[教學(xué)]手持GPS定位精度及在物化探測網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用

1、手持 GPS 定位精度及其在物化探測網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用劉述敏1 丁志江2 常和平 2 劉 濤2(1.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266071；2.山東省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 兗州 272100；)摘要：對手持式 GPS 性能進(jìn)行了系統(tǒng)測試，并介紹了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)置參數(shù)的求解方法，通過系統(tǒng)參數(shù)校正，能使其定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其標(biāo)稱的 10-15m 精度，可以滿足中大比例尺物化探測網(wǎng)布設(shè)的技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：手持式 GPS 精度 試驗(yàn) 應(yīng)用手持式 GPS 是一種體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的定位導(dǎo)航設(shè)備，它利用新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS)

2、，具有全天候、全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力，以高靈敏度、高精度、自動化、價廉、使用方便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大地測量、地質(zhì)調(diào)查、資源勘查等眾多領(lǐng)域。近年來，我們在對手持式 GPS 機(jī)性能和定位精度研究的根底上，將其運(yùn)用于中大比例尺的物化探測網(wǎng)布設(shè)工作中，即大大提高了工作效率、節(jié)約了本錢，又大大增加了地質(zhì)工作手段的技術(shù)含量，起到了較好的應(yīng)用效果。一、定位穩(wěn)定性試驗(yàn)定位精度是建立在設(shè)備的穩(wěn)定性能之上的，也是評價其可靠性的根底，一臺儀器如果長時間不能穩(wěn)定，或在不同的時間段，其測量的結(jié)果差異很大且差異毫無規(guī)律，這樣的儀器是無法談?wù)撈渚群涂煽啃缘?。因此，工作之前，對使用的儀器性能進(jìn)行測試是十分必要的。影

3、響手持式 GPS 定位穩(wěn)定性主要有以下兩個方面，一是儀器測定一個點(diǎn)，需要觀測多長時間，其觀測結(jié)果才穩(wěn)定不變，或在一定范圍內(nèi)變化；二是在同一測點(diǎn)，不同時段，測量結(jié)果是否穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。1、穩(wěn)定時間試驗(yàn)試驗(yàn)中，分別采用了 3 臺 eTrex 小博士在兩個測點(diǎn)進(jìn)行了重復(fù)測試，在同一測點(diǎn)每10 秒記錄一次觀測結(jié)果，其觀測結(jié)果見表 1。坐標(biāo)值僅列出后三位數(shù)，表中 0.0 表示動態(tài)觀測結(jié)果，即到達(dá)該點(diǎn)時，開機(jī)收到衛(wèi)星信號時立即記錄下的觀測結(jié)果。表 1 手持式 GPS 不同時長的觀測結(jié)果 1 號測點(diǎn)2 號測點(diǎn)儀器 1儀器 2儀器 3儀器 1儀器 2儀器 3觀測時長(s)xyxyxyxyXyxy0.002

4、241902541102541603440703240403240410.002241702441402141603340603140303240420.002141702241502041703240603140303240430.002041702141601941703240603140603240640.002041702041601941703240503140603240650.0021417021416020417032405031406032406120.0020417021416019417032405030405031406180.002141602041701941703

5、1406031405032405從表 1 中可以看出，實(shí)時定位(冷啟動)時坐標(biāo)值相差較大，儀器 3 中 y 值互差最大值為 6m。在同一測點(diǎn)持續(xù)觀測 30s 以上的時長時，三臺儀器根本都進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，各自測定的 x、y 坐標(biāo)值互差在 1m 以內(nèi)。不同儀器之間測定的 x、y 坐標(biāo)值互差也在 2m 以內(nèi)。2、不同時段穩(wěn)定性試驗(yàn)在同一測點(diǎn)不同時間進(jìn)行重復(fù)觀測來確定儀器的穩(wěn)定性。試驗(yàn)中在 5 個測點(diǎn)分當(dāng)天和次日兩個時間段進(jìn)行觀測，每個時間段分 0、120 秒、300 秒三個時長重復(fù)觀測三次，其觀測結(jié)果較差見表 2。表 2 不同時段觀測結(jié)果坐標(biāo)較差15 日-16 日0.0s120.0s300s點(diǎn)號Dx1

6、Dy1Dx2Dy2Dx3Dy31+1+2+3-8+5-22-70+1-1+1-13-2+20-2+1-44-28+10+30+3-25-2+1+2-1-1-1從表 2 可以看出，實(shí)時定位(0.0s)的測量值較差較大，持續(xù)觀測 120s 以上，除 1 點(diǎn)受建筑物遮擋較差較大外，其它點(diǎn)較差均較小。將表中數(shù)據(jù)代入公式 1 來確定其穩(wěn)定度。 (1)nddm2式中 d為不同時段觀測結(jié)果較差，n 為較差個數(shù)。通過計算，實(shí)時定位的穩(wěn)定度為9.76m，120s、300s 穩(wěn)定度分別為3.05m、2. 51m，說明不同時段測量，實(shí)時定位穩(wěn)定性差，而持續(xù)觀測一定時間后其穩(wěn)定度較高。二、系統(tǒng)參數(shù)校正手持 GPS 所

7、使用的坐標(biāo)系統(tǒng)根本都是 WGS-84 坐標(biāo)系統(tǒng)，而我們使用的主要是 1954年北京坐標(biāo)系，不同坐標(biāo)系之間存在著平移和旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，要使手持 GPS 所測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)，必須進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)校正，求出兩個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。手持 GPS 接收機(jī)內(nèi)部設(shè)置的是五參數(shù)法，因此只要計算出五個參數(shù)DX、DY、DZ、DA、DF并按提示輸入即可在儀器上進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)校正。具體計算方法如下。 1、在應(yīng)用手持 GPS 接收機(jī)觀測的區(qū)域內(nèi)找出三個以上分布均勻的等級點(diǎn)精度越高越好或 GPS“B級網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)，并到測繪管理部門抄取這些點(diǎn)的 54 北京坐標(biāo)系的高斯平面直角坐標(biāo)(x、y)，大地經(jīng)緯度B、L ，高程 h

8、，高程異常值 和 WGS-84 坐標(biāo)系的大地經(jīng)緯度B、L ，大地高 H。2、如果收集到的只是北京 54 坐標(biāo)，必須在收集到的高等級控制點(diǎn)上分別測量B、L、H 值即 WGS-84 坐標(biāo) ，供計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時使用。3、如果收集到的只是高斯平面直角坐標(biāo)x,y ，那么應(yīng)把平面直角坐標(biāo)x,y代入高斯投影反算公式(可用 Mapgis 軟件完成)求出大地坐標(biāo)值B，L 。 4、根據(jù)測量到的大地坐標(biāo)值WGS84、WGS84、WGS84 和收集(或計算)到的BJ54、BJ54、BJ54 分別代入公式(2)求得三維直角坐標(biāo) X1、1、1 和2、2、2(可用 Mapgis 軟件完成)，計算所用參數(shù)見表 3。 X=(N+

9、H)cosBcosL Y=(N+H)cosBsinL (2) Z=N(1-e2)+HsinB表 3 不同坐標(biāo)系對應(yīng)的橢球參數(shù)表工程WGS84 坐標(biāo)系BJ54 坐標(biāo)系A(chǔ)63781376378245e20.006694379990130.0066934270.006693421622966F1/298.2572235631/298.3計算所用參數(shù)中，A 為大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球之長半軸；E2為大地坐標(biāo)系對應(yīng)橢球之第一偏心率；F 為對應(yīng)橢球之扁率；N 為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，N=A/1-e2(sinB)21/2。5、用計算的 WGS84 坐標(biāo)系的 X1、Y1、Z1、A1、F1 減去 BJ54 坐標(biāo)系X2

10、、Y2、Z2、A2、F2 即得出坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的五個參數(shù) DX、DY、DZ、DA、DF。三、絕對定位準(zhǔn)確度試驗(yàn)絕對定位準(zhǔn)確度是指測量結(jié)果與真實(shí)值的符合程度，其準(zhǔn)確度的上下將直接影響到儀器的應(yīng)用效果，也是評價儀器能否符合工作要求的一個重要指標(biāo)。因此，對儀器的穩(wěn)定性測試和系統(tǒng)參數(shù)校正后，還需要對手持式 GPS 絕對定位準(zhǔn)確度進(jìn)行試驗(yàn)。首先將手持式 GPS 的位置格式選擇“User Grid，在出現(xiàn)“USERUTMGRID的頁面時，依次輸入測區(qū)中央子午線經(jīng)度，E 代表東經(jīng)，投影比例參數(shù)為 1.00000，東西偏差為500000m，南北偏差為 0，并設(shè)單位為米。地圖基準(zhǔn)選擇“User，在出現(xiàn)的“(WGS

11、84-LOCAL)頁面中輸入計算的五個參數(shù)。其次，選定工作區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)、圖根點(diǎn)、工程點(diǎn)或一些視野開闊、GPS 接收信號強(qiáng)的特征點(diǎn)如線狀地物交叉點(diǎn)、獨(dú)立地物等進(jìn)行測量，然后找出這些點(diǎn)的理論坐標(biāo)與之比擬，驗(yàn)證其準(zhǔn)確度。表 4 是以工區(qū)內(nèi)工程點(diǎn)做為特征點(diǎn)所做的絕對定位準(zhǔn)確度試驗(yàn)。從表中看出，X 坐標(biāo)最大誤差為 3.09m，Y 坐標(biāo)最大誤差為 2.54m，點(diǎn)位誤差最小 1.46m，最大 4.00m，將數(shù)據(jù)代入公式 1 計算其絕對定位準(zhǔn)確度為1.93m。表 4 工區(qū)特征點(diǎn)測量結(jié)果比照表工程點(diǎn)XYZ實(shí)測 X實(shí)測 Y實(shí)測 ZXYZ14028242.135464.93177.4082415464172-1.1

12、3-0.93-5.401.4610038191.785510.93170.9181905510167-1.78-0.93-3.912.0011067911.645772.69179.3079095774174-2.64+1.31-5.302.9315027757.465789.64178.2077555789174-2.46-0.64-4.202.5415047805.095834.54176.6878025832172-3.09-2.54-4.684.001704+7795.915850.68176.5477945849173-1.91-1.68-3.542.5417047779.74586

13、5.74176.7177775864172-2.74-1.74-4.713.2517037750.975830.60176.5777495829173-1.97-1.60-3.572.5419047759.085901.29175.6977585899172-1.08-2.29-3.692.5323037673.745926.53177.1676725925173-1.74-1.53-5.162.3227027641.196003.21176.6376396001173-2.19-2.21-3.633.8229037660.936054.28170.1076596052167-1.93-2.2

14、8-3.102.9927047724.906039.40167.2777236038161-1.90-1.40-6.272.36四、應(yīng)用實(shí)例面積性物化探工作的測網(wǎng)一般為矩形和正方形規(guī)那么網(wǎng)，要求測點(diǎn)均勻的分布測區(qū)，并在測定的采樣點(diǎn)或物理點(diǎn)周圍點(diǎn)線距的 1/10 范圍內(nèi)采樣或觀測記錄。過去測網(wǎng)布設(shè)工作總是由專業(yè)測量人員用經(jīng)緯儀或全站儀來完成，這樣即增加了工程本錢，費(fèi)力費(fèi)時，又存在著測量人員與物化探人員的配合問題?，F(xiàn)在使用手持式 GPS，由物化探人員自己布點(diǎn)，大大提高了工作效率。試驗(yàn)工區(qū)位于低山丘嶺區(qū)，擬開展的工作為 1/萬土壤及能譜測量，測網(wǎng)為10020m，測線方位 45。按要求其測點(diǎn)誤差應(yīng)不大

15、于 4m，而手持式 GPS 絕對定位準(zhǔn)確度完全滿足此質(zhì)量要求。工作中首先按設(shè)計的工區(qū)位置和范圍用 GIS 將測網(wǎng)布設(shè)于地形圖上，并讀取測點(diǎn)坐標(biāo)，制成測點(diǎn)理論坐標(biāo)數(shù)據(jù)表。利用 Mapsource 將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸至手持式 GPS，野外工作時以導(dǎo)航尋點(diǎn)方式定點(diǎn)，進(jìn)入航點(diǎn) 2m 范圍穩(wěn)定 30s 以上，讀取測點(diǎn)坐標(biāo)即為該點(diǎn)點(diǎn)位，將觀測數(shù)據(jù)用 Mapsource 下載至計算機(jī)，用 GIS 即可繪制成測點(diǎn)平面圖。五、結(jié)論1、手持式 GPS 實(shí)時定位穩(wěn)定度低，需要持續(xù)觀測 30s 以上，其觀測結(jié)果才穩(wěn)定有效。不同時段、多臺儀器觀測結(jié)果變化不大，其穩(wěn)定度一般小于 3.05m。2、手持式 GPS 需要進(jìn)行坐標(biāo)系

16、轉(zhuǎn)換，在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)校正，其參數(shù)可通過收集資料和計算求得。3、對手持式 GPS 進(jìn)行絕對定位準(zhǔn)確度試驗(yàn)，其準(zhǔn)確度一般小于2m，優(yōu)于標(biāo)稱的10-15m 精度。4、使用手持式 GPS 進(jìn)行物化探測點(diǎn)布設(shè)，完全滿足測點(diǎn)質(zhì)量要求，即提高了工作效率、節(jié)約本錢，又大大減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，也增加了工作的技術(shù)含量，減少了資料整理的中間環(huán)節(jié)。參考文獻(xiàn)：1程新文等.手持式 GPS 定位精度研究J.測繪通報, 2004，(9):20-22.PORTABLE GPS POSITION PRECISION AND APPLICATION OF THE ARRANGEMENT TO THE GEO

17、PHYSICAL AND GEOCHEMICAL EXPLORATION NETLIU shu-min1 ,DING zhi-jiang2, CHANG he-ping2 ,LIU tao2(1. Qingdao Geology and Engineering investigation institute, Qingdao 266071,China; 2.NO.2 Institute of Geology and Mineral Exploration of Shandong Province,yanzhou 272100,China)Abstract :Systematic test ha

18、ve been undertaken to the function of portable GPS, and introduced the method for solving the internal parameter while the coordinate system being transformed . Through adjusting the system parameter , the position precision is much more correct than the standard 1015m. It can satisfied the technical demand of the arrangement of large-scale or