劉彥華，楊青峰，王正亮

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223400)

0 引言

手持GPS是目前項(xiàng)目前期勘察過程中較為常見的定位工具，涉及的領(lǐng)域廣泛，例如工區(qū)范圍調(diào)查、地質(zhì)調(diào)繪、物探測(cè)線清理，鉆孔孔位初定等。物探測(cè)線上的物理點(diǎn)(例如地震炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)、電極點(diǎn)、記錄點(diǎn)等)的坐標(biāo)可以通過手持GPS實(shí)現(xiàn)，野外數(shù)據(jù)采集過程中遇到的明顯的地質(zhì)現(xiàn)象也可以通過手持GPS定位，為以后資料解譯提供相對(duì)精確的定位幫助(李鵬等，2008)。MapSource作為Garmin系列手持GPS的配套軟件，不僅能提供點(diǎn)位、導(dǎo)航等信息，也可以作為物探測(cè)線導(dǎo)航，還可以在Google Earth軟件中直觀地顯示航線和航跡，為物探解譯發(fā)揮更大的作用。

1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題

在工程物探測(cè)量中，常見的是業(yè)主提供的平面直角坐標(biāo)，例如北京54和西安80(國(guó)外常用UTM坐標(biāo))。而手持機(jī)系統(tǒng)默認(rèn)的是WGS－84坐標(biāo)，所以2種不同坐標(biāo)系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)關(guān)系(WGS－84坐標(biāo)系與我國(guó)應(yīng)用的坐標(biāo)系之間的誤差約為80 m)。通過手持GPS進(jìn)行絕對(duì)定位必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的絕對(duì)定位精度可由80 m提高到5～10 m，通過區(qū)域控制點(diǎn)校正定位精度可達(dá)到0～3 m，足以滿足工程物探的精度要求。

WGS－84坐標(biāo)和北京54(或西安80)坐標(biāo)系屬于兩個(gè)不同的模擬地球形狀的橢球模型。北京54坐標(biāo)系采用的是克拉索夫斯基橢球模型，而WGS－84坐標(biāo)系有1個(gè)WGS－84橢球，其常數(shù)采用 IUGG第17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)的推薦值。兩個(gè)橢球模型之間轉(zhuǎn)換首先要考慮兩者不同的橢球基準(zhǔn)，即DA、DF。DA、DF分別是2個(gè)橢球基準(zhǔn)之間半長(zhǎng)軸的差和扁率倒數(shù)的差。WGS－84橢球2個(gè)最常用的幾何常數(shù)為：長(zhǎng)半軸：(6 378 137±2)m;扁率：1∶298.257 223 563。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，這2個(gè)參數(shù)是固定的，即：WGS－84→北京54：DA：－108;DF：0.000 000 5、WGS－84→西安80：DA：－3;DF：0。

橢球的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換后，建立橢球的原點(diǎn)仍不一致，還需要在DX、DY、DZ這3個(gè)空間平移參量，以便將2個(gè)不同的橢球原點(diǎn)重合，這樣才能使2個(gè)坐標(biāo)系的橢球完全轉(zhuǎn)換。由于各地的地理位置不同，因此在各個(gè)地方的這3個(gè)坐標(biāo)軸平移參量也不同。

2 運(yùn)用公式求取DX、DY、DZ三參數(shù)

傳統(tǒng)求三參數(shù)的方法即通過公式求取，具體計(jì)算方法如下。

第一步：搜集應(yīng)用區(qū)域內(nèi)GPS網(wǎng)3個(gè)以上網(wǎng)點(diǎn)WGS－84坐標(biāo)系B、L、H值及我國(guó)坐標(biāo)系(北京54或西安80)B、L、h、x值(B、L、H分別為大地坐標(biāo)系中的大地緯度、大地經(jīng)度及大地高，h、x分別為大地坐標(biāo)系中的高程及高程異常。

第二步：計(jì)算不同坐標(biāo)系三維直角坐標(biāo)值，對(duì)應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)見表1，計(jì)算公式如下：

表1 不同坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)Table 1 Relevant constants of corresponding ellipsoidsfor different coordinate systems

其中，X、Y、Z為大地坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo);A為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球之長(zhǎng)半軸;e2為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球第一偏心率;N為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，N=A/(1－e2sin2B)/2;H=h+x，H為北京54或西安80坐標(biāo)系中的大地高(劉大杰等，1997;杜大彬等，2007)

第三步：求出 DX，DY，DZ。即利用 WGS－84 坐標(biāo)系的X、Y、Z值，減去我國(guó)坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)值，得出實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的3個(gè)參數(shù)(應(yīng)算出WGS－84與北京和西安坐標(biāo)系2套參數(shù))。

第四步：參數(shù)驗(yàn)證。參數(shù)計(jì)算之后必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法是在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)選擇5個(gè)以上控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)值與測(cè)繪部門提供的理論值對(duì)比，若平均誤差≤10 m，則計(jì)算出的參數(shù)可以使用，否則要重新計(jì)算或查找出現(xiàn)問題的原因。

3 用MapSource求DX、DY、DZ三參數(shù)

傳統(tǒng)求三參數(shù)的方法仍然需要現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，通過不斷修改參數(shù)來達(dá)到定位效果。通過MapSource軟件反復(fù)推算三參數(shù)可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的目的，節(jié)省大量的時(shí)間。下面通過1組實(shí)例說明MapSource軟件的優(yōu)越性。

選取能控制工程區(qū)域的3個(gè)以上三角點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)系B、L及我國(guó)坐標(biāo)系(北京54或西安80)X、Y值。以3點(diǎn)407P、408P和424P為例進(jìn)行計(jì)算。

表2 福建某工程三角點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Triangulation point data of a project in Fujian

3.1 MapSource軟件預(yù)設(shè)

MapSource V6.15.6版本為中文版本，雙擊圖標(biāo)打開軟件，單擊菜單欄的“編輯”，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊“首選項(xiàng)”命令，彈出“首選項(xiàng)”對(duì)話框。

單擊“位置”標(biāo)簽，對(duì)下列選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置：網(wǎng)格(用戶定義的網(wǎng)格)—從下拉列表框中可選擇“緯度/經(jīng)度 hddd°mm'ss.s″”(度、分、秒格式);基準(zhǔn)(用戶定義的基準(zhǔn))—從下拉列表框中可選擇“WGS－84”(Garmin Corp，2004)(圖1)。

3.2 輸入3點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)

單擊菜單欄的“編輯”，在彈出的下拉菜單中點(diǎn)擊“新航點(diǎn)”，在彈出的“新航點(diǎn)”對(duì)話框中輸入對(duì)應(yīng)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并保存設(shè)置。重復(fù)該步驟可以得到3個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)(Garmin Corp，2006)。

圖1 三角點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)Fig.1 WGS-84 coordinates of the triangulation points

3.3 輸入DA、DF數(shù)值

在“位置”對(duì)話框中將坐標(biāo)系改成西安80坐標(biāo)系，輸入 DA、DF 數(shù)值(Garmin Corp，2004)。

單擊“位置”標(biāo)簽，對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)進(jìn)行下列設(shè)置：網(wǎng)格—用戶定義的坐標(biāo)，這時(shí)后面出現(xiàn)一個(gè)“屬性”按鈕;基準(zhǔn)—用戶定義的基準(zhǔn)，后面也出現(xiàn)“屬性”按鈕。下面對(duì)這些屬性按鈕進(jìn)行設(shè)置。

首先對(duì)“用戶定義的網(wǎng)格”進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“屬性”按鈕，彈出的對(duì)話框中，分別對(duì)中央經(jīng)線、比例系數(shù)、東西偏差假定值、南北偏差假定值進(jìn)行賦值。

中央經(jīng)線：通常坐標(biāo)X是7位，Y是8位，其中Y坐標(biāo)前2位是帶號(hào)，表明是中央子午線(通常指經(jīng)度L)。一般來說，20左右的應(yīng)為6度分帶，帶號(hào)為n則6n－3;40左右的為3度分帶則3n。

比例系數(shù)為1，東西偏差假定值為500 000 m，南北偏差假定值為0 m。

再次對(duì)“用戶定義的基準(zhǔn)屬性”進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“屬性”按鈕，彈出的對(duì)話框中分別有DeltaX、DeltaY、DeltaZ、Delta半長(zhǎng)軸、Delta平面度等參數(shù)。Delta半長(zhǎng)軸、Delta平面度2個(gè)常數(shù)即DA、DF。DA、DF分別填寫－3、0(圖2)。

圖2 MapSource下網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Fig.2 Grid parameter setting in MapSource

3.4 運(yùn)用MapSource快速求取三參數(shù)

假定DX、DY、DZ為0，可以得出在西安80坐標(biāo)系統(tǒng)下三角點(diǎn)的假定數(shù)值，將假定數(shù)值與實(shí)際數(shù)值相減，并不斷地修正DX、DY、DZ，可以得到最接近實(shí)際數(shù)值的假定數(shù)值，即擬合程度最高的DX、DY、DZ(圖 3)(馬翠玲，2010)。

通過編寫的程序反復(fù)計(jì)算，得出DX=－111、DY=－46、DZ=－5。該參數(shù)在3個(gè)點(diǎn)的假定數(shù)值與實(shí)際數(shù)值對(duì)比見表3。

通過MapSource軟件可以在室內(nèi)計(jì)算出DX、DY、DZ三參數(shù)，并與實(shí)際數(shù)值對(duì)比分析，誤差極小。經(jīng)大量實(shí)際驗(yàn)證，該方法簡(jiǎn)單適用。

4 MapSource與Google Earth軟件結(jié)合布置測(cè)線

4.1 物探測(cè)線編輯

物探野外工作主要以物探測(cè)線為主，將布置好的測(cè)線按照里程結(jié)合線位弧度縮小誤差，以物探點(diǎn)的形式輸入到MapSource軟件中，并編輯好航線(圖4)。野外操作過程中可以導(dǎo)航此航線，隨時(shí)提醒偏航距，調(diào)整清理線位，達(dá)到精確勘探的目的(圖5)(劉凡珍等，2007;王會(huì)峰等，2008)。

圖3 MapSource下三參數(shù)快速設(shè)置Fig.3 Rapid setting of three parameters in MapSource

表3 三角點(diǎn)平面直角坐標(biāo)實(shí)際值和假定值關(guān)系Table 3 Relationship between actual values and assumed values of plane rectangular coordinates of triangulation points

4.2 Google Earth顯示的物探線位

在MapSource軟件的菜單欄“視圖”最下一個(gè)命令欄，有與Google Earth軟件接口，可以在 Google Earth軟件中查看測(cè)線(圖6)。這項(xiàng)功能可以大大提高野外工作的效率，提前做好分段清理的計(jì)劃，節(jié)省大量時(shí)間。

線路途徑的小路清晰可見，里程樁號(hào)位置可定，可以預(yù)先做好分段數(shù)據(jù)采集處理，計(jì)算好排列長(zhǎng)度，盡最大可能采集有效數(shù)據(jù)(圖7)。

4.3 運(yùn)用Google Earth軟件進(jìn)行航跡記錄

物探野外施工過程中，難免遇到陡坎、公路、河流等無法施工地段，通過手持GPS的航跡記錄，還可以給這些位置定位，對(duì)數(shù)據(jù)處理有極大幫助(圖8)。

航跡記錄不僅能記錄施工經(jīng)過的位置，也保留了對(duì)應(yīng)位置上的時(shí)間，有助于回憶施工的細(xì)節(jié)。運(yùn)用此項(xiàng)功能還可以為地質(zhì)調(diào)繪提供很好的幫助。

5 結(jié)論

(1)通過MapSource軟件可以快速計(jì)算GPS定位的空間平移參量DX、DY、DZ 3個(gè)參數(shù)，為前期工作節(jié)省大量時(shí)間。除了測(cè)量部門提供的三角點(diǎn)的坐標(biāo)之外，還可以通過轉(zhuǎn)換線位圖，設(shè)置相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)來布置測(cè)線。

(2)通過Google Earth軟件自帶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，可以將相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)下布置的測(cè)線轉(zhuǎn)到Google Earth軟件中查看。

圖4 MapSource下物探航點(diǎn)編輯Fig.4 Edition of geophysical navigation points in MapSource

圖5 MapSource下物探航線編輯Fig.5 Edition of geophysical navigation lines in MapSource

圖6 Google Earth軟件下物探航線Fig.6 Geophysical exploration routes in the software Google Earth

圖7 Google Earth軟件下物探航線的地形Fig.7 Terrain of geophysical exploration routes in the software Google Earth

圖8 Google Earth軟件下野外物探航跡Fig.8 Field geophysical exploration paths in the software Google Earth

(3)結(jié)合Google Earth軟件，MapSource軟件不僅可以對(duì)物探前期測(cè)線清理、后期數(shù)據(jù)處理提供幫助，還可以運(yùn)用到鉆孔位置初定、地質(zhì)調(diào)繪點(diǎn)初定等初步勘察中。

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