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GPS手持導(dǎo)航儀在地震踏勘與設(shè)計(jì)的應(yīng)用
【摘要】地震采集項(xiàng)目前期踏勘及施工設(shè)計(jì)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(cè)線調(diào)整、試驗(yàn)點(diǎn)選取、施工條件評(píng)估及后期高效物探生產(chǎn)需要。利用GPS導(dǎo)航儀存儲(chǔ)的航點(diǎn)、航線、航跡、GIS軟件及實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)，結(jié)合地震勘探設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，能夠大大提高工作效率，使設(shè)計(jì)更加合理，同時(shí)可降低地震勘探設(shè)計(jì)成本。
【關(guān)鍵詞】GPS 設(shè)計(jì) 踏勘 數(shù)據(jù)格式
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(duì)地震踏勘及設(shè)計(jì)要求也越來越高。手持GPS以全天候、高精度、成本低、操作簡(jiǎn)單、高效益等顯著特點(diǎn)，給定位提供了極大的方便，越來越多的應(yīng)用到地震采集踏勘至設(shè)計(jì)各個(gè)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(jìn)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(jì)及踏勘中的應(yīng)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，性價(jià)比較高便攜式GPS接收終端大體上有Garmin、Explorist、Venture 、勞倫斯等機(jī)型，根據(jù)價(jià)位高低及功能多少分為三個(gè)層次的產(chǎn)品。
基本機(jī)型：有Garmin Legend H、eXplorits600等機(jī)型，目前應(yīng)用面較廣，也是普通用戶大規(guī)模使用的普及機(jī)型。中高端機(jī)型：eXplorits510、Garmin Vista C 蜂彩、GPS76C等。該類機(jī)型代表市場(chǎng)發(fā)展的主流方向。電子地圖數(shù)據(jù)較為詳細(xì)，亦配備內(nèi)置電子羅盤和氣壓高度計(jì)，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(cè)高不準(zhǔn)的問題。
隨著信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，SD擴(kuò)展卡漸漸應(yīng)用到手持導(dǎo)航儀中，卡容量從最初的64MB 擴(kuò)展到現(xiàn)在的8GB，使人們可以隨心所欲地存儲(chǔ)MapSend格式的詳細(xì)地圖數(shù)據(jù)。
1.2 eXplorist600手持終端簡(jiǎn)介
1.2.1 性能簡(jiǎn)介
eXplorist序列機(jī)型是地震勘探野外作業(yè)目前應(yīng)用較為廣泛的便攜式機(jī)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(dá)到3m以內(nèi);(2)SD擴(kuò)充卡：支持SD卡 擴(kuò)展內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)航點(diǎn)、航線、航跡無限存儲(chǔ);(3)內(nèi)置地圖;(4)航跡：可存儲(chǔ)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(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(jiǎn)介
eXplorist600手持GPS提供3種基本導(dǎo)航功能。(1)航點(diǎn)導(dǎo)航。用航點(diǎn)導(dǎo)航到地圖上某點(diǎn)的直接路徑，通過點(diǎn)導(dǎo)航模式，就可以根據(jù)手持機(jī)導(dǎo)航信息提示，尋找到坐標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)需要，還可以設(shè)置其他數(shù)據(jù)項(xiàng)在顯示屏上，比如方位、時(shí)間、速度、坐標(biāo)等。(2)航線導(dǎo)航。將測(cè)線定義為航線，包括定義航線附近的各種路標(biāo)，用于測(cè)線導(dǎo)行。(3)航跡導(dǎo)航。通過對(duì)行進(jìn)過的路線進(jìn)行存儲(chǔ)，可以在再次行進(jìn)時(shí)重復(fù)原有的路線，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(chǔ)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(dǎo)航到已設(shè)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(jù)已存儲(chǔ)的航跡原路返回。
二、eXplorist手持機(jī)數(shù)據(jù)格式
2.1 數(shù)據(jù)類型
航點(diǎn)(Waypoint)：用于記錄地圖上的某個(gè)點(diǎn)的位置，可以存儲(chǔ)坐標(biāo)(經(jīng)緯度)、注解、點(diǎn)標(biāo)識(shí)等其它信息。航跡(Track)：一段運(yùn)動(dòng)軌跡，由很多個(gè)點(diǎn)組成，一般的GPS內(nèi)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(Route)：手工或自動(dòng)生成的線路，一般由幾十個(gè)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，編碼采用UTH-8 Unicode格式，分別以XML標(biāo)簽的形式記錄文件基本格式、航點(diǎn)、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(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為GPS接收機(jī)、桌面軟件、移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)格式(見表1)。
GPX 數(shù)據(jù)格式僅支持WGS-84 經(jīng)緯度坐標(biāo)(格式為DDD.dddddddddb)。如果已知數(shù)據(jù)為其它坐標(biāo)系數(shù)據(jù)， 需要轉(zhuǎn)換為WGS-84經(jīng)緯度格式的坐標(biāo)。
表1 GPX數(shù)據(jù)交換格式屬性
2.3 GPS數(shù)據(jù)交換
2.3.1 GPS手持機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)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(shí)現(xiàn)由MapSend Lite向GPS手持機(jī)寫入GPX數(shù)據(jù)。
采用上述方法，可將測(cè)線、炮檢點(diǎn)設(shè)計(jì)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(dǎo)入手持機(jī)，實(shí)現(xiàn)航點(diǎn)、航線數(shù)據(jù)的快速建立與查詢。
2.3.2 GPS手持機(jī)數(shù)據(jù)輸出
手持GPS 踏勘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的航點(diǎn)坐標(biāo)位置和測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)必須轉(zhuǎn)換成KLsies、Mesa等地震勘探設(shè)計(jì)軟件可以加載的格式(常見為平面坐標(biāo)或SPS格式，見圖1)，才能用來實(shí)現(xiàn)地震勘探設(shè)計(jì)和圖件的任意比例尺輸出。手持機(jī)GPX格式數(shù)據(jù)輸出，可利用Global Mapper自動(dòng)投影轉(zhuǎn)換功能，將GPX數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為采集設(shè)計(jì)軟件通用格式。
圖1 導(dǎo)航儀與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程
采用上述方法，可將野外踏勘時(shí)手持機(jī)記錄的航點(diǎn)、航線數(shù)據(jù)輸出為采集軟件可識(shí)別格式，在采集軟件中準(zhǔn)確、直觀顯示踏勘路線、障礙物及干擾源位置，為地震設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。
三、GPS數(shù)據(jù)采集
3.1 參數(shù)設(shè)置
3.1.1 參考橢球-坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置
GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的坐標(biāo)屬于WGS-84坐標(biāo)系(經(jīng)緯度坐標(biāo)系)，但地震采集常使用的坐標(biāo)系屬于高斯投影的1954年北京坐標(biāo)系，即BJ-54坐標(biāo)系。以下列出了WGS84坐標(biāo)系與1954年北京坐標(biāo)系及1980西安坐標(biāo)系橢球參數(shù)(見表2)。
表2不同坐標(biāo)系橢球參數(shù)
通過表看出，DA、DF針對(duì)某一坐標(biāo)系統(tǒng)來說為固定參數(shù)， 北京54坐標(biāo)系DA =-108、DF= 0.0000005;西安80坐標(biāo)系DA=-3、DF=0。需要自己測(cè)算的參數(shù)主要為前3個(gè)( 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(biāo)投影設(shè)置
坐標(biāo)格式的設(shè)定， 包括中央經(jīng)線(即研究區(qū)域所處坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)的設(shè)定，用研究區(qū)域的五個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)加以設(shè)定。通過以上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置，即可解決手持GPS的現(xiàn)地絕對(duì)定位問題。
3.2 測(cè)線及物理點(diǎn)導(dǎo)入、存儲(chǔ)
利用MapSend Lite與eXplorist手持機(jī)的通訊功能，實(shí)現(xiàn)GPX數(shù)據(jù)的上傳和下載。而Global Mapper有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)接口功能，可將常用的測(cè)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(jìn)行投影轉(zhuǎn)化后上傳至手持導(dǎo)行儀器。
在踏勘過程中，對(duì)特殊點(diǎn)如廠礦定位坐標(biāo)，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(jī)數(shù)據(jù)接口功能，將踏勘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3.3 GPS數(shù)據(jù)精度
GPS誤差有多種因素引起，對(duì)GSP測(cè)量誤差的影響最大的是地形因素(也就是多路徑效應(yīng))、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱影響，GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，它能計(jì)算出本地的三維坐標(biāo)，若只能收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)，它只能計(jì)算出二維坐標(biāo)。使用中應(yīng)注意以下幾項(xiàng)降低誤差：(1)盡量選擇比較開闊的地方進(jìn)行定位，防止信號(hào)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(yuǎn)離大功率的電子波發(fā)射裝置，如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站、高于線及微波無線電信號(hào)傳達(dá)通道等，防止電子信號(hào)對(duì)GPS信號(hào)的干擾;(3)盡量避免多路徑反射誤差，如遠(yuǎn)離大面積水域及大面積強(qiáng)反射裝置;(4)保證穩(wěn)定觀測(cè)時(shí)間(建議4min以上，條件差的地方適當(dāng)延長。)
四、eXplorist手持機(jī)應(yīng)用
4.1 GPS導(dǎo)航儀在踏勘中的應(yīng)用
4.1.1 精確踏勘測(cè)線，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)到位
為盡可能的避開廠礦、水域、陡崖區(qū)域，施工前必須對(duì)工區(qū)進(jìn)行踏勘(見圖2)。將設(shè)計(jì)坐標(biāo)、障礙物坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為*.GPX 格式上裝至手持GPS中，野外踏勘人員在現(xiàn)場(chǎng)馬上就能知道障礙物所在位置的樁號(hào)以及障礙物所影響的測(cè)線長度和范圍，做到精確踏勘，精細(xì)設(shè)計(jì)。
圖2踏勘測(cè)線加載至手持機(jī)
4.1.2 GIS踏勘
利用手持GPS航點(diǎn)記錄功能，可準(zhǔn)確測(cè)定大型干擾源、特殊巖性位置，可以全面、準(zhǔn)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(jì)提供有用的基礎(chǔ)資料。圖3是利用手持GPS 測(cè)定的某工區(qū)準(zhǔn)確的大型干擾區(qū)分布圖。
圖3 踏勘中干擾源調(diào)查
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(dòng)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(zhǔn)確圈定大型障礙的禁炮范圍，為地震勘探設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)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(xì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)手持機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，避免重復(fù)踏勘造成人力、物力及時(shí)間浪費(fèi)(見圖5)。
圖5 共享數(shù)據(jù)位置交通網(wǎng)絡(luò)圖
4.2 GPS導(dǎo)航儀在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
4.2.1 轉(zhuǎn)換提取手持GPS定位信息數(shù)據(jù)
GPS手持機(jī)的定位的航點(diǎn)、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(jì)常用SPS文件、障礙物、干擾源等坐標(biāo)文件，為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件。
圖6干擾源、障礙物分布及測(cè)線設(shè)計(jì)
4.2.2 手持機(jī)與設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)交換
手持GPS踏勘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的航點(diǎn)坐標(biāo)位置和測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)必須轉(zhuǎn)換成地震勘探設(shè)計(jì)軟件可以加載的格式如SPS、坐標(biāo)文件(見圖3)，才能用來實(shí)現(xiàn)圖件的任意比例尺輸出和進(jìn)行地震勘探設(shè)計(jì)。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(jìn)行相應(yīng)的處理轉(zhuǎn)換，整理成SPS文件、邊界數(shù)據(jù)。
表3 GPX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為采集設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)
五、結(jié)語
GPS手持機(jī)攜帶靈活，便于操作，定位相對(duì)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)接口方便，可為地震踏勘及設(shè)計(jì)提供相對(duì)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，提高踏勘、設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與效率，使設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，同時(shí)可降低地震勘探設(shè)計(jì)成本。
參考文獻(xiàn)：
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