手持GPS的参数解算及在地质勘查中的应用

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　　摘要:手持GPS未经参数校正时定位精度为80－120米，利用测量控制点进行参数校正后定位精度可提高至5米以内，在地质勘查中熟练运用手持GPS将大大提高野外工作效率。
　　
　　关键词:手持GPS,参数解算,参数设置,地质勘查,应用
　　
　　1 概况
　　GPS是由美国国防部于1973年开始历经20年研制成功并投入使用的卫星导航定位系统，该系统由24颗在轨卫星、地面控制站、用户接收机组成；坐标系采用WGS－84世界大地坐标系，该坐标系原点是地球的质心，基本参数为：长半轴а=6378137m,地球扁率α=0.00335281066474。改系统具备全天候及全球连续导航定位能力。目前,GPS作为新一代的卫星导航定位系统已在军事、交通运输、测绘、高精度时间比对及资源调查等领域中得到了广泛的应用[1]。
　　作为用户接收机的手持GPS在任何地方开机只要锁定4颗GPS卫星即可进行定位，未经参数校正时定位精度为80－120米，利用测量控制点进行参数校正后定位精度可提高至5米以内。目前国内较常用的机型有由北京合众思社科技有限公司代理的eTrexVenture(奇遇)、麦哲伦（MAGELLAN）等,其中eTrexVenture(奇遇)机型市面售价在2000元人民币左右，具有轻便，操作简单，接收卫星及定位速度快等特点，为大多单位和个人所接受。本文以该机型为例介绍其参数的解算与设置及其在野外中的应用。
　　
　　
　　2参数解算
　　2.1参数介绍
　　参数解算时需了解GPS所采用坐标系及其需转换的坐标系的基本参数，如常用的1954年北京坐标系(以下简称54坐标)和1980年西安坐标系(以下简称80坐标)，表1列出了3种坐标系的基本参数。
　　表1常用坐标系的基本参数

　　2.2参数解算原理
　　参数解算其实就是求得不同坐标系之间的转换参数。对于既有旋转、缩放，又有平移的2个空间直角坐标系的坐标转换，存在着3平移参数和3个旋转参数以及1个尺度变化参数，共计有7个参数，要求得这7个转换参数，至少需要3个公共点[2]，且需知道3个公共点的3套不同坐标值，这在现实中很难做到，亦无需做到，因为手持GPS即便有精确的7参数设置也无法达到高精度(厘米级)的定位。
　　手持GPS经销商在出售设备时往往会提供各省不同地区的转换参数，值得注意的是此参数误差极大,依据此参数在实地定位所测坐标值基本无法使用，因此在工作中应慎用。为了获得较高精度和可靠的绝对定位坐标，就必需进行参数校正。
　　实际应用中，一般需求得5个转换参数，分别为：DA、DF、DX、DY、DZ，其中DA为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球长半轴的差值，即与54坐标系差值为-108，与80坐标系差值为-3；DF为WGS－84坐标系与不同坐标系的椭球扁率的差值，即与54坐标系差值为-0.000000480795,与80坐标系差值为-0.0000000025。从上述可知DA、DF为固定值，真正需解算的只有3参数DX、DY、DZ，这样即可利用一个控制点的3套坐标求得。
　　综上所述，可知根据所转换的坐标系需收集的资料有：至少一个控制点的3套坐标，即WGS－84坐标、54坐标、80坐标。WGS－84坐标可向矿区的专业测绘人员索取，困难时也可用手持GPS在实地控制点上测定。高等级控制点（如国家一二等）的54坐标和80坐标成果可向省地理信息中心购买，对部分控制点（如军控点）没有80坐标成果的，可采用该点的54坐标成果数值扣除该点所在的54坐标的1：1万地形图与80坐标的1：1万地形图之间的图框偏移量，所得出80坐标成果精度仍可满足参数解算要求。需指出的是54坐标系的1：1万地形图与80坐标系的1：1万地形图间转换的图框偏移量目前尚属密级资料，用户仍需向资料归口单位按程序要求购买。
　　2.3参数解算软件
　　参数解算大都采用坐标转换软件。坐标转换软件很多，笔者在本文介绍一款COORD的转换软件，该软件在网上可下载，为绿色软件，无需安装，可直接点击打开，具有小巧(仅172KB)、界面友好、操作简单、功能齐全等特点，目前较通用的为4.2版本(图1)。
　　
　　图1坐标转换软件COORD
　　Fig。1CoordinateconversionsoftwareCOORD
　　2.4参数解算实例
　　以下以我队完成的福建省安溪县某铁矿预查矿区为例，介绍手持GPS的3参数解算。该矿区平面坐标采用80坐标系，高程控制采用1985国家高程基准。在该矿区进行3参数解算时所采用的控制点为我队测绘人员布设的一级GPS点，成果属3°投影带，中央子午线117°，高斯平面直角坐标。经参数校正后用手持GPS实地检测其余控制点坐标，X差值最大0.3米，Y差值最大1.2米，H差值最大3米，定位精度完全满足地质人员野外作业要求。
　　解算步骤如下：
　　（1）在图1的坐标转换软件菜单上点击“坐标转换”，在弹出的下拉菜单上选择“投影设置”，在“投影方式”下点击选择“高斯投影3度带”，最后在右边的“投影参数”下依次正确写上矿区的“中央子午线117：00：00”，其余均按软件默认的，即“尺度=1、X常数=0、Y常数=500000、基准纬度=00：00：00、投影面高程=0、投影平均纬度=00：00：00”，之后点击“确定”,如图2。

　　图2投影设置
　　Fig.2Projectionset
　　（2）在图1的坐标转换软件菜单上点击“坐标转换”，在弹出的下拉菜单上选择“计算三参数”，在“大地坐标”和“平面坐标”下分别填上WGS－84坐标80坐标及高程，在椭球基准上按照所填坐标对应选择WGS－84坐标系，国家－80坐标系，如图3。
　　
　　图3控制点坐标输入
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　　（3）完成坐标输入后在图3点击“确定”，软件便计算出3参数，如图4。“X、Y、Z轴旋转（秒）”及“尺度”均应为0。
　　
　　图4参数解算结果

　　3 参数设置
　　完成了3参数的解算即可把解算结果输入到手持GPS中，步骤如下：
　　（1）eTrexVenture(奇遇)开机，切换到“主菜单”界面，用鼠标移到“设置”并点击。
　　（2）在“设置菜单”界面上点击“单位”选项，在弹出的“单位”界面上依次选择：位置显示格式为UserUTMGrid、地图基准为User、距离/速度为公制、高度/垂直速度为米。
　　（3）在“位置显示格式”上点击“UserUTMGrid”，弹出“用户坐标”，依次输入：中央经线E117°00′000″、投影比例+1.0000000、东西偏差+500000、南北偏差0.0，按“存储”。
　　（4）在“地图基准”上点击“User”，弹出“用户Datum”界面，依次输入以上计算的3参数：DX为-106.8、DY为-53.4、DZ为-0.1，DA和DF为固定值，本矿区为80坐标系，应输入-3、0；若为54坐标系则应为-108、+0.00000048，按“存储”。
　　（5）完成参数设置后，把界面切换到“卫星”界面，当手持GPS在户外锁定4颗卫星即可显示坐标和高程。
　　4在地质勘查中的应用
　　（1）野外地质填图。当实地难以判读地形时，用经过参数校正后的手持GPS结合地形图很容易进行定位，特别是在丛林峡谷中。
　　（2）普通地质点的定位测量。
　　（3）普查及预查矿区的工程点测设。当矿区无专业测绘人员而工程要求较紧时，可用手持GPS依据设计的工程点的图解坐标进行实地布设，如钻孔及槽探的头尾的布设。
　　（4）大面积矿产资源调查。利用一个测量控制点进行参数校正后的手持GPS可以在方圆近百平方公里进行矿产资源调查，可以极大提高野外定位精度及工作效率。
　　（5）测量控制点的踏勘。部分测量控制点位置不明星，可用手持GPS实地测定坐标结合地形图展点即可方便找到点位。
　　5讨论
　　我队在野外地质勘查和地质测绘中较早引入手持GPS的使用，积累了不少经验，供参考。
　　（1）为了获得较高的绝对定位精度，建议手持GPS参数的解算由专业测绘人员进行。用予参数解算的控制点的WGS-84坐标最好采用高精度的静态GPS观测，观测数据经处理软件进行基线解算后再进行三维无约束平差即可得到理想的三维坐标。
　　（2）手持GPS测定的高程精度较差，应结合工程实际慎用；解算3参数时输入的控制点的高程可用1956年黄海高程系的高程，也可输入1985国家高程基准，对参数解算精度无大影响，但WGS－84下的高程例外。
　　（3）图4中所解算的参数均为正值，但在手持GPS设置中参数应设置为负值。
　　（4）参数解算时横坐标Y的带号应舍去；手持GPS在实地测得的横坐标不含带号。
　　（5）在参数设置时，中央经线如E117°00′000″不能设置为W117°00′000″，否则将引起定位错误。
　　（6）依据我队在2个直线距离约17Km的矿区所解算的参数(表2)，可以认为通过一个测量控制点进行参数校正后的手持GPS在控制点周边17Km内进行5米内精度的定位是基本可行的。
　　表2不同地区的参数对比

　　（7）在野外进行定位时，当周边环境开阔时，手持GPS只要锁定4颗以上健康卫星即可读取测定坐标；当周边环境遮挡物密集时，应适当延长定位时间（经验值在5分钟以上）且锁定卫星在5颗以上，此时测定的坐标方能较为准确。
　　
　　参考文献
　　1．李征航黄劲松，GPS测量与数据处理，武汉，武汉大学出版社，2005
　　2．孔祥元主编，大地测量学基础，武汉，武汉大学出版社，2006