手持式GPS在野外地质测量中的应用浅析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 手持式GPS在野外地质测量中的应用浅析 张永胜,曹成德,刘光莲 青海省地质调查院,青海 西宁810012 摘 要利用手持式GPS的基本功能,探讨了手持式GPS在野外使用前的校正方法,地质工作中对 于标定点位、 导航、 面积计算等方面的应用和注意事项,并对手持式GPS定位测量和传统测量的精度 进行了比较。提出了手持式GPS在野外地质测量中的一些方法,提高了手持式GPS在野外地质测 量中的实用性。 关键词手持式GPS;野外地质测量;应用 中图分类号P228. 4 文献标识码B 文章编号10045716200906010903 美国全面建立GPS以来,由于GPS所特有的精度 高、 速度快、 全球性、 全天候、 实时性、 测站间无需通视以 及操作简便等诸多优点, GPS已经被广泛应用于地质 调查、 石油开采、 水利勘察、 地质灾害监测、 林业调查以 及交通、 电力、 农业、 国防和城市建设。随着单点实时手 持式GPS的出现和在地质行业中的应用,它受到了广 大野外地质工作者的青睐。 在野外地质勘查的各个阶段中均离不开测量 定位工作,传统的工作方法是由地质人员使用半仪 器法定测或由测量专业人员用测量仪器实施定测 。 利用手持式GPS在野外工作中进行找点和定位, 它不仅精度高,而且速度快,可以大大地提高地质 工作者的工作效率 。现接合本人在野外工作中的 实际应用,谈一点体会供同行们参考,不足之处请 同行们批评指正 。 1野外手持式GPS五个参数的确定 GPS卫星星历是以WGS84坐标系为根据而建立 的,而我国目前所使用的地形图却属于北京54坐标系 或西安80大地坐标系。由于不同的坐标系使用不同的 地球椭球参数,它们之间存在着平移和旋转的关系 WGS84坐标系与北京54坐标系或西安坐标系之间的 误差大约为80～120m。因此在野外不能直接使用 WGS84坐标系,需要对手持式GPS进行坐标系统转 换,就是将手持式GPS所使用的WGS84坐标系下的 三维空间坐标系转换为北京54坐标系或西安80坐标 系下的三维坐标。经过这种坐标转换后的手持式GPS 绝对定位精度由80～120m提高到5～10m ,就可以满 足精度要求不高的定位测量。 1. 1 坐标转换方法 现以WGS84坐标系和北京54坐标系之间的坐标 转换为例,说明坐标转换的过程和方法首先在工作区 域内收集3个或3个以上的已知点,要知道这些点的 大,崩积区发生滑坡、 泥石流的可能性较将增大特别是 雨季。 6近年来崩塌区煤矿的迅速发展,是该区崩塌的 主要引发、 发展因素。 7该区崩塌的防治措施,应从以下方面着手① 对崩塌的防治进行经济与治理、 避让效果分析、 对该区 崩塌的危害进行长期治理规划,力求从根本上消除该区 崩塌的危害;② 在目前未采取安全的防治措施或安全措 施尚未实施到位的危险性大的地段,必须采取搬迁避让 措施,将居民搬迁至安全地段;③ 加高、 加固现有挡石墙 或重新修筑挡石墙或拦石网,隔离一般崩落物危害,减 弱较大块体危害;④做好拦截疏导地表水及地下水工 作,减弱崩塌的发展速度;⑤ 加强观测预警工作,并深入 了解煤矿的采煤活动。 参考文献 [1] 贵州省水城矿业集团有限责任公司文家坝二矿矿区地质 灾害危险性评估报告书[R].贵州省煤矿设计院,2008 ,3. 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WGS84大地坐标B84、L84、H84值,同时要知道这些点在 北京54坐标系下的大地坐标B54、L54、 和高程h54还要 知道这些点所在地的高程异常值ζ54。这种已知点既可 以通过国家GPS网获得,又可以通过在那些已知国家 控制点上进行精确的GPS静态测量获得。收集好资料 后就可以按照下列方法将手持式GPS的WGS84坐标 系转换为北京54坐标系转换西安80坐标系下的坐标 方法与之类似 1将大地坐标系转换为三维空间直角坐标系。使 用公式1～5分别将已知点在WGS84和北京54坐 标系下的大地坐标系转换为相应坐标系下的三维空间 直角坐标系。 N r/ 1 - e2sin2 B 1/ 2 1 X N HcosBcosL 2 Y N HcosBsinL 3 z [N1 - e2 H]sinB4 在北京54坐标系下,已知点的大地高可由公式5 计算得到 H h ζ5 式中X、Y、Z 已知点的三维空间直角坐标; B、L、H 已知点大地坐标; N 某点所在位置的椭不卯酉圈曲率半径; e2 大地坐标系所对应的椭球的第一偏心率; r 对应地球椭球的长半轴; f 对应地球椭球的扁率; h 已知点在北京54坐标系下的高程。 WGS84、 北京54和西安80三种坐标系所使用的椭 球参数见表1。 表1 坐标系椭球参数表 参数WGS84坐标系北京54坐标系 西安80坐标系 rm 6 378 0376 378 2456 378 140 e20. 006 694 379 990 130. 006 693 4270. 006 694 385 f1/ 298. 257 223 5631/ 298. 31/ 298. 257 2计算坐标转换参数。利用WGS84坐标系下已 知点的X84、Y84、Z84和对应椭球参数r84、f84值,减去北京 54坐标系下相应的X54、Y54、H54及对应椭球参数r54、f54 值,就可以得到坐标转换的5个参数dx、dy、dz、dr和 df ,然后把这5个参数输入到手持式GPS的参数改正 项之下就可以了。 经过上述方法的改正,可以精确地将手持式GPS 所测的WGS84坐标转换为北京54坐标系或西安80坐 标系下的平面坐标。这种方法虽然精度高,但是需要知 道工作区3个以上国家控制点的大地坐标,或要对工作 区用静态GPS做3个以上控制点,才能对手持式GPS 进行校正。在实际野外工作中并不是很实用。尤其是 那些缺少国家控制点的地方。 1. 2 野外实用而简单有效的方法 在野外地质找矿工作中,根据找矿阶段的不同,有 的工区建立了和国家相统一的北京54坐标系,大部分 工区为了工作方便均建立工区独立的任意坐标系。它 们和WGS84及北京54坐标系之间存在着平移和旋转 的问题。甚至好多工区及工区外围就根本没有建立任 何坐标系统,在这种情况下可以用下面简单方法确定 GPS的五个参数。现以eTrex 小博士为例将测量方 法介绍如下 仪器说明书中DX、DY、DZ、DA、DF等五个转换参 数解算方法DX、DY、DZ、DA、DF五个转换参数为 WGS84坐标系统和1954北京坐标系的三维直角坐 标统差值,DA、 DF 既上面提到的dr和 df 是固定值 DA - 108 ,DF0. 0000005 ,而DX、DY、DZ三个参 数因地区而异。所以只需求得DX、DY、DZ三个参数即 可。 开机后设置仪器单位,位置格式选用 “USER U TM GRID ’’,参数输入为“LONGITUDE” 输入该地区的中 央子午线经度E ,“SCAL E” 输入投影比例数值l , “FALSE E” 输入东西偏差数值500000等仪器参数。地 图基准选用 “USER”,参数输入 DA - 108 ,DF 0. 0000005 ,由于DX、DY、DZ三个参数因地区而异,分 别输入0。所有参数设置后,选取矿区范围内的已知控 制点进行测量试验,没有控制的地区可以用该地区的航 片或地形图选择几个有明显标志的地物点并对其进行 图解坐标。根据测量坐标和已知点坐标进行计算 △X、 △Y和 △H并取几组数字的平均值。然后将这五个参 数分别输入到GPS相应设置处并确定。这样野外所测 量地形地物的仪器坐标值,即为该地区相应系统的实际 坐标值,经过测量试验,在三维导航误差小于5m时,X 与实际值最大差值5m , Y与实际值最大差值5m ,符合 eTrex小博士手持 GPS接收机单机定位精度小于 10m要求。基本能够满足地面低精度测量的要求。 2 手持式GPS在野外的主要应用 手持式GPS在野外地质工作中的用途主要有标定 点位、 导航、 面积计算等方面的应用。 2. 1 标定点位 经过上述五个参数校正后的手持式GPS就可以标 定工作区的工程点、 地形地物点。为了提高手持式GPS 单点绝对定位的精度,利用手持式GPS的数据平滑功 011 西部探矿工程 2009年第6期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 能,即在一个点上进行多次定位,求取数据的平均值作 为最终的定位结果。如果手持式GPS没有数据平滑功 能,在定位时可以手动使手持式GPS进行3次以上的 定位,取其测量结果的平均值为最终的定位结果。这样 就可以提高单点定位的精度。一般情况下手持式GPS 的平面定位精度可以达到1～5m。由于GPS卫星分布 位置的原因,手持式GPS测量高程的误差较大,为水平 误差的2～3倍,既手持式GPS测量高程的精度为10～ 20m。但是手持式GPS具有捕捉卫星信号的灵敏度高, 定位的速度非常快,使用方便的特点。 2. 2 导航 手持式GPS的导航功能具有单点导航和航线导 航 1单点导航手持式GPS的单点导航功能是只要 给手持式GPS输入一个航点,并储存到航点表中,利用 手持式GPS的导航功能进行导航,就显示现在所处位 置到航点的距离和方位,并能准确地引导工作者到达该 航点。在野外地质工作中,利用手持式GPS的导航功 能可以找那些知道坐标而不知具体位置的工程点。如 要在工区内找那些前人施工过的工程点、 矿化点或矿点 等,只要把这些点的坐标输入到手持式GPS的航点表 中,就可以很方便而快速的找到那些点。 2航线导航航线导航就是把好多航点按一定的 顺序编制成一条航线。利用手持式GPS航线导航功能 首先显示的是所处位置到第一个航点的距离和方位,当 到达第一个航点后,手持式GPS的导航画面就自动转 向下一个航点距离该航点的距离和方位,手持式GPS 就按这个顺序依次显示,直到最后一个航点。在野外的 实际工作中,这种方法可以用于1∶1万或小于1∶1万 的地质填图;1∶1万或小于1∶1万的物探磁法测量和 电法测量中。 2. 3 计算多边形面积 手持式GPS具有计算多边形面积的功能,利用存 储在航点表中的航点,可以非常容易地计算出某个多边 形的面积。手持式GPS计算面积的公式如6所示 S 1 2 ∑ n i 1 x iyi 1- xi 1yi6 式中S 多边形面积; xi、yi、xi 1、yi 1 多边形的第i和i 1个航点的 平面坐标。 这种计算多边形面积方法的精度取决于组成该多 边形的航点数目,航点数目越多,所计算的多边形面积 越精确。在野外的地质测量中可以用这种方法确定一 些精度要求不是很高的多边形组成的面积。如矿区的 面积;各种异常所围成的面积等。 3 手持式GPS和传统测量方法精度的比较 现结合本人在一个铁矿普查项目中的具体应用对 两种测量方法作如下精度比较。传统方法是利用矿区 的控制点用电子全站仪极坐标法直接测量钻孔的位置 和高程。手持式GPS是在矿区的4个控制点上经过上 述野外实用而简单有效的方法的校正后测量钻孔的位 置和高程。精度统计见表2。 表2 两种测量方法精度比较 孔号 传统测量手持式GPS测量误差 Xm Ym Hm Xm Ym Hm △Xm△Ym△Hm ZK0024073569. 94328151. 864219. 77407357432815442324. 062. 1412. 23 ZK6024073787. 21323209. 274571. 47407378432321045803. 210. 738. 53 ZK4014073651. 09328073. 554240. 53407365532807742503. 913. 459. 47 经过上述比较手持式GPS在5个参数校正后,平 面定位精度可以达到5m内;高程精度可以控制在10m 左右。 4 结束语 通过上述的研究可以发现,在野外地质测量中可以 充分利用手持式GPS全天候、 实时性和快速定位的特 点,能够提高地质工作者的工作效率。但要注意手持式 GPS单点实时定位在平面上的精度一般在1 - 10m左 右,目前只能应用于精度要求不高的地质测量中。随着 GPS软硬件的发展,手持式GPS定位和导航的精度将 会越来越高,手持式GPS在野外地质测量中的应用越 来越广泛。 参考文献 [1] 丁继新. 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