MapSource软件在物探前期工作中的运用

刘彦华，杨青峰，王正亮

(江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏 淮安 223400)

0 引言

手持GPS是目前项目前期勘察过程中较为常见的定位工具，涉及的领域广泛，例如工区范围调查、地质调绘、物探测线清理，钻孔孔位初定等。物探测线上的物理点(例如地震炮点、检波点、电极点、记录点等)的坐标可以通过手持GPS实现，野外数据采集过程中遇到的明显的地质现象也可以通过手持GPS定位，为以后资料解译提供相对精确的定位帮助(李鹏等，2008)。MapSource作为Garmin系列手持GPS的配套软件，不仅能提供点位、导航等信息，也可以作为物探测线导航，还可以在Google Earth软件中直观地显示航线和航迹，为物探解译发挥更大的作用。

1 坐标转换问题

在工程物探测量中，常见的是业主提供的平面直角坐标，例如北京54和西安80(国外常用UTM坐标)。而手持机系统默认的是WGS－84坐标，所以2种不同坐标系之间存在着平移和旋转关系(WGS－84坐标系与我国应用的坐标系之间的误差约为80 m)。通过手持GPS进行绝对定位必须进行坐标转换，转换后的绝对定位精度可由80 m提高到5～10 m，通过区域控制点校正定位精度可达到0～3 m，足以满足工程物探的精度要求。

WGS－84坐标和北京54(或西安80)坐标系属于两个不同的模拟地球形状的椭球模型。北京54坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球模型，而WGS－84坐标系有1个WGS－84椭球，其常数采用 IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值。两个椭球模型之间转换首先要考虑两者不同的椭球基准，即DA、DF。DA、DF分别是2个椭球基准之间半长轴的差和扁率倒数的差。WGS－84椭球2个最常用的几何常数为：长半轴：(6 378 137±2)m;扁率：1∶298.257 223 563。在进行坐标转换时，这2个参数是固定的，即：WGS－84→北京54：DA：－108;DF：0.000 000 5、WGS－84→西安80：DA：－3;DF：0。

椭球的基准转换后，建立椭球的原点仍不一致，还需要在DX、DY、DZ这3个空间平移参量，以便将2个不同的椭球原点重合，这样才能使2个坐标系的椭球完全转换。由于各地的地理位置不同，因此在各个地方的这3个坐标轴平移参量也不同。

2 运用公式求取DX、DY、DZ三参数

传统求三参数的方法即通过公式求取，具体计算方法如下。

第一步：搜集应用区域内GPS网3个以上网点WGS－84坐标系B、L、H值及我国坐标系(北京54或西安80)B、L、h、x值(B、L、H分别为大地坐标系中的大地纬度、大地经度及大地高，h、x分别为大地坐标系中的高程及高程异常。

第二步：计算不同坐标系三维直角坐标值，对应椭球的有关常数见表1，计算公式如下：

表1 不同坐标系对应椭球的有关常数Table 1 Relevant constants of corresponding ellipsoidsfor different coordinate systems

其中，X、Y、Z为大地坐标系中的三维直角坐标;A为大地坐标系对应椭球之长半轴;e2为大地坐标系对应椭球第一偏心率;N为该点的卯酉圈曲率半径，N=A/(1－e2sin2B)/2;H=h+x，H为北京54或西安80坐标系中的大地高(刘大杰等，1997;杜大彬等，2007)

第三步：求出 DX，DY，DZ。即利用 WGS－84 坐标系的X、Y、Z值，减去我国坐标系的对应值，得出实现坐标系统转换的3个参数(应算出WGS－84与北京和西安坐标系2套参数)。

第四步：参数验证。参数计算之后必须对其进行验证。验证的方法是在应用区域内选择5个以上控制点进行实测，实测值与测绘部门提供的理论值对比，若平均误差≤10 m，则计算出的参数可以使用，否则要重新计算或查找出现问题的原因。

3 用MapSource求DX、DY、DZ三参数

传统求三参数的方法仍然需要现场验证，通过不断修改参数来达到定位效果。通过MapSource软件反复推算三参数可以达到现场验证的目的，节省大量的时间。下面通过1组实例说明MapSource软件的优越性。

选取能控制工程区域的3个以上三角点的WGS－84坐标系B、L及我国坐标系(北京54或西安80)X、Y值。以3点407P、408P和424P为例进行计算。

表2 福建某工程三角点数据Table 2 Triangulation point data of a project in Fujian

3.1 MapSource软件预设

MapSource V6.15.6版本为中文版本，双击图标打开软件，单击菜单栏的“编辑”，在弹出的下拉菜单中点击“首选项”命令，弹出“首选项”对话框。

单击“位置”标签，对下列选项进行设置：网格(用户定义的网格)—从下拉列表框中可选择“纬度/经度 hddd°mm'ss.s″”(度、分、秒格式);基准(用户定义的基准)—从下拉列表框中可选择“WGS－84”(Garmin Corp，2004)(图1)。

3.2 输入3点的WGS－84坐标

单击菜单栏的“编辑”，在弹出的下拉菜单中点击“新航点”，在弹出的“新航点”对话框中输入对应点的经纬度坐标，并保存设置。重复该步骤可以得到3个点的经纬度坐标(Garmin Corp，2006)。

图1 三角点的WGS－84坐标Fig.1 WGS-84 coordinates of the triangulation points

3.3 输入DA、DF数值

在“位置”对话框中将坐标系改成西安80坐标系，输入 DA、DF 数值(Garmin Corp，2004)。

单击“位置”标签，对应的选项进行下列设置：网格—用户定义的坐标，这时后面出现一个“属性”按钮;基准—用户定义的基准，后面也出现“属性”按钮。下面对这些属性按钮进行设置。

首先对“用户定义的网格”进行设置，点击“属性”按钮，弹出的对话框中，分别对中央经线、比例系数、东西偏差假定值、南北偏差假定值进行赋值。

中央经线：通常坐标X是7位，Y是8位，其中Y坐标前2位是带号，表明是中央子午线(通常指经度L)。一般来说，20左右的应为6度分带，带号为n则6n－3;40左右的为3度分带则3n。

比例系数为1，东西偏差假定值为500 000 m，南北偏差假定值为0 m。

再次对“用户定义的基准属性”进行设置，点击“属性”按钮，弹出的对话框中分别有DeltaX、DeltaY、DeltaZ、Delta半长轴、Delta平面度等参数。Delta半长轴、Delta平面度2个常数即DA、DF。DA、DF分别填写－3、0(图2)。

图2 MapSource下网格参数设置Fig.2 Grid parameter setting in MapSource

3.4 运用MapSource快速求取三参数

假定DX、DY、DZ为0，可以得出在西安80坐标系统下三角点的假定数值，将假定数值与实际数值相减，并不断地修正DX、DY、DZ，可以得到最接近实际数值的假定数值，即拟合程度最高的DX、DY、DZ(图 3)(马翠玲，2010)。

通过编写的程序反复计算，得出DX=－111、DY=－46、DZ=－5。该参数在3个点的假定数值与实际数值对比见表3。

通过MapSource软件可以在室内计算出DX、DY、DZ三参数，并与实际数值对比分析，误差极小。经大量实际验证，该方法简单适用。

4 MapSource与Google Earth软件结合布置测线

4.1 物探测线编辑

物探野外工作主要以物探测线为主，将布置好的测线按照里程结合线位弧度缩小误差，以物探点的形式输入到MapSource软件中，并编辑好航线(图4)。野外操作过程中可以导航此航线，随时提醒偏航距，调整清理线位，达到精确勘探的目的(图5)(刘凡珍等，2007;王会峰等，2008)。

图3 MapSource下三参数快速设置Fig.3 Rapid setting of three parameters in MapSource

表3 三角点平面直角坐标实际值和假定值关系Table 3 Relationship between actual values and assumed values of plane rectangular coordinates of triangulation points

4.2 Google Earth显示的物探线位

在MapSource软件的菜单栏“视图”最下一个命令栏，有与Google Earth软件接口，可以在 Google Earth软件中查看测线(图6)。这项功能可以大大提高野外工作的效率，提前做好分段清理的计划，节省大量时间。

线路途径的小路清晰可见，里程桩号位置可定，可以预先做好分段数据采集处理，计算好排列长度，尽最大可能采集有效数据(图7)。

4.3 运用Google Earth软件进行航迹记录

物探野外施工过程中，难免遇到陡坎、公路、河流等无法施工地段，通过手持GPS的航迹记录，还可以给这些位置定位，对数据处理有极大帮助(图8)。

航迹记录不仅能记录施工经过的位置，也保留了对应位置上的时间，有助于回忆施工的细节。运用此项功能还可以为地质调绘提供很好的帮助。

5 结论

(1)通过MapSource软件可以快速计算GPS定位的空间平移参量DX、DY、DZ 3个参数，为前期工作节省大量时间。除了测量部门提供的三角点的坐标之外，还可以通过转换线位图，设置相对坐标系统来布置测线。

(2)通过Google Earth软件自带坐标转换功能，可以将相对坐标系统下布置的测线转到Google Earth软件中查看。

图4 MapSource下物探航点编辑Fig.4 Edition of geophysical navigation points in MapSource

图5 MapSource下物探航线编辑Fig.5 Edition of geophysical navigation lines in MapSource

图6 Google Earth软件下物探航线Fig.6 Geophysical exploration routes in the software Google Earth

图7 Google Earth软件下物探航线的地形Fig.7 Terrain of geophysical exploration routes in the software Google Earth

图8 Google Earth软件下野外物探航迹Fig.8 Field geophysical exploration paths in the software Google Earth

(3)结合Google Earth软件，MapSource软件不仅可以对物探前期测线清理、后期数据处理提供帮助，还可以运用到钻孔位置初定、地质调绘点初定等初步勘察中。

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