GPS手持導(dǎo)航儀在地震踏勘與設(shè)計(jì)的應(yīng)用

金守鋒　陳明春　石添尹

（中石化地球物理有限公司云南分公司，云南昆明　650233）

GPS手持導(dǎo)航儀在地震踏勘與設(shè)計(jì)的應(yīng)用

金守鋒陳明春石添尹

（中石化地球物理有限公司云南分公司，云南昆明650233）

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。

GPS 數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)踏勘

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(lái)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(lái)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。

圖1　導(dǎo)航儀與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

圖2　踏勘測(cè)線加載至手持機(jī)

1　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(pán)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(wèn)題。

圖3　踏勘中干擾源調(diào)查

圖4　航跡圈定障礙邊界

圖5　共享數(shù)據(jù)位置交通網(wǎng)絡(luò)圖

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)。

表1　GPX數(shù)據(jù)交換格式屬性

表2　不同坐標(biāo)系橢球參數(shù)

表3　GPX數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為采集設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)

1.2eXplorist600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(wú)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(guò)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(guò)對(duì)行進(jìn)過(guò)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(lái)，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。

圖6　干擾源、障礙物分布及測(cè)線設(shè)計(jì)

2　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(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，編碼采用UTH-8Unicode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(jiàn)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.ddddddd ddb）。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)。

2.3GPS數(shù)據(jù)交換

2.3.1GPS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(guò)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(guò)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(xiě)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。

2.3.2GPS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(jiàn)為平面坐標(biāo)或SPS格式，見(jiàn)圖1），才能用來(lái)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。

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。

3　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(jiàn)表2）。

通過(guò)表看出，DA、DF針對(duì)某一坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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)。

3.3GPS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(kāi)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(wú)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(zhǎng)。）

4　eXplorist手持機(jī)應(yīng)用

4.1GPS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(kāi)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(jiàn)表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(zhǎng)度和范圍，做到精確踏勘，精細(xì)設(shè)計(jì)。

4.1.2GIS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。

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(zhǎng)度，比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、廠礦、水庫(kù)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。

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(jiàn)圖5）。

4.2GPS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。

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(jiàn)圖3），才能用來(lái)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)。

5　結(jié)語(yǔ)

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。

［1］呂公河，張慶淮，段衛(wèi)星，等.黃土塬地區(qū)地震勘探采集技術(shù).石油物探，2001，40（2）：84～91.

［2］朱選，劉素霞.地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2006.22～25.