利用omap自動計算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學調(diào)查中的應用

于訓成，宋娟娟，張秀文，王洪軍

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；2.五蓮縣國土資源局，山東 五蓮 262300)

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利用omap自動計算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學調(diào)查中的應用

于訓成1，宋娟娟2，張秀文1，王洪軍1

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013；2.五蓮縣國土資源局，山東 五蓮 262300)

土地質(zhì)量地球化學調(diào)查評價的調(diào)查精度較高，GPS主要應用于地球化學測網(wǎng)布設、土壤采樣點的定位及其他生態(tài)地球化學樣品的采集定位。野外工作前必須通過大地測量三角點實測數(shù)據(jù)進行GPS手持機三參數(shù)校正，在GPS中置數(shù)，校正參數(shù)滿足精度要求之后方可進入野外采樣階段,因此，正確的參數(shù)設置是使用GPS的關鍵。利用omap結(jié)合1∶5萬地形圖實現(xiàn)了室內(nèi)快速自動化校正三參數(shù)，精度高，誤差小于3m。

GPS校正；omap；校正；土地質(zhì)量；GE影像圖；WGS-84；西安-80；北京-54

0 引言

土地質(zhì)量地球化學評價是實現(xiàn)土地資源數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)三位一體管護，落實耕地保護制度、支撐土地資源管理的一項重要工作。包含采集分析土壤、水、大氣干濕沉降、農(nóng)作物等樣品，以地塊為單元進行農(nóng)用地質(zhì)量地球化學評價，評價比例尺為1∶5萬、1∶1萬，野外定點誤差要求不小于15m[1]。野外樣品采樣主要使用GPS手持機結(jié)合地形圖的方法進行定點采集。野外工作開展前，校正GPS三參數(shù)是必備的工作[2]。通過第三方軟件——奧維互動瀏覽器(以下簡稱omap)實現(xiàn)了室內(nèi)自動計算GPS手持機三參數(shù)，誤差小于3m，校正參數(shù)精度高，效果好。繞開了控制測量一環(huán)，提高了野外效率[3-4]。該文以“山東省沂水縣1∶5萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價①”工區(qū)為例介紹此方法，就GPS點校正應用做一些探討,提供一些可借鑒經(jīng)驗。

1 確定GPS手持機坐標系統(tǒng)

第一，要確定工區(qū)測量的坐標系統(tǒng)；第二，確定工區(qū)內(nèi)地形圖的坐標分帶；第三，確定該坐標分帶的中央經(jīng)線。這樣可保證GPS手持機和地形圖的坐標系統(tǒng)一致。

工區(qū)位于山東省臨沂市，地處魯中南地區(qū)、沂蒙山腹地,面積為2400km2。采用1980西安坐標系，6度帶，帶號20，中央子午線117°。

沂水縣地勢自西北向東南傾斜，地形復雜，山地、丘陵、平原俱全。各占總面積的5.5%,57.0%和37.5%。縣域西部、北部為低山區(qū)；東部、東北部為丘陵；中部、南部為平原。野外工作中使用的參考圖件有1∶5萬地形圖(以下簡稱地形圖)和1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖。由于這些圖件的現(xiàn)勢性、可獲取性及掃描誤差等原因[6],不能滿足野外調(diào)查的精度需求，所以野外采用Google Earth影像圖作為工作手圖較為實用。特別是東部、東北部的丘陵區(qū)域沒有明顯的地理標志，GPS手持機三參數(shù)的精確度，對野外采集的準確定位至關重要。因此，野外用GPS手持機進行樣品采集時，正確的“三參數(shù)”設置是使用GPS的關鍵[7]。

采用美國GARMIN公司手持式GPSetrex(以下簡稱etrex手持機)，全漢化、并行12通道手持式接收機[8]。etrex手持機能根據(jù)確定的坐標系統(tǒng)可以直接讀出坐標。該文是針對etrex手持機來進行討論的[8]。

etrex手持機直讀數(shù)據(jù)為WGS-84坐標系中的經(jīng)緯度坐標,而實際應用中需要轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(以下簡稱西安-80坐標系)。WGS-84坐標系是國際上通用的大地坐標系，它使用的橢球基本參數(shù)為：a84=6378137m，f84=1/298.257223563。西安-80坐標系是我國通用的三維直角坐標系[12]。其橢球的參數(shù)為：a80=6378140m，f80=1/298.257。因為不同的坐標系之間存在著偏移關系[9-11],所以，使用etrex手持機時必須要進行不同坐標系切換的三參數(shù)設置。

etrex手持機的校正是使用最小二乘法進行的WGS-84坐標系與西安-80坐標系數(shù)學轉(zhuǎn)換[13]。首先，將“WGS-84的緯度、經(jīng)度和高度坐標”轉(zhuǎn)換到相對于“西安-80坐標系高斯6度帶投影方里網(wǎng)”的三維直角坐標；二者之間的平面平差計算，即etrex手持機自定義坐標系中的三參數(shù)：△dx，△dy，△dz。

2 下載工區(qū)GE影像圖

Omap可提供下載的Google Earth影像(以下簡稱GE影像)數(shù)據(jù)包括0～19級[14]，使用Web墨卡托投影(Popular Visualization CRS Mercator)，15、19級數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為4.8和0.3 m。該文采用omap直接下載的方法獲取GE影像圖。

下載安裝omap(版本6.5.1以上版本)，打開應用程序，在工具欄視野搜索框內(nèi)輸入“沂水縣”，選擇“沂水縣-山東省臨沂市[行政區(qū)域]”，系統(tǒng)會在地圖界面上自動勾選出“沂水縣”范圍，點擊該范圍內(nèi)的任一點，彈出下載對話框，開始下載沂水縣GE影像圖。下載前首先要選擇所需要的地圖級別，地圖清晰度級別要求能夠清晰顯示主要交通干道，該次選擇19級(空間分辨率為0.3 m)(圖1)。

3 選擇計算參數(shù)的關聯(lián)點

以往野外校正etrex手持機參數(shù)時,須提前到當?shù)販y繪局收集工區(qū)內(nèi)3～5個國家控制點實測數(shù)據(jù)(在工區(qū)內(nèi)均勻分布)，再到野外實際控制點的位置，按照一定規(guī)律,改變所有etrex手持機自定義坐標系中的三參數(shù)大小，使控制點的實測坐標值與野外etrex手持機的顯示值保持一致,從而完成GPS三參數(shù)的校正[15-16]。下面通過omap中的GE影像圖和地形圖均勻選擇5個關聯(lián)點(性質(zhì)等同于國家控制點)進行室內(nèi)etrex手持機的參數(shù)校正。

圖1 下載沂水縣GE影像圖

沂水縣GE影像圖下載完畢后，根據(jù)系統(tǒng)提示關閉下載對話框。重新打開omap，進入沂水縣GE影像圖界面，然后進行關聯(lián)點的選擇。同步操作，打開每個關聯(lián)點所對應的地形圖(西安-80坐標系)，并在地形圖上準確定位到該點的位置。關聯(lián)點一般以主要交通干道的交會路口為主，能夠分別在沂水縣GE影像圖界面和地形圖界面內(nèi)準確定位。GE影像圖提供關聯(lián)點的WG-S84經(jīng)緯度坐標，地形圖提供該點的西安-80平面直角坐標。

為滿足整個工區(qū)的精度需求，計算參數(shù)的關聯(lián)點一般選擇5個，如圖2所示工區(qū)四角和中心位置各選擇一個關聯(lián)點，每個關聯(lián)點在地形圖和GE影像圖上能夠清晰識別(圖3)，以降低參數(shù)誤差。將5個關聯(lián)點分別標注在GE影像圖和地形圖上，依次讀出每個關聯(lián)點的WGS-84經(jīng)緯度和西安-80平面直角坐標(表1)。

打開omap中的系統(tǒng)設置，在“常用”界面內(nèi)找到“系統(tǒng)坐標系”，選擇“橫軸墨卡托投影坐標”，并進入其“設置”界面，坐標類型選擇“經(jīng)緯度<—>西安80”，轉(zhuǎn)換類型選擇“三參數(shù)”，模式選擇“標準模式”，中央經(jīng)線輸入“117”；然后點擊界面中的“計算”模塊進入“計算三參數(shù)[西安80]”界面，選擇“關聯(lián)點”模塊，進入“關聯(lián)點管理”界面；依次添加已經(jīng)選擇好的5個關聯(lián)點圖標，系統(tǒng)會自動錄入每個關聯(lián)點的經(jīng)緯度坐標(圖4)，同時手動輸入每個關聯(lián)點對應的西安80平面直角坐標，完善“關聯(lián)點管理”界面(圖5)，最后用關聯(lián)點自動計算三參數(shù)(圖6)。依次選擇每個關聯(lián)點進行△dx，△dy，△dz三參數(shù)的計算，再求平均值，即獲得沂水地區(qū)西安80坐標系6度帶的etrex手持機三參數(shù)為△dx=-102.5764，△dy=-59.0578，△dz=-1.3482(表2)。

表1 關聯(lián)點的經(jīng)緯度和平面坐標信息

1—關聯(lián)點1；2—關聯(lián)點2；3—關聯(lián)點3；4—關聯(lián)點4；5—關聯(lián) 點5 圖2 關聯(lián)點分布圖

圖3 關聯(lián)點地形圖與GE影像圖位置對比圖

圖4 錄入關聯(lián)點經(jīng)緯度和平面直角坐標

圖5 關聯(lián)點管理界面圖

圖6 選擇關聯(lián)點自動計算三參數(shù)

關聯(lián)點中央經(jīng)線△dx△dy△dz1117102．49659．2091．4742117102．41559．3491．5873117102．59159．0231．324117102．78558．6821．0415117102．59559．0261．319平均值117102．576459．05781．3482

4 野外驗證

室內(nèi)通過omap計算出GPS三參數(shù)之后，選擇了3個B級控制點進行了野外驗證，驗證結(jié)果△dx，△dy，△dz均在3m以內(nèi)(表3)。

5 omap計算三參數(shù)原理

etrex手持機不同坐標系之間切換時，實際需要調(diào)整5個自定義參數(shù),即△dx，△dy，△dz，△da，△df。其中,△dx，△dy，△dz為計算出的不同坐標系之間的平移參數(shù),△da為不同坐標系對應的橢球長半軸之差[17-20]，△df為不同坐標系對應的橢球扁率之差，二者均為常數(shù)。因此，etrex手持機中僅需要計算校正的平移參數(shù)是△dx，△dy，△dz。

使用omap在工區(qū)范圍內(nèi)選擇5個關聯(lián)點，分別讀出西安-80大地坐標系X80，Y80，Z80值與WGS-84坐標系Lat，Lng，H值,利用omap內(nèi)置的算法分別計算每個點的△dx，△dy，△dz值。

WGS-84坐標系Lat，Lng，H值轉(zhuǎn)換為西安-80坐標系X84，Y84，Z84值運用公式：

X84=(N+H)cos(Lat)cos(Lng)

Y84=(N+H)cos(Lat)sin(Lng)

△偏移參數(shù)計算公式：

式中：Lat，Lng，H分別為WGS-84坐標系中的大地緯度、大地經(jīng)度和大地高程；X80，Y80，Z80分別為西安-80坐標系中的三維直角坐標；N—該點的卯酉圈曲率半徑，N=a/(1-e2)1/2；e2—西安-80坐標系對應橢球第一偏心率；a—西安-80坐標系對應橢球之長半軸。

上述計算公式是omap中利用關聯(lián)點計算三參數(shù)的原理，實際應用中，GPS手持機使用的結(jié)果為：

因此，通過omap關聯(lián)點計算出的△dx，△dy，△dz值×(-1)后所得值才是最終etrex手持機中采用的參數(shù)。

表3 三個B級控制點校驗結(jié)果

6 結(jié)論

通過該方法計算出的etrex手持機三參數(shù)不需要進行微調(diào)即可使用。

GPS校正參數(shù)在不同的坐標系統(tǒng)中有不同的值，該文討論的是利用omap進行西安-80坐標系的參數(shù)計算。同理，也可以利用該軟件計算出北京-54坐標系的校正參數(shù)。該參數(shù)實用范圍為300km×300km，超出之后應當重新選擇超出范圍之外的關聯(lián)點計算相應的GPS三參數(shù)。

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Application of Omap in Automatica Calculation ofGPS Three Parameters in Geochemical Survey of Land Quality

YU Xuncheng1，SONG Juanjuan2，ZHANG Xiuwen1，WANG Hongjun1

(1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute，Shandong Jinan 250013，China；2. Wulian Bureau of Land and Resources，Shandong Wulian 262300, China)

The precision of geochemical survey and assessment of land quality is high. GPS technology is mainly used in geochemical surveying network, soil sample point positioning and other ecological geochemical samples collection and positioning. Before the field work, three parameters correction of GPS handset must be carried out through actual measurement datas of triangulation points in geodetic survey, then set datas in GPS. After correction parameters meet the precision requirement, field sampling stage can begin. Therefore, right parameter setting is the key to use GPS. By using omap, combining with topography with the scale of 1∶50000, rapid automatic three-parameter correction indoor can be realized with high precision, and the error is less than 3m.

GPS correction; omap; correction; land quality; GE image map; WGS-84; Xi'an-80; Beijing-54

2017-02-06；

2017-06-14；編輯：王敏

魯國土資發(fā)[2016]328號；委托書編號：魯勘字(2016)56號

于訓成(1964—)，男，山東煙臺人，高級工程師，主要從事物化探勘查工作；E-mail：yuxuncheng@sina.com ①山東省物化探勘查院，山東省沂水縣1∶5萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查與評價總體設計，2016年。

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于訓成，宋娟娟，張秀文，等.利用omap自動計算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學調(diào)查中的應用[J].山東國土資源，2017,33(8)：80-84. YU Xuncheng，SONG Juanjuan，ZHANG Xiuwen，etc. Application of Omap to Automatically Calculate GPS Three Parameters in Geochemical Survey of Land Quality[J]. Shandong Land and Resources，2017,33(8)：80-84.