手持GPS在地震勘探工程中的应用

胡正冬

（西南油气分公司工程监督中心，四川德阳618000）

手持GPS在地震勘探工程中的应用

胡正冬*

（西南油气分公司工程监督中心，四川德阳618000）

在地震勘探工程项目探勘设计和各工序施工过程中，以前主要依托于地形图，把实地踏勘到的有用信息标注到地形图上用于指导施工，作业效率低且难度大，而采用手持GPS定位施测就能很好地解决这些问题。手持GPS以其携带方便、操作简单、定位速度快等优点在一些精度要求较低的测绘(如工区探勘、找点、地面、地下设施调查等)中应用非常方便。特别是结合相关软件，更是大大地提高了作业效率和准确性。主要讲述使用手持式GPS如何获取较高的定点精度，协助地震勘探施工以及在使用过程中所遇到常见问题的解析。

GPS原理；手持GPS；精度；地震勘探；应用

1 概述

手持式GPS是GPS家族中产量最大、使用面最广和个人用户关系最密切的GPS产品，能适应苛刻的环境，在各种气象条件下使用，定点精度可靠、稳定、功能强大、操作简单、体积小巧、携带方便、价格便宜，用2节5号电池就能工作很长时间，通过接收20200km高空的卫星信号来定位的，定位精度能达到5～10m。如今的地震勘探工程涉及的点多面广，需调查的地面、地下设施越来越多、施工中遇到的障碍及干扰越来越多、点位的变观偏移也越来越频繁。手持式GPS以其在测量上的优势特点在地震勘探工程中已经成为了一种必不可少的应用工具了，且其应用领域已涉及到了地震施工的每一道工序中。

2 在地震勘探中的具体应用

2.1 在踏勘设计阶段中的应用

利用手持GPS圈定大型障碍，在物探设计时尽量避开这些障碍，即使不能避开也能提前采取应对措施以确保设计完成，这样的设计才是更合理、更具有可实施性，从而使实际完成的工作量与设计的相差无几，真正达到了设计服务于生产的目的。

2.2 在地下设施调查中的应用

地下矿场、管线、光缆等设施埋在地表底下不易发现，是地震勘探工作中最具威胁的安全隐患之一。通常的进行地下设施调查是到地方政府相关机构收集资料，得到的资料多数是管线名称和管线图，不知道具体位置。现阶地震队首选的地下设施调查工具是手持GPS。即对照收集来的资料实地采集地下设施的地面数据，通过计算或图上展点，将地下设施安全距离范围内圈定出来，提交给地震施工的各相关人员，在施工中避开这些区域，杜绝地下设施安全事故的发生。

2.3 在地面障碍物圈定及干扰源调查中的应用

在地震勘探施工中常常会遇到许多障碍，不能按设计正常施工，无法施工的区域利用手持GPS航迹或测定特征点的方式圈定位置及便捷又快速。在地震勘探施工中在点位、井深、药量及检波器埋置保证的前提下控制好了干扰采集质量也就得到了保证；控制好干扰就必须先了解干扰源位置，利用手持GPS就能快速、准确地获取干扰源位置，根据干扰源类型就能确定干扰范围，利用手持GPS进行干扰源调查能在施工中能做到有的放矢，最优化地配置协调的人力和财力，既有效地降低施工成本又能保证施工的顺利进行。

2.4 在找点和变观选点中的应用

点位正确是保证地震勘探采集施工质量的首要条件。快速、准确地找到测线的位置既能提高施工效率又能保证施工质量，通常的找点是通过班报或任务书上提供的地名，这种方法只能找到村一级，既费时间又费人力。利用手持GPS就要快速多了，利用点位导航功能结合手持GPS内置的交通地图很快的就能到达目的。为了操作更快捷、正确，还可以在室内利用Map-Source软件进行测线数据的批量导入。

在地震勘探中遇大型障碍须进行变观设计，为确保取得更全的障碍区地震采集资料，在障碍区内部及周边优选炮点尤为重要，使用手持GPS进行变观选点既快捷又节省人力物力，还能达到比较满意的效果。

3 手持GPS的精度剖析

3.1 手持GPS的稳定性

手持GPS的稳定性主要表现在导航和测点（动态和静态）2个方面，由于在工程上的应用主要是测定点，因此在试验中主要研究了手持GPS在静态测量时的稳定性，试验采用3台GARMⅡN手持GPS（本文试验手持GPS为2台etrex vista展望和1台etrex etrex HCx）进行，在选好的试验点上持续观测5min以上，每隔30s记录一次观测数据，完成后对测得的数据进行分析，得出试验结果：3台手持机静态观测的稳定性与时间的关系基本一致，在初始化完成锁定卫星观测2min后，其观测值基本达到稳定状态，3台仪器各自测定的10次以上的观测值X、Y互差最大值均在2m以内，可见试验的3台手持机静态测量的稳定性较好。

3.2 手持GPS的内符合精度

仪器的内符合精度是评价其可靠性的基础。如果一台仪器在相同的观测条件下，其测量结果差异很大或且差异毫无规律，这样的仪器是无法正常使用的。因此，对仪器内符合精度的研究具有十分重要的意义。

试验前先通过星历预报进行观测时段选择，确定在北京时间上午8～9时（最佳观测时段）、下午16～17时（较好观测时段）、中午12～13时（较差观测时段）进行观测试验，时间连续2d，在3个时段对同一点进行重复观测，采用连续观测10次及开机锁定卫星后观测1min采集1个观测值，然后马上关机再开机再采集的模式，共观测6个时段采集观测值60个，对观测数据进行了分析。分析结果见表1。

表1 单点分时段重复观测值之差统计表

由表1按下面公式计算稳定度。式中，Δ为上表观测值最大较差,n为较差个数。

由公式：

经计算单点同时段定位稳定度为:m同=±4.0m；单点不同时段定位稳定度为:m异=±6.8m。由此可见，试验手持GPS在同时段相的情况下内符合精度较好，以2倍稳定度计算，最大较差不会超过±8.0m。而在时段不同的情况下内符合精度较差，但最大较差也不会超过13.6m。从表1中还可以看出同步10次观测值取平均的较差较小，能大大提高手持GPS定位的精度及可靠性。

3.3 手持GPS的绝对定位精度

仪器的稳定性和内符合精度高不代表观测结果就一定准确，手持式GPS绝对定位的精度指的是测量结果与其真实值的符合程度。除了GPS本身的测量精度外还取决于转换参数的选取。为了客观地反映手持式GPS绝对定位的精度，用手持GPS实测物探项目测量施工过的测点，这些点是采用GPS RTK固定解模式测定的，精度可高达厘米级，其点位误差相对于手持式GPS的定位误差可忽略不计。在确定了转换参数后选上午和下午2个观测时段在不同的时间不同的地段进行，观测后将成果同RTK测量的成果进行对比，各选取5组对比结果见表2。

由表2可见，上午手持GPS观测值与已知值大于2m的X、Y较差只有1个，而下午的点位差基本在5m以上。不仅如此，通过西南探区上千次的试验验证，在确定了工区的转换参数后，上午手持GPS定点的精度基本都能达到3m及以上，而下午的定位的精度只能达到10m，甚至更差。因此在定点精度要求较高的地震勘探施工应用中使用手持GPS还须采用相应的措施，这在后面的叙述中还会进一步说明。

表2 某工区手持GPS测量与RTK测量成果对照表（单位：m）

3.4 手持GPS的相对定位精度

由于距离测量是通过两端点的坐标计算而获得，故在此将距离测量称为相对定位，因此手持式GPS相对定位精度可通过测量距离的精度来实现。试验选取了5个对点采用了同步相对定位和异步相对定位2种方法。同步相对定位指计算距离的两端点坐标为同步观测值，异步相对定位指计算距离的两端点坐标为异步观测值。统计结果见表3，表中“已知距离”为GPS RTK固定解坐标反算值，相对于手持式GPS测距误差可忽略不计。

表3 相对定位精度统计表（单位：m）

由表3可看出：同步距离测量比异步距离测量精度高。这是因为2台接收机在同一时段内观测了相同的一组卫星，他们的观测量属于相关性较高的相关测量值，即他们包含有部分相同的误差，通过坐标差分，有效地消除和削弱了卫星钟差、电离层、对流层对测距的影响及卫星星历误差，从而提高了定位精度。

4 在地震勘探应用中的常见问题解析

4.1 SA政策的影响

SA政策，即选择可用性，是美国采取的限制定位精度的政策。人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度的一种方法。在美国政府不开启SA的情况下(SA其实是美国政府为了限制民用GPS的精度而故意增设的一道门槛，在SA开启的情况下，GPS的水平精度只能达到100m左右，因各方反对等原因，现已关闭SA功能，但不能排除战争期间SA功能重新开启的可能性)，将WGS84系统坐标转换到用户所需的坐标系统，可以直接将手持GPS接收机应用于工程中。但GPS卫星定位系统受制于美国。因此在工程中使用手持GPS测点必须慎重。今年中国的北斗系统已经开始进入民用，也许在不久的将来北斗卫星系统会应用与手持机，手持机定点导航的精度将会更高更稳定。

4.2 转换参数的正确使用

现如今的地震勘探成图所采用的坐标系统都是1954北京坐标系，设计坐标也均是1954北京坐标系下的高斯投影坐标。而在手持式GPS中位置的表示方法默认为国际通用的WGS84经纬度坐标。因此在地震勘探中使用手持式GPS必须通过用户自定义的方式来实现坐标系统的转换。正确操作步骤如下：第一步：进入“主菜单页面”中“设置”子页面选择“单位”，将“位置格式”的选项改为“User UTM Grid”（自定义坐标格式）。第二步：在出现的参数输入页面中输入相关的参数，将当地中央子午线经度输入，投影比例设为1，东西偏差为500000，南北偏差为0。第三步：按下屏幕上的“存储”按钮后，再将“坐标系统”的选项改为“User”。第四步：在出现的参数输入页面中输入相关参数，包括DX、DY、DZ、DA和DF。其中：DX、DY、DZ为WGS坐标系与北京54坐标系的空间直角坐标之差；可根据已知点坐标计算。

4.3 保证及提高定位精度的措施

（1）选择输入正确的转换参数能确保绝对定位精度达到3m及以上。

（2）西南探区对应选用上述参数在上午12时以前进行定点作业，定位精度能达到5m及以上。

（3）如想在下午进行定位作业取得较高的定位精度，有2种措施，第一种是根据观测时段来变更转换参数，这种方法操作复杂且对定位精度的确认及定位结果的准确性是未知的。另一种是利用同步相对定位的优势特点在已知点进行差分校正，这种方法更具有实际操作性，进行校正的已知点可以是国家三角控制点、GPS点、RTK模式测定炮、检点等，经过校正后，定位精度同样可达到5m及以上。

（4）保证稳定观测时间，除定位测量前需完成初始化之外,观测作业尽量保持手持机的稳定(建议锁定卫星后静止观测2min以上，观测条件差的地方适当延长)。

（5）保证充足的电池电源，实际使用证明电量不足会直接影响定位的精度。

（6）同步多次开关机观测取平均值，这不仅能提高观测条件较差情况下手持GPS定位的可靠性，而且通过仪器内符合精度的试验可知能大大提高仪器的解算精度，从而达到提高定位的精度。

（7）手持GPS是接收GPS卫星信号进行导航定位工作的，信号的质量直接影响导航定位的精度，不但是要选择最佳的观测时间进行作业，还必须排除其他形式的干扰。为此应注意以下几点：①尽量选择比较开阔的地方进行定位，防止信号被遮挡，保证有足够数量卫星(不少于4颗)用于定位解算；②尽量远离大功率的电子波发射装置，如电视台、电台、微波站、高压线及微波无线电信号传送通道等，防止电子信号对GPS信号的干扰；③尽量避免多路径反射误差，如远离大面积水域及大面积强反射装置。

（8）注意定位作业时屏显导航定位精度指标和天空覆盖率。当卫星信号可能存在问题(少于4颗卫星)或有其他影响GPS定位测量精度的因素时(如强电磁干扰等),应暂停(等待卫星信号好转或其他影响因素排除)或放弃定位作业。

（9）定点测量与导航功能一定不能混为一团,导航(动态测量)的误差远远大于定点测量的误差。

5 结束语

手持GPS以其操作简单、携带方便、快速导航定位的优势在地震勘探各施工工序中已得到了极为广泛的应用，但其导航和定位的性能不是万能的、万无一失的，且获取高精度定位的条件很苛刻，因此在地震勘探施工中使用应谨慎，特别是在地面、地下设施调查和炮点变观选点等对定点的精度要求较高的应用中，必须是由测量人员或熟悉手持GPS性能、定位特点的专业人员进行操作。对于手持GPS获取的的点位成果或图件资料也只能作为参考使用，涉及安全作业时更应该保守应用。另外，本文叙述和试验所使用的手持GPS仅限于为etrex vista展望和etrex etrex HCx两种机型。在GPS家族中属于中高档类型，精度剖析较为片面，结论仅供参考，不足之处，望多方赐教。

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2014-03-21

2014-03-26

胡正冬（1974-），男（汉族），江西鄱阳人，工程师，现从事物探测量监督工作。