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第4 3卷第 1期 2 0 0 7年 1 月 地 质 与 勘 探 GE OL OGY AN D P R0S P E C TI N G Vo 1 . 4 3 No . 1 J a n u a r y, 2 0 0 7 G P S手持机在野外地质填图中的应用 丁继新 , 马捷。 , 尚 彦军 , 史永跃 1 . 有色金属矿产地质调查中心, 北京1 0 0 0 1 2 ; 2 . 北京中色资源环境工程有限公司, 北京 1 0 0 0 4 5 ; 3 . 安阳师范学院实验中心, 安阳4 5 5 0 0 0 4 . 中国科学院地质与地球物理研究所工程力学重点实验室, 北京1 0 0 0 2 9 [ 摘要] 针对传统野外地质填图中手段落后、 填图精度不高以度工作效率低的特点, 文章探讨 了 手持 G P S接收机在野外区调地质填图中标定地质点、 导航、 计算多边形面积以及补点等方面的应用及其 注意事项, 提出了将 G P S手持机绝对定位结果标定在地形 图上的一个简单而新颖的方法, 大大增强了 G P S手持机在野外地质填图中的实用性。 [ 关键词] G P S手持机野外地质填图标定 [ 中图分类号] 1 6 2 3 [ 文献标识码] A[ 文章编号] 0 4 9 5 5 3 3 1 2 0 0 7 0 l 一 0 0 8 9 0 5 0 引 言 自从美国 1 9 9 4年全面建成了 G P S以来, 由于 其所特有的精度高、 速度快、 全球性、 全天候、 实时 性、 测站问无需通视以及操作简便等诸多优点, G P S 已经被广泛应用 于地质调查 、 石油开采 、 水利勘察 、 灾害监测、 林业调查以及交通、 电力、 农业、 国防和城 市建设等多个领域 J 。随着体积小、 功耗低、 携带 方便、 存点快捷、 捕捉卫星信号的灵敏度高、 定位速 度快、 单点实时定位精度高的 G P S 手持机的出现, 它受到了广大从事地质调查工作的野外工作者的欢 迎, 并被广泛应用于地球物理勘探、 地震勘探、 铁路 勘测和林业调查等方面的野外工作中 ] 。 野外区调地质填 图中的一项重要内容就是在地 形图上标定地质点, 如岩性点、 岩性分界点和构造分 界点等。传统地质填图一般是根据地形图上的特征 点如建筑物、 采石坑、 道路、 高压线以及山顶、 山脊和 山谷等地性线判断地质点的位置, 然后将其标定在 图上。然而当地形图上特征点较少或所在位置远离 特征点时, 如果使用这种方法标定地质点, 就很容易 产生较大的误差, 给内业处理带来很大的困难。相 对于传统的利用地形图特征点或结合地形图特征点 和航片标定地质点的方法 , 利用 G P S手持机标定地 质点不仅精度高, 而且速度快, 大大地提高了地质填 图的工作效率。如果再结合航片和地形图上的特征 点以及特征线标定地质点, 会进一步提高标定点位 的精度。文章在前人应用和研究的基础上, 系统总 结了手持 G P S接收机在区域地质调查大比例尺地 质填图应用中的特点及需要注意的问题, 并提出了 一 种精度较高而且简单实用的基于 G P S基点标定 地质点的新方法。 l G P S手持机在野外区调地质填图中的 主要应用 G P S 手持机野外区调地质填图中的用途主要有 4 个方面 标定点位、 导航、 计算多边形面积和补点。 1 . 1 标定地质点 为了提高 G P S手持机单点绝对定位的精度, 有 的 G P S 接收机生产厂商专门为 G P S 手持机设置了 数据平滑功能, 即在一个测点上进行多次定位, 然后 求取数据的平均值作为最终的定位结果。如果用户 使用的 G P S 手持机没有这种数据平滑功能, 用户在 进行定位时可以手动使 G P S接收机进行 3次以上 的定位, 并记录相应的定位结果。在进行内业处理 时, 将 G P S 测点的多次测量结果进行平均作为该测 点最终的点位位置。通过多次定位求取平均值, 可 以提高单点定位的精度, 最大限度地缩小误差值。 以G A R M I N 1 2 X L C型 G P S手持机 美国 G A R M I N 公司生产 为例, 生产商的精度规格表明, 在采用平 滑技术处理后, 多数情况下 G P S手持机的平面定位 [ 收稿日期] 2 0 0 6 0 1 0 9 ; [ 修订日期] 2 0 0 6 0 3 0 6 - [ 责任编辑] 曲丽莉。 [ 第一作者简介] 丁继新 1 9 7 2 年一 , 男 , 2 0 0 5 年毕业于中国科学院地质与地球物理研究所, 获博士学位, 高级工程师, 现主要从事地质灾 害及其防治工程、 矿山环境、 大地测量与工程测量以及地壳形变方面的研究工作。 8 9 维普资讯 地质与勘探 2 0 0 7钜 精度可以达到 1 5 m 。由于 G P S 卫星分布位置的 原因, G P S 测量高程的误差一般较大, 为水平误差的 2 3 倍, 也就是说 G P S手持机测定高程精度为 l O 一 2 0 m 。由于捕捉卫星信号的灵敏度高, G P S手持 机单点定位的速度非常快, 一般在 1 5 s 左右即可捕 获4颗以上卫星, 从而快速地实现 3 D导航和定位。 1 . 2 导航 1 单点导航及点位校正。根据地形图上的特 征地物点或者结合航片在地形图上标定出第一个地 质点后, 利用手持 G P S 接收机, 对该点进行定位, 并 将其存储到航点表中。以后再标定地质点时, 就可 以利用手持 G P S的单点导航功能了。根据其导航 功能, 既可以找到现在所处的位置距离上一个地质 点 航点 的距离和方位, 又可以确定出该点到航点 表中任何一个航点 已经在地形图上精确标定过的 地质点 的距离和方位。这样就可以比较准确地在 地形图上标定出任何一个地质点。 在利用手持 G P S 接收机标定点位的时候, 最好参 照地形图上已经过内业数据处理精确标定过的地质 点, 这样可以有效地防止测量误差积累而给点位标定 带来的误差, 从而可以大大减轻内 业数据处理的工作 量。在刚开始进行地质填图的时候, 由于地形图上还 没有精确标定过的地质点, 因此在地形图上标定未知 的地质点时, 只能利用没有经过内业精确数据处理但 却已经经过G P S 定位并初步标定在地形图上的概略地 质点。这时, 就很容易出现误差积累的情况, 造成所标 定的地质点产生较大误差。最好的解决办法是; 同时 参照概略地质点、 地形图, 如果研究区有航片, 同时还 要参照航片, 来共同判断待定地质点在地形图上的位 置, 并在地形图上进行标定。如图 1 所示, 图中 A 0 0 7 表示经过 G P S 定位并初步标定在地形图上的概略地质 点, 根据 A X 7 可以确定图中待标定地质点的大概位 置, 然后结合待定地质点所在位置的地形特点, 如图中 待定地质点处于鞍部, 就可以比较准确地将待定地质 点标定在地形图上。 2 航线导航。当前进中需要经过多个航点时, 如果仍然采用单一航点导航, 由于终点的改变而需 要不断地进行单点导航, 输入新的航点名, 这样将会 极其繁琐。但如果把这些航点按一定的顺序编制成 一 条航线, 采用航线导航, 那么就不需要多次输入新 航点名 以进行 多次单点导航。比如, 要 由航点 N A V 0 1 出发, 去往航点 N A V 0 5 , 通过将 N A V 0 1一 N A V 0 5 等 5 个航点编制成为一条航线 , 5个航点的 顺 序 分 别 为 N A V 0 1 、 N A V I M、 N A V 0 2、 N A V 0 3和 9 0 图 1 利用概略地质点结合地形图标定地质点 N A V 0 5 。编制完航线后, 就可以按照如下方式进行 航线导航 先 由 N A V 0 1 到达 N A V 0 4后 , 导航画面 自 动转 向 N A V 0 4航 点进 行 导航, 显示 下.一 航点 N A V 0 2 距离该航点的方位和距离, 到达 N A V 0 3后, 会显示下一航点 N A V 0 5 距离该航点的方位和距离, 最后到达 N A V 0 5 。 1 。 3 计算多边形面积 有关规划设计单位在利用地质填图成果时, 往 往需要知道图上某一片某种岩性岩石的实际面积, 以做出相应的规划和设计。现在许多 G P S手持机 都具有计算多边形面积的功能, 利用其存储在航点 表中的航点, 可以非常容易地计算出某个多边形范 围内某种岩石的面积。G P S 手持机中计算多边形面 积的计算公式如 1 所示 1 S 了 1 ∑ y ⋯一 X i l Y f 1 -i 1 式中 s 一多边形面积; 、 Y i 和 、 Y ⋯一多边 形的第 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, 所计算出的多变 形面积越精确。 1 . 4 补点 在主要的地质填图工作结束后, 通常要根据填 图的要求对地形图进行检查, 对那些点位密度没有 满足填图要求的区域要进行补点。利用手持 G P S接 收机可以非常容易地实现密度稀疏区的补点工作。 手持G P S 接收机中通常都有一个“ 最近航点” 的 导航功能, 利用这个功能, 可以迅速地找到距离当前位 置最近的已进行过 G P S 定位的地质点, 再查看一下地 形图, 看看 目 前位置地质点的密度是否满足填图的要 求, 如果所在区域地质点的密度比较稀疏, 就可以在目 前位置进行 G P S定位, 并在地形图上标定出该地质点。 以l l 万地质填图为例, 要求在地形图上 2 ~ 3 e ra就要 维普资讯 第 1 期 丁继新等 G P S手持机在野外地质填图中的应用 有一个地质点, 即实地距离为2 0 0~ 3 0 0 m就需要有一 个地质点。这样, 当发现某个区域标定过的地质点相 对较少, 需要补点时, 根据手持 G P S 接收机单点导航功 能中的“ 最近航点” 导航功能, 看看距离当前航点最近 的地质点是否超过 了2 0 0 3 0 0 m, 如果超过 了这个距 离, 说明在当前位置有必要进行补点。依靠传统的人 工判读方法进行补点, 可能会产生补点过多现象, 容易 造成时间和人力的浪费。 2 G P S定位结果在地形图上的标定 G P S 卫星星历是以WG S 8 4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京5 4坐 标系或西安 8 O大地坐标系。由于不同的坐标系使 用不同的地球椭球参数, 它们之问存在着平移和旋 转的关系 WG S 8 4坐标系与北京 5 4坐标系或西安 8 O坐标系之间的误差为 8 O ~ 1 2 0 m , 在我国无法直 接使用 WG S 8 4 坐标系下的坐标在地形图上标定点 位。因此, 为了使用 G P S的绝对定位结果, 将地质 点在地形图上标定出来, 需要进行一定的数据处理。 不同坐标系之问的坐标转换有七参数法、 五参数法 和三参数法。七参数法一般用于转换精度要求较高 的计算, 目前市场上常用的手持 G P S接收机内部设 置的是五参数法。通常的作法是进行坐标系统转 换, 将 G P S接收机所使用的 WG S 8 4坐标系下的三 维空间坐标转换为北京 5 4坐标系或西安 8 O坐标系 下的三维坐标, 然后就可以将转换后的坐标标定到 地形图上。经过这种坐标转换后 的 G P S手持 机绝 对定位精度可由8 O一 1 2 0 m提高到 5 1 0 m 。 2 . 1 坐标转换方法 以将 WG S 8 4坐标系和 B J 5 4 坐标系之间的坐标 转换为例, 在进行坐标转换之前, 首先需要在研究区 搜集 3 个以上已知点。要求既知道这3个已知点的 精确 WG S 8 4大地坐标 曰 蚪 、 、 比 值, 又要知道这3 个点在北京 5 4 B J 5 4 或西安 8 O 坐标系下的大地经 纬度曰 、 和高程 h , 同时还需要知道这3 个点所 在位置的高程异常值 。这种已知点既可以通过 国家“ A ” 级或“ B ” 级 G P S网获得, 又可以通过在那 些已知国家控制点上进行精确的 G P S静态测量获 得。但对于那些缺乏重力资料的地区, 如地形条件 较差的西藏自 治区, 由于无法准确确定其高程异常 值, 经过这种坐标转换后, 测点坐标的精度会有一定 程度的降低 , 精度会底于5 0 m 。这种定点精度难于 应用于大 比例尺 大于 1 1万 的地质填图。可以 按照下述方法将 G P S 手持机所得到的WG S 8 4坐标 转换为可以在地形图上使用的北京5 4 转换成西安 8 O坐标系下的坐标的方法与之类似 1 将大地坐标转换为三维空间直角坐标。使 用公式 2 一 6 分别将已知点在 WG S 8 4和 B J 5 4 坐标系下的大地坐标转换为相应坐标系下的三维空 间直角坐标 Ⅳr / 1一e s i n 2 曰 1 2 X ⅣH c o s B- c o s L 3 Y ⅣH c o s B s i n L 4 Z[ Ⅳ 1一e H] s i n B 5 在 B J 5 4坐标系下, 已知点的大地高可由公式 6 计算而得 H h 6 式中 、 】 , 、 z分别为已知点的三维空间直角坐 标; 曰、 、 日分别为已知点的大地坐标; Ⅳ为某点所在 位置的椭不卯酉圈曲率半径; e 为大地坐标系所对 应的椭球的第一偏心率; r 为对应地球椭球的长半 轴 为对应地球椭球的扁率; h为已知点在 B J 5 4 坐 标系下的高程。 WG S 8 4 、 B J 5 4和西安 8 O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 WG S 8 4坐标系 北京 5 4 坐标系 西安8 O坐标系 r / n l 6 3 78 0 3 7 6 3 7 8 2 4 5 6 3 7 8 1 4 0 e 0. 0 0 6 6 9 4 3 7 9 9 9 0 1 3 0 . 0 0 6 6 9 3 4 2 7 0 . 0 0 6 6 9 4 3 8 5 l 1 / 2 9 8 . 2 5 7 2 2 3 5 6 3 1 / 2 9 8 . 3 1 / 2 9 8 . 2 5 7 2 计算坐标转换参数。利用 WG S 8 4坐标系下 已知点的 、 、 z 和对应椭球参数 r 8 4 值, 减 去 B J 5 4坐标系下相应的 、 y 5 、 z 及对应椭球参 数 r 值, 得到实现坐标转换的5个参数 d X、 d Y 、 d Z、 d r 和 d f o 3 参数验证。在研究区选择 3 个以上国家控 制点进行实际测量, 实2 贝 0 值与测绘部门提供的理论 值进行对比分析, 如果最大误差不大于 1 5 m, 平均误 差不大于 1 0 m, 则计算出的参数可以使用, 否则要重 新计算或查找问题的原因。 使用上述方法, 可以精确地将 G P S 手持机所测 量的各地质点的 WG S 8 4坐标转换为北京 5 4或西安 8 O坐标系下的平面坐标, 然后可以准确地将转换后 的平面坐标标定在地形图上。过去很多地质勘查工 作中都使用这种方法进行坐标坐标转换 。但是, 由于这种方法需要研究区存在 3个以上国家控制 9】 维普资讯 地质 与勘探 2 0 0 7正 点, 并需要对其进行精密测量, 不仅工作量大, 而且 难以应用于那些缺少国家控制点的地方。 2 . 2 相对G P S 基点标定地质点 利用上述方法将 G P S手持机的定位结果标定在 地形图上不仅要求研究区要有 3 个以上国家控制点, 而且还要在这些国家控制点上进行精确的野外测量, 内业数据处理也非常复杂, 因此不便于野外使用。 在野外标定地质点的一个简单而有效的方法是 选择一些地质点作为 G P S基点, 然后将待定点相对 于这些 G P S 基点进行标定。根据研究区的航片 如 果研究区没有航片, 则直接根据地形图 结合实地 的踏勘, 在研究区选择若干个有明显标志的地物点, 比如居民地、 水塘、 采坑、 墓地和大路等。然后在这 些明显地物点上进行 G P S单点定位, 记录下这些点 的WG S 8 4 坐标, 以作为在地形图上标定其它地质点 的基点, 并对这些地物点进行编号, 如图 2所示的 J d 0 1一 J d 0 8点。 图2 G P S基点图 按照下述方法, 可以以这些 G P S基点为基准, 将其它地质点标定在地形图上 1 计算出wG S 8 4坐标系和地形图所使用的地 方坐标系之间的距离差异系数。首先, 计算出2个 G P S 基点坐标在 wG S 8 4 坐标系下的差值, 然后计算 出这2 个 G P S 基点的大地坐标 纬度 和经度 在 地形图所使用的地方坐标系下的坐标差值, 计算公式 如 7 和 8 所示。然后可以分别计算出 W G S 8 4坐 标系和地形图所使用的地方坐标系之间的距离差异 系数 和 , 计算公式 II 9 和 1 O 所示。 A L 吖 . L L 7 AB吖 . B 吖一B 8 畿 M N 厶 l , B r 畿 M N , D 、 1 , 92 式中 △ . 和 A B . 一 GP S基点 和 』 、 r 之间的 坐标差值; A L ,. 』v 1 和 A B M .『v 1 一G P s基点 M和 』 、 r 在 WG S 8 4坐标 系下的坐标差值; A L . 2 和 A B u 2 一G P S 基点 和 』、 r 在地形图所使用的地 方坐,标N 系下的坐标差值。 2 将地形图上经向 和纬向 方向上以度分 秒为单位的坐标差转换为平面 , l , 上以厘米为单 位的平面距离。根据地形图上标出的经纬度, 分别 计算出地形图经向 £和纬向 B方向上的 1 ” 相当于 平面坐标 和 Y 方向的多少厘米。假定经向 和 纬向 方向上的 1 ” 分别等于平面坐标 和 l , 方向 的 和 d y 厘米。 3 将 WG S 8 4坐标系下的经向 和纬向 方向 上以度分秒为单位的坐标差转换为地方坐标系下平 面 , l , 上的平面距离。即在 WG S 8 4坐标系下, 经 向L和纬向 B方向上的 1 ” 分别等于平面 和 y 方 向的L d x和B r d y 厘米。 4 计算待标定的地质点相对于其附近的某个 G P S基点在地形图上的平面距离。假定某个待标定 的地质点为 A 0 0 1 , 其 G P S 定位坐标为 , , , 距离它最近的G P S基点是 J d 0 3 , 其 G P S 定位坐标为 B 神 3 一 』 删 , 一 B , 那么 A 0 0 1 到J d 0 3 点在地形图上 的平面距离为 A X 』 删 一L o o 1 L d x , 1 1 AY 』 ∞ 3 一B 0 0 1 B rd y 1 2 式中 A X和 △ y 一在地形图上 A 0 0 1 到 J d 0 3点 在 和 Y 方向的平面距离。 5 根据待定地质点与G P S 基点之间在地形图上 的平面距离 A X和 A Y , 将待定地质点标定在地形图上。 采用这种方法进行地质点的标定, 由于待定点 与 G P S基点都是采用的 WG S 8 4坐标系下的坐标, 相当于是进行 G P S 相对定位。众所周知, G P S 相对 定位的精度较高, 原因在于待定点与 G P S基点的定 位误差大小和方向基本相同, 二者相减会使得大部 分误差都可以相互抵消, 从而可以大大提高点位测 量的精度 。 与上一种先进行坐标转换再标定地质点的法相 比, 使用相对 G P S 基点标定地质点的方法有更袤优 点, 它更适用于野外快速而高效的地质填图, 因此, 应用范围更加广泛。这两种方法的优缺点如表2 所 示。由于这两种方法标定地质点的精度都高于 2 0 m, 因此, 完全可以将 G P S手持机应用于 1 l 万或 小于 1 1万比例尺的地质填图工作 中。 维普资讯 第 1期 丁继新等 G P S手持机在野外地质填图中的应用 表2 两种地质点标定方法比较 3 G P S辅助地质填图与传统地质填图方法比较 与常规地质填图常用的工具罗盘和皮尺相 比, 将 G P S 这一先进空间测量技术应用在野外区调 地质填图中, 不仅能够快速而高效地确定地质点的 精确坐标, 将地质点准确地标定在地形图上, 完成岩 性调查以及岩性界线圈定, 而且还可以利用其求取 多边形面积的功能, 确定某种岩性岩石的分布范围, 为施工设计决策提供科学的依据。手持 G P S接收 机辅助地质填图方法减少了很多人为主观判断的因 素, 大大提高了标定地质点的精度和工作效率, 节省 了大量的人力、 物力和时间, 因此 , 它已成为快速而 高效地完成野外地质填图的一种最有力工具之一。 相对于传统的地质填图方法, 使用手持 G P S接收机 辅助地质填图的方法有很多优点, 具体如表3所示。 表3 G P S辅助地质填图与传统地质填图比较 边形面积和快速地补点 4个方面。而将 G P S定位 成果标定在地形图一个简单快捷的方法, 就是在研 究区建立若干个 G P S基点, 然后将各个地质点的 G P S 定位结果相对于这些 G P S 基点展到地形图上。 在上述工作中, 可以充分利用手持 G P S 接收机全天 候、 实时性和快速定位的特点, 从而可以快速而高效 地完成野外地质填图工作。 但需要注意的是, 由于 G P S手持机单点实时定 位在平面上的精度一般在 l O m左右, 因此, 目前 G P S 手持机只能应用于那些比例尺不大于 1 1 万的 地质填图中, 而无法应用于大比例尺地质填图工作 中。但随着 G P S 软硬件的发展, G P S 手持机定位和 导航的精度将会越来越高, G P S手持机在野外地质 填图工作中的应用将会越来越广泛。相信在不久的 将来, G P S 手持机将会被应用到 1 5 0 0 0 甚至更大比 例尺的地质填图工作中去, 成为数字地质填图所不 可或缺的一种现代测量工具。 [ 参考文献] [ 1 ]D i x o n t h A n i n tr o d u c t i o n t o t h e G l o h al p o s i t i o n i n g S y s t e m a n d s o m e g e o l o g i c a l a p p l i c a t i o n [ J ] .R e v i e w s o f G e o p h y s 。1 9 9 1 ,2 9 2 4 9 2 7 6. 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C h i n a N o n f e r r o u s Me t a l R e s o u r c e s G e o l o g y S u r v e y , B e lti n g 1 0 0 0 1 2 ; 2 . S i n o r e x R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g B e n g C o m p a n y L i m i t e d , B e ij i n g 1 0 0 0 4 5 ; 3 . E x p e r i me n t C e n t e r ,An y a n g No r ma l Un we ni A n y a n g 4 5 5 0 0 0; 4 . I n s t i t u t e o fGeo l o g y a n d Geo p h y s i c s , C h i n e s e A c a d e m y o fS c i e n c e s , B e ifi n g 1 0 0 0 2 9 Ab s t r a c t Ai mi n g a t c h a r a c t e r i s t i c s o f b a e k wa me t h o d s ,l o we r p me i s i o n a n d wo i n g e f fi c i e n c y i n t h e tr a d i t i o n a l fi e l d g e o l o g i c a l ma p p i n g ,a p p l i c a t i o n o f h a n dh o l d i n g GP S r e c e i v e r i n g e o l o g i c a l p o i n t d e ma r c a t i o n,n a v i g a t i o n,p o l y g o n s a r e a c a l c u l a ti o n,a n d p o i n t s u p p l e me n t t i r e d i s c u s s e d .A s i mp l e b u t n o v e l me t h o d f o r d e ma r c a t i n g a b s o l u t e r e s u ] t s b y h a n d h o l d i n g GP S r e c e i v e r o n a t o p o g r a p h ic a l ma p i s b r o u g h t f o r w a r d.Th e s e wi l l e x t e n d p r a c t i e a b i l i t y o f h a n dh o l d i n g GPS r e c e i v e r i n t h e fie l d g e o l o g i c a l ma p p i ng . Ke y w o r d s h a n dh o l d i n g G P S r e c e i v e r ,fi e l d g e o l o gi c a l ma p p i n g ,d e m a r c a t i o n 9 3 维普资讯