勘測線加載至手持機
4.1.2 GIS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、準確地了解工區內廠礦等大型干擾區、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
根據障礙物類型，可設定航跡記錄長度，比較大的鄉鎮、村莊、廠礦、水庫等，可將自動記錄的航跡設定為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絡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
利用個班組自動記錄航跡，利用MapSend lite軟件，定期將所有航跡數據進行合并，可將航跡繪制成工區交通網絡圖，并將合并的航跡文件轉化為*.GPX文件上傳至各個手持機，實現數據共享，避免重復踏勘造成人力、物力及時間浪費(見圖5)。
圖5 共享數據位置交通網絡圖
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、航線及航跡數據，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坐標位置和測點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(見圖3)，才能用來實現圖件的任意比例尺輸出和進行地震勘探設計。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
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，使設計更加科學合理，同時可降低地震勘探設計成本。
參考文獻：
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[2] 朱選，劉素霞.地理信息系統原理與技術[M].上海：華東師范大學出版社，2006.22～25.
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