張貴豪，趙 欣

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

耕地占補(bǔ)平衡是土地整理復(fù)核的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其傳統(tǒng)方法是根據(jù)竣工圖、現(xiàn)狀圖等紙制地圖，利用經(jīng)緯儀等常規(guī)測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。該方法具有測(cè)量不方便、記錄的數(shù)據(jù)較多、計(jì)算繁多且不易定位等缺點(diǎn)［1］。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它由空間部分（GPS衛(wèi)星星座）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）和用戶設(shè)備部分（GPS接收機(jī)）3部分組成。GPS以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)吸引了眾多用戶，尤其是在位移監(jiān)測(cè)、控制測(cè)量、精密工程測(cè)量等方面應(yīng)用較廣［2］。

Trimble GeoXH手持機(jī)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)結(jié)合在一起，具有體積小、容易攜帶、可單獨(dú)使用的特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量和導(dǎo)航。由于靈敏度與自動(dòng)化程度較高，Trimble GeoXH手持機(jī)在大地測(cè)量、地質(zhì)勘查、資源調(diào)查等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［3］。筆者以遼寧省土地整理復(fù)核項(xiàng)目為例，探討了Trimble GeoXH手持機(jī)和自編程序在土地整理復(fù)核項(xiàng)目中的應(yīng)用。

1 Trimble GeoXH手持機(jī)的主要功能和優(yōu)勢(shì)

1.1 主要功能

Trimble GeoXH手持機(jī)是一款內(nèi)置雙頻GPS衛(wèi)星接收天線的手持式數(shù)據(jù)采集器，具有數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)等諸多功能。該儀器可利用內(nèi)置天線進(jìn)行載波相位測(cè)量，也可聯(lián)合基準(zhǔn)站作業(yè)，并進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)后處理，同時(shí)也可接收星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation System，簡(jiǎn)稱SBAS）的改正數(shù)或其他來源的改正數(shù)［4］。

1.2 主要優(yōu)勢(shì)

Trimble GeoXH手持機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是H-Star技術(shù)［5］。H-Star技術(shù)將數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能融合在一個(gè)軟件中，從而實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位精度。H-Star技術(shù)的實(shí)質(zhì)主要體現(xiàn)在改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、改進(jìn)工作流程、差分后處理3個(gè)方面。

1.2.1 改善數(shù)據(jù)質(zhì)量

H-Star技術(shù)是集成采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度均較高。

（1）GPS信號(hào)在傳播過程中，通常受多路徑效應(yīng)影響。GPS信號(hào)是一種右旋極化波，反射后信號(hào)變?yōu)樽笮龢O化波。Trimble GeoXH手持機(jī)天線內(nèi)部帶有抑徑板，同時(shí)擁有EVEREST技術(shù)，可以濾除左旋極化的反射波。多路徑效應(yīng)對(duì)應(yīng)用H-Star技術(shù)的測(cè)量儀器的影響更弱。

（2）外接Zephyr天線的設(shè)計(jì)原則和H-Star技術(shù)設(shè)計(jì)原則一樣。Zephyr天線能夠接收L2信號(hào)，在HStar技術(shù)定位中，可利用L2信號(hào)得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

（3）Trimble GeoXH手持機(jī)可以接收雙頻GPS信號(hào)，能夠計(jì)算出基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的電離層延遲誤差，并消除該誤差。

1.2.2 改進(jìn)預(yù)估后處理精度（Estimated Post-processing Accuracy，簡(jiǎn)稱PPA）所帶來的工作流程

用戶利用帶PPA功能的外業(yè)采集軟件采集數(shù)據(jù)時(shí)，不用擔(dān)心差分后處理精度是否滿足要求，所以可以高效地采集高質(zhì)量的外業(yè)數(shù)據(jù)。

PPA的計(jì)算和顯示依賴于衛(wèi)星幾何分布、天線類型、衛(wèi)星鎖定的最小時(shí)長、假定的基站設(shè)備等。PPA顯示的是水平均方根誤差，表示差分后處理的結(jié)果中有63%的位置到實(shí)際位置的距離不超出所顯示的數(shù)值。

1.2.3H-Star差分后處理

Trimble GeoXH手持機(jī)支持H-Star技術(shù)，利用自身內(nèi)置天線可以快速達(dá)到較高精度。如果加上Zephyr雙頻天線，經(jīng)軟件后處理，數(shù)據(jù)精度可以達(dá)到更高［5］。

對(duì)于單獨(dú)的L1數(shù)據(jù)，可以用后處理軟件為電離層建模，并估算電離層誤差。如果加上L2數(shù)據(jù)，后處理軟件能夠測(cè)算出電離層誤差，并消除這個(gè)誤差。

2 WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)與BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換原理

土地管理復(fù)核項(xiàng)目中的電子竣工圖大多是采用BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)，而Trimble GeoXH手持機(jī)的默認(rèn)坐標(biāo)系統(tǒng)是世界大地坐標(biāo)系WGS-84（World Geodetic System一1984Coordinate System），同時(shí)帶有其他國家和地區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)，但是無中國BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)，所以需要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

常見的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法有五參數(shù)法和七參數(shù)法，七參數(shù)法通常用于精度較高的測(cè)量作業(yè)中，而Trimble GeoXH手持機(jī)使用五參數(shù)法即可［6］。要將Trimble GeoXH手持機(jī)的WGS-84坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BJ-54坐標(biāo)數(shù)據(jù)，需要計(jì)算出2個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即相應(yīng)橢球?qū)?yīng)的扁率和長半軸的差值DF、DA，同一點(diǎn)在不同空間直角坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值的差值DX、DY、DZ。

2.1 計(jì)算三維直角坐標(biāo)

對(duì)于同一空間點(diǎn)，大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）所示。

式中：X、Y、Z為空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；B、L、H大地為大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；N為卯酉圈曲率半徑；e為第一偏心率。N、e的值可以根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算或從Trimble GeoXH手持機(jī)操作手冊(cè)獲取［7］。

將本地某個(gè)控制點(diǎn)BJ-54坐標(biāo)系下的B、L、H大地值及該點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的觀測(cè)值B、L、H大地分別代入（1）式，計(jì)算出該點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)值X54、Y54、Z54與X84、Y84、Z84。

2.2 計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)

把公式（1）求得的兩個(gè)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的三維直角坐標(biāo)分別代入式（2），計(jì)算出DX、DY、DZ的值。

DF、DA可以通過兩個(gè)已知坐標(biāo)系統(tǒng)的相應(yīng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相減獲得。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

遼寧省土地整理復(fù)核項(xiàng)目的關(guān)鍵在于參數(shù)轉(zhuǎn)換與內(nèi)業(yè)計(jì)算，其工作流程如圖1所示。

圖1 土地管理項(xiàng)目流程圖Fig.1 Flow of land management item

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 獲取高等級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)

在國土管理部門取得作業(yè)區(qū)內(nèi)或作業(yè)區(qū)附近3個(gè)或3個(gè)以上均勻分布的BJ-54坐標(biāo)系下的國家高等級(jí)控制點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y）和正常高H正常高（部分國土部門同時(shí)也提供大地坐標(biāo)）。

GPS Pathfinder Office軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入的BJ-54坐標(biāo)和正常高計(jì)算出相應(yīng)的大地坐標(biāo)B、L、H大地。計(jì)算出的大地坐標(biāo)B、L、H大地并不顯示出來，而是直接參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.1.2 采集高等級(jí)控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)

用Trimble GeoXH手持機(jī)測(cè)量相應(yīng)控制點(diǎn)，獲取WGS-84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)B、L、H大地。

3.1.3 坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換及校核

先在電腦上利用天寶公司提供的GPS Pathfinder Office軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)換參數(shù)，再自定義出BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)。定義內(nèi)容為：中央子午線經(jīng)度輸入作業(yè)區(qū)中央子午線經(jīng)度，投影比例參數(shù)默認(rèn)為1.00000，東西偏差常數(shù)為500000m，南北偏差默認(rèn)為0，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換屬性輸入計(jì)算出的轉(zhuǎn)換參數(shù)DX、DY、DZ值，DA、DF的值由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。

輸出格式為CSW的坐標(biāo)文件，并將此文件與電子竣工圖同時(shí)導(dǎo)入Trimble GeoXH手持機(jī)。

轉(zhuǎn)換完成后，需要對(duì)參數(shù)的正確性進(jìn)行校核。即在實(shí)地已知點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)施定位測(cè)量，當(dāng)結(jié)果滿足精度要求時(shí)，說明轉(zhuǎn)換成功［8］。當(dāng)結(jié)果超出誤差時(shí)，應(yīng)查找原因并重新計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.1.4 點(diǎn)位采集

打開Trimble GeoXH手持機(jī)外業(yè)采集軟件Terrasync，在“坐標(biāo)系統(tǒng)”設(shè)置中選擇自定義的BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)，在“實(shí)時(shí)設(shè)置”中選擇“整合的SBAS”（目的是利用地區(qū)性星基增強(qiáng)系統(tǒng)）。然后，在實(shí)地進(jìn)行點(diǎn)位采集。

在我國使用Trimble GeoXH手持機(jī)時(shí)，可以接收到日本的多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）（Wide Area Augmentation System）所發(fā)送的廣域差分信號(hào)，經(jīng)此信號(hào)改正后的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)差分定位精度和后處理差分精度均可達(dá)到亞米級(jí)。

3.2 內(nèi)業(yè)處理與精度分析

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，用天寶Pathfinder Office軟件將采集的外業(yè)數(shù)據(jù)以DAT格式導(dǎo)出，用Auto CAD打開電子竣工圖，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子竣工圖進(jìn)行復(fù)核。

3.3 精度分析

調(diào)用編寫LISP的計(jì)算程序（程序設(shè)計(jì)思路是提取界址點(diǎn)坐標(biāo)和檢核點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算點(diǎn)位誤差和中誤差），輸出界址點(diǎn)和檢核點(diǎn)的坐標(biāo)、點(diǎn)位誤差和中誤差，如表1所示。

表1 輸出的坐標(biāo)與中誤差表Tab.1 Output coordinate and mean square error

（續(xù)表1 ）

將程序計(jì)算結(jié)果與人工計(jì)算的點(diǎn)位誤差與中誤差進(jìn)行對(duì)比，程序計(jì)算的點(diǎn)位誤差與中誤差正確。從表1中可以，測(cè)點(diǎn)的中誤差為1.97m，最大點(diǎn)位誤差為3.82m，滿足最大點(diǎn)位誤差不能大于5m的檢核要求。同時(shí)，由記錄的地塊屬性（如坡度、耕地質(zhì)量等）可以確定某塊地是否合格。根據(jù)記錄的地塊屬性及計(jì)算出的中誤差，本圖中的9個(gè)地塊可以確定為合格。

4 結(jié)語

Trimble GeoXH手持機(jī)與自編計(jì)算程序的聯(lián)合應(yīng)用，使土地管理復(fù)核工作效率大為提高。H-Star技術(shù)的先進(jìn)性使Trimble GeoXH手持機(jī)在土地管理復(fù)核項(xiàng)目中具有顯著的優(yōu)越性，且該套工具攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，使得外業(yè)人員可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲得高精度的定位，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了外業(yè)時(shí)間，明顯提高了外業(yè)工作的效率；在進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，利用編寫的計(jì)算程序可以大大提高計(jì)算效率，使內(nèi)業(yè)處理時(shí)間大為縮減。