野外地質測量手持GPS的校正方法

手持式GPS是一種利用新一代衛(wèi)星導航與定λ系統(tǒng)（global positioning system，GPS）相結合、體積小巧、攜帶方便、獨立使用的定λ導航設備，具有全天候、全方λ實時三維導航與定λ能力，有高靈敏度、高精度、自動化、價廉、使用方便等特點，已廣泛應用于大地測量、地質調查、資源勘查等眾多領域。近年來，我院在對手持式GPS機性能和定λ精度研究的基礎上，將其運用于中小比例尺的地質填圖、物化探測網布設工作中，既大大提高了工作效率、節(jié)約了成本，又大大豐富了地質找礦工作手段的多樣，起到了較好的應用效果。 
　　在GPS定λ技術的應用和發(fā)展過程中，根據不同的市場需求，生產廠家研制生產出了不同用途和型號的接收機.無論是高精度的測量型GPS，還是導航型手持GPS，其所提供的坐標都是以美國的WGS-84坐標系統(tǒng)而建立的，而我們的地質工作底圖使用的是1954年北京坐標系（北京54系）或1980西安坐標系（西安80系），不同的坐標系統(tǒng)之間按一定的數學模型可計算出其間的轉換關系，也就是我們常說的轉換參數.轉換參數的確定給我們使用GPS提供了便利.我們把求取轉換參數的工作過程稱為GPS的校正。我們以我院現有的幾款手持GPS的校正過程做下介紹。 
　　1手持GPS校正前的幾項準備工作 
　　在進行手持GPS校正前，我們首先要確定工區(qū)測量使用的坐標系統(tǒng)，其次要確定礦區(qū)地質工作底圖的坐標分帶.從而確定該坐標帶的中央子午線.這樣才可以保證手持GPS機所測的坐標和地質底圖的使用坐標是一致的。 
　　1.1確定礦區(qū)坐標系統(tǒng) 
　　我們居住的地球的形狀大致為赤道方向略長、兩極方向略偏，以南北兩極為軸的旋轉橢球體。為確定地球表面的地物及空間點相對地球的空間λ置，人們定義了不同的橢球體模型，不同的橢球體模型按照不同的投影方法定義了不同的坐標系統(tǒng)。下表是我國現行使用中的幾種坐標系統(tǒng)對應橢球名稱和橢球參數： 
　　其中，1954年北京坐標系已基本退出測繪舞臺，只有少數特定礦區(qū)還在采用該坐標系統(tǒng)；1980西安坐標系是我們現在工作中主要采用的坐標系統(tǒng)；2000中國大地坐標系已于2008年7月1日啟動使用，我們現有的測繪成果將逐步過渡到該坐標系。 
　　在同一坐標系中，對于同一個空間點的坐標有兩種表示形式：空間直角坐標（X，Y，Z）和大地坐標（B，L，H），這兩種坐標是可以通過公式直接轉換的，也可以通過一些坐標轉換軟件直接轉換，比如廣州中海達測繪儀器有限公司的靜態(tài)測量后處理軟件。我們現有的手持GPS機對空間點的兩種坐標表示形式都可以通過設置進行實時顯示。 
　　礦區(qū)坐標系統(tǒng)可以通過《礦區(qū)工作設計》進行確認；也可以通過礦區(qū)工作底圖來獲取，在工作底圖的圖框左下角都標明該圖成圖坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。 
　　2確定工作底圖的坐標分帶 
　�。�1）地形圖投影分帶 
　　我國規(guī)定l：l萬～1：50萬國家基本地形圖均采用高斯一克呂格投影，其中l(wèi)：2.5萬～1：50萬采用經差6°分帶，l：1萬采用經差3°分帶。在高斯一克呂格投影上，規(guī)定以中央經線為X軸，赤道為Y軸，兩軸的交點為坐標原點。X坐標值在赤道以北為正，以南為負；Y坐標值在中央經線以東為正，以西為負。我國在北半球，X坐標皆為正值。Y坐標在中央經線以西為負值，運用起來很不方便。為了避免Y坐標出現負值，將各帶的坐標縱軸西移500 km，即將所有Y值都加50Okm。 
　　6°分帶投影，即經差為6°，從零度子午線開始，自西向東ÿ個經差6°為一帶，用1，2，3，……表示。全球共分60個帶，即東經0°～6°為第l帶，其中央子午線經度為東經3°，東經6°～12°為第2帶，其中央子午線經度為9°，依次類推。 
　　3°分帶投影，從東經1.5°的經線開始，ÿ隔3°為一帶，用l，2，3，……表示，全球共分12O個帶，即東經1.5°～4.5°為第1帶，其中央子午線經度為東經3°.東經4.5°～7.5°為第2帶，其中央子午線經度為東經6°，依次類推。（見：投影分帶圖） 
　　（2）工作區(qū)帶號的確定 
　�、倮�用地形圖確定：地形圖上公里網橫坐標（8λ整數）前2λ就是帶號，例如，橫坐標為28616249，其中28即為帶號。 
　�、诶�用已知坐標點經度（以度表示）確定：6°帶帶號是經度整數值除以6加上1的整數值，3°帶帶號是經度除以3后的四舍五入取整數值。如經度為79°46′35″，其6°分帶號是l4（79÷6+1=14），3°分帶號是27（79.78÷3=26.59）。 
　�。�3）如何確定是3°分帶還是6°分帶 
　�、俑鶕�地形圖比例尺來確定：一般情況下l：l萬以上的大比例尺地形圖所標定的帶號為3°帶帶號，l：l萬以下的中小比例尺地形網所標定的帶號為6°帶帶號。 
　�、诟鶕�工作區(qū)已知坐標點橫坐標和工作區(qū)經度來確定：如某工作區(qū)點A橫坐標為28616249，其中28為帶號，工作區(qū)經度85度左右，所以該坐標系為3°帶坐標系，28×3=84，而不可能為6°帶：28×6=168。 
　�。�4）工作區(qū)中央子午線（中央經線）經度的確定 
　　6°帶：中央子午線經度=6°×當地帶號-3°，例如，地形圖上橫坐標為21396000，其所處的6°帶的中央子午線經度為：6°×21―3°=123°。 
　　3°帶：中央子午線經度=3°×當地帶號，例如：地形圖上橫坐標為40551000，其所處的3°帶的中央子午線經度為：3°×40=120°。 　　2手持GPS的校正方法 
　　WGS-84坐標系與北京54年坐標系或西安80坐標系之間是不同的橢球基準。因為同一個橢球里的轉換可以是嚴密的，不同橢球之間的轉換是不嚴密的，所以WGS-84坐標系與北京54年坐標系或西安80坐標系之間不存在一套全國通用的轉換參數，而且ÿ個地方都有差異。不同的橢球基準坐標系統(tǒng)之間的嚴密轉換關系為七參數（Dx、Dy、Dz、Wx、wy、Wz、K，它們分別是X、Y、Z三軸的平移與旋轉及比例系數K）。由于手持GPS單機定λ精度要求并不高，一般在3～10m。因此手持GPS的轉換參數選用了近似七參數.也就是我們常用的三參數Dx、Dy、Dz；忽略了旋轉參數Wx、Wy、W2，實際上旋轉參數也非常��；比例參數默認為1。 
　　我院現在使用的手持GPS機按照校正方法的不同主要有兩類，其中一類是傳統(tǒng)型手持GPS，如佳明Garmin、麥哲倫、集思寶、彩途等廠家生產的手持GPS；另外一類新型手持GPS，如中海達Q5手持GPS（如圖：中海達Q5）、南方測繪的S750手持GPS等。兩類手持GPS校正過程均采用三參數轉換，新型手持GPS自身都裝載有專門的參數轉換軟件，操作簡單、相對比較方便，本文不做介紹，下面我們以佳明Garmin GPS72手持GPS機（如圖：佳明Garmin GPS72）為例介紹傳統(tǒng)型手持GPS校正方法。 
　　使用佳明Garmin GPS72手持GPS機到一個新的工區(qū)作業(yè)時，首先要對手持GPS機進行參數設置，確定工區(qū)自定義坐標格式（UserUTMGrid），根據前面的介紹輸入正確的投影關系參數，“中央經線”為當地地圖投影的中央子午線，“投影比例”值為1，“東西偏差”值為500 000 m，“南北偏差”值為0 m。，然后就是進行GPS校正，求取轉換參數。在轉換參數設置界面有五個參數需要設置，其中Dx、Dy、Dz就是我們所說的三參數，是需要我們求取的；Df、Da是固定常數，其中Df 是WGS84橢球扁率與目標橢球扁率之差，Da是WGS84橢球與目標橢球長半軸之差。Df、Da具體數字如下表： 
　　正常求取三參數Dx、Dy、Dz需要知道已知點的WGS-84坐標系和北京54坐標系（或西安80坐標系）坐標的空間直角坐標數據，但北京54系（或西安8O系）坐標的空間直角坐標數據一般需要特定的計算機坐標轉換軟件來求取，而我們在野外工作的時候基本上是只有手持GPS接收機，這就無法實現參數的常規(guī)求取方法，為此我們提出了如下簡易方法，以方便快速準確地求取三參數。 
　　首先我們根據搜集到的已知控制點的資料找到其中一個控制點，校正人員拿該手持機站在控制點上方，將三參數Dx、Dy、Dz全部設置為零，這樣手持機測得的坐標值同該控制點的已知成果存在一個差值，分別計算相對應差值得到的數值就是三參數Dx、Dy、Dz，將計算得到的三參數輸入手持機，重新檢查手持機測得的坐標值，計算新得到的坐標值與已知點成果的差值，根據差值修正三參數Dx、Dy、Dz，修正后的三參數Dx、Dy、Dz再輸入手持機，就這樣重復修正三參數Dx、Dy、Dz，直到手持機測到的坐標值與已知點成果差值小于5m，此時的三參數Dx、Dy、Dz即為我們求取的最終參數。 
　　為了驗證求取的三參數是否正確，我們需要到第二個已知控制點上進行檢查測量，如果檢查坐標精度小于5m，說明我們的求取的三參數正確，GPS校正成功，參數轉換完成。如果精度大于5m，我們還要根據測的坐標值和第二個控制點的成果做差值計算，對三參數進行修正，直到精度滿足為止。然后返回到第一個控制點或到第三個控制點重新檢查三參數是否正確，這樣重復修正三參數直到滿足精度要求。根據我們野外作業(yè)經驗，三參數在參與校正控制點50km半徑范Χ是可以滿足中小比例尺的地質工程測量精度要求的。 
　　傳統(tǒng)型的手持GPS機的平面精度可以控制在3～10m，但它的高程精度非常的差，我們一般只采用該類型手持GPS機的平面坐標X、Y，而不采用它的高程Z，所以在進行求取三參數Dx、Dy、Dz時，我們可以只做Dx、Dy的求值計算，忽略Dz的計算，以便提高三參數的求取速度。 
　　3結論 
　　本文介紹了手持GPS的校正過程和手持GPS的轉換三參數求取方法。該方法有助于野外地質工作中快速、準確求取手持GPS的三參數。手持GPS的轉換三參數適合參與校正控制點50Km范Χ內的單點定λ測量。 
　　參考文獻 
　　[1]GARMIN（Asia）corp.GARMIN GPS72說明書（中文版）. 
　　[2]張海波，焦殿陽.2011.地質調查中手持GPS轉換參數的確定[J].地質與資源，2011，（6）：222-225. 
　　[3]孫國華，叢培東.2012.如何確定手持 換參數[J].科技信息，2012，（7）：91～92. 
　　[4]東海宇.2011.手持GPS北京54和西安80系的參數設置分析[J].礦山測量，2011，（6）：45-46. 
　　[5]孫江勇.2066.手持GPS坐標系統(tǒng)轉換參數的求解方法[J].新疆有色金屬，2006，（2）：l9-20. 
　　[6]李國防，閏新亮.2010.手持GPS定λ精度測試及其在礦產勘查中的應用[J].礦產勘查，（4）：380-384.