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GPS手持导航仪在地震踏勘与设计的应用
【摘要】地震采集项目前期踏勘及施工设计阶段，常常因地形图陈旧、城镇厂矿密集，常规踏勘方法难以满足前期测线调整、试验点选取、施工条件评估及后期高效物探生产需要。利用GPS导航仪存储的航点、航线、航迹、GIS软件及实地踏勘数据，结合地震勘探设计软件进行针对性设计，能够大大提高工作效率，使设计更加合理，同时可降低地震勘探设计成本。
【关键词】GPS 设计 踏勘 数据格式
随着物探作业施工区域逐渐向城区、厂矿密集区、大山区深入，对地震踏勘及设计要求也越来越高。手持GPS以全天候、高精度、成本低、操作简单、高效益等显著特点，给定位提供了极大的方便，越来越多的应用到地震采集踏勘至设计各个环节，大大提高了踏勘精度及效率，成为地震勘探野外采集作业中必不可少的辅助定位工具。
本文就GPS数据格式、定位精度、数据采集及交换进行了介绍，结合地理信息软件Goggle Earth、Global Mapper、MapSend Lite等地理信息软件，介绍了在地震采集系统中设计及踏勘中的应用。
一、GPS接收终端简介
1.1 便携式手持终端简介
在野外工作中，性价比较高便携式GPS接收终端大体上有Garmin、Explorist、Venture 、劳伦斯等机型，根据价位高低及功能多少分为三个层次的产品。
基本机型：有Garmin Legend H、eXplorits600等机型，目前应用面较广，也是普通用户大规模使用的普及机型。中高端机型：eXplorits510、Garmin Vista C 蜂彩、GPS76C等。该类机型代表市场发展的主流方向。电子地图数据较为详细，亦配备内置电子罗盘和气压高度计，避免了屏蔽后的方位指向困难，也在一定程度上缓解了GPS 测高不准的问题。
随着信息技术的进步与发展，SD扩展卡渐渐应用到手持导航仪中，卡容量从最初的64MB 扩展到现在的8GB，使人们可以随心所欲地存储MapSend格式的详细地图数据。
1.2 eXplorist600手持终端简介
1.2.1 性能简介
eXplorist序列机型是地震勘探野外作业目前应用较为广泛的便携式机型之一，它有如下特点：(1)TrueFix技术，精确度更高，改正精度达到3m以内;(2)SD扩充卡：支持SD卡 扩展内存，可实现航点、航线、航迹无限存储;(3)内置地图;(4)航迹：可存储3～5条航迹，每条航迹可包含2000个航迹点;(5)超大显示屏：超大显示屏可以清晰的看到GPS数据信息，eXplorist510配有高清晰度彩色触摸显示屏。
1.2.2 功能简介
eXplorist600手持GPS提供3种基本导航功能。(1)航点导航。用航点导航到地图上某点的直接路径，通过点导航模式，就可以根据手持机导航信息提示，寻找到坐标点。根据需要，还可以设置其他数据项在显示屏上，比如方位、时间、速度、坐标等。(2)航线导航。将测线定义为航线，包括定义航线附近的各种路标，用于测线导行。(3)航迹导航。通过对行进过的路线进行存储，可以在再次行进时重复原有的路线，或利用航迹返回功能沿原路返回到起点。这一功能在物探施工中非常有用，先期踏勘的班组把航迹存储起来，然后把GPS交给其他后续班组，后续班组利用航迹，直接导航到已设定的激发或接收物理点位上。如果在施工中迷失方向，还可以利用这一功能，根据已存储的航迹原路返回。
二、eXplorist手持机数据格式
2.1 数据类型
航点(Waypoint)：用于记录地图上的某个点的位置，可以存储坐标(经纬度)、注解、点标识等其它信息。航迹(Track)：一段运动轨迹，由很多个点组成，一般的GPS内部可以存几百个到几千个。Track的生成算法比较重要，好的算法记录点少而且描述精确。航线(Route)：手工或自动生成的线路，一般由几十个点组成。
2.2 数据格式定义
GPX( GPS Exchange Format )是GPS数据的交换格式，是一种基于XML(Extensible Markup Language)的一种开发数据标准，编码采用UTH-8 Unicode格式，分别以XML标签的形式记录文件基本格式、航点、航迹、航线等信息。目前GPX在GPS 数据格式转换、制图等方面支持上百种应用软件和网络服务，成为GPS接收机、桌面软件、移动设备软件以及基于网络服务的数据转换的标准格式(见表1)。
GPX 数据格式仅支持WGS-84 经纬度坐标(格式为DDD.dddddddddb)。如果已知数据为其它坐标系数据， 需要转换为WGS-84经纬度格式的坐标。
表1 GPX数据交换格式属性
2.3 GPS数据交换
2.3.1 GPS手持机数据输入
GPX交换文件是一个XML文件，Mapsend Lite软件、Global Mapper软件可以直接读取，而eXplorist GPS手持机亦能通过MapSend Lite软件输入GPX数据。利用Global Mapper数据输入、输出功能可快速将原始数据转化为GPX数据。其过程是将原始数据转化为SPS数据，利用Global Mapper输出GPX数据，实现由MapSend Lite向GPS手持机写入GPX数据。
采用上述方法，可将测线、炮检点设计数据或踏勘路线利用Global Mapper转化为GPX格式后，利用MapSend Lite批量导入手持机，实现航点、航线数据的快速建立与查询。
2.3.2 GPS手持机数据输出
手持GPS 踏勘基础数据的航点坐标位置和测点坐标必须转换成KLsies、Mesa等地震勘探设计软件可以加载的格式(常见为平面坐标或SPS格式，见图1)，才能用来实现地震勘探设计和图件的任意比例尺输出。手持机GPX格式数据输出，可利用Global Mapper自动投影转换功能，将GPX数据自动转化为采集设计软件通用格式。
图1 导航仪与设计数据转换流程
采用上述方法，可将野外踏勘时手持机记录的航点、航线数据输出为采集软件可识别格式，在采集软件中准确、直观显示踏勘路线、障碍物及干扰源位置，为地震设计提供准确、详细的基础资料。
三、GPS数据采集
3.1 参数设置
3.1.1 参考椭球-坐标系统设置
GPS 导航系统所提供的坐标属于WGS-84坐标系(经纬度坐标系)，但地震采集常使用的坐标系属于高斯投影的1954年北京坐标系，即BJ-54坐标系。以下列出了WGS84坐标系与1954年北京坐标系及1980西安坐标系椭球参数(见表2)。
表2不同坐标系椭球参数
通过表看出，DA、DF针对某一坐标系统来说为固定参数， 北京54坐标系DA =-108、DF= 0.0000005;西安80坐标系DA=-3、DF=0。需要自己测算的参数主要为前3个( DX、DY、DZ)，一般称为三参数。三参数一般由控制网平差获取。
3.1.2 坐标投影设置
坐标格式的设定， 包括中央经线(即研究区域所处坐标带的中央经度值： E105°0 0′00″)投影比例(+1.0000000)、东西偏差(+5000000.0m) 和南北偏差(0.0m)。其次是坐标系统的设定，用研究区域的五个坐标转换参数加以设定。通过以上的坐标转换和参数设置，即可解决手持GPS的现地绝对定位问题。
3.2 测线及物理点导入、存储
利用MapSend Lite与eXplorist手持机的通讯功能，实现GPX数据的上传和下载。而Global Mapper有很强的数据接口功能，可将常用的测量数据、SPS数据快速转化为GPX数据，也能将GPX数据进行投影转化后上传至手持导行仪器。
在踏勘过程中，对特殊点如厂矿定位坐标，并添加备注信息。行径过程中记录设定航迹采用间隔20m-50m不等，记录大型障碍物边界。踏勘结束后，利用GPS手持机数据接口功能，将踏勘数据转化为设计基础数据。
3.3 GPS数据精度
GPS误差有多种因素引起，对GSP测量误差的影响最大的是地形因素(也就是多路径效应)、卫星信号强弱影响，GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的三维坐标，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出二维坐标。使用中应注意以下几项降低误差：(1)尽量选择比较开阔的地方进行定位，防止信号被遮挡，保证有足够数量的卫星，(不少于4颗)用于定位解算。(2)尽量远离大功率的电子波发射装置，如电视台、电台、微波站、高于线及微波无线电信号传达通道等，防止电子信号对GPS信号的干扰;(3)尽量避免多路径反射误差，如远离大面积水域及大面积强反射装置;(4)保证稳定观测时间(建议4min以上，条件差的地方适当延长。)
四、eXplorist手持机应用
4.1 GPS导航仪在踏勘中的应用
4.1.1 精确踏勘测线，实现逐点到位
为尽可能的避开厂矿、水域、陡崖区域，施工前必须对工区进行踏勘(见图2)。将设计坐标、障碍物坐标转换为*.GPX 格式上装至手持GPS中，野外踏勘人员在现场马上就能知道障碍物所在位置的桩号以及障碍物所影响的测线长度和范围，做到精确踏勘，精细设计。
图2踏勘测线加载至手持机
4.1.2 GIS踏勘
利用手持GPS航点记录功能，可准确测定大型干扰源、特殊岩性位置，可以全面、准确地了解工区内厂矿等大型干扰区、地表岩性位置、的分布情况，为地震勘探设计提供有用的基础资料。图3是利用手持GPS 测定的某工区准确的大型干扰区分布图。
图3 踏勘中干扰源调查
4.1.3障碍物边界圈定
根据障碍物类型，可设定航迹记录长度，比较大的乡镇、村庄、厂矿、水库等，可将自动记录的航迹设定为20m，甚至更小，步行或车载绕障碍物一周，以便准确圈定大型障碍的禁炮范围，为地震勘探设计提供准确信息。图4是利用手持GPS 定位信息数据绘制的某工区精细的交通网络图和大型障碍禁炮范围图。
图4航迹圈定障碍边界
4.1.4 数据共享
利用个班组自动记录航迹，利用MapSend lite软件，定期将所有航迹数据进行合并，可将航迹绘制成工区交通网络图，并将合并的航迹文件转化为*.GPX文件上传至各个手持机，实现数据共享，避免重复踏勘造成人力、物力及时间浪费(见图5)。
图5 共享数据位置交通网络图
4.2 GPS导航仪在设计中的应用
4.2.1 转换提取手持GPS定位信息数据
GPS手持机的定位的航点、航线及航迹数据，可利用图6转换方法及流程，将定位数据转化为设计常用SPS文件、障碍物、干扰源等坐标文件，为设计提供基础数据文件。
图6干扰源、障碍物分布及测线设计
4.2.2 手持机与设计软件数据交换
手持GPS踏勘基础数据的航点坐标位置和测点坐标必须转换成地震勘探设计软件可以加载的格式如SPS、坐标文件(见图3)，才能用来实现图件的任意比例尺输出和进行地震勘探设计。我们可以根据KLsies、绿山软件提供的外部数据接口格式将提取的GPS 数据进行相应的处理转换，整理成SPS文件、边界数据。
表3 GPX数据转化为采集设计软件数据
五、结语
GPS手持机携带灵活，便于操作，定位相对准确，数据接口方便，可为地震踏勘及设计提供相对准确的基础资料，提高踏勘、设计的准确性与效率，使设计更加科学合理，同时可降低地震勘探设计成本。
参考文献：
[1] 吕公河，张庆淮，段卫星 等.黄土塬地区地震勘探采集技术.石油物探，2001，40(2)：84～91.
[2] 朱选，刘素霞.地理信息系统原理与技术[M].上海：华东师范大学出版社，2006.22～25.
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