浅谈GPS在地质剖面测量中的应用及地质剖面绘制中的便捷方法

张俭峰，李新鹏，杨文鹏，李成禄，邓昌州，赵瑞君

黑龙江省地质调查研究总院，哈尔滨 150036

0 引言

地质剖面是区域地质调查必不可少的一项工作，是开展地质工作的基础[1-3]。剖面测制目的是通过实测地质剖面，合理确定基本填图单位，建立各类地质体的时空关系以及组合顺序，获取和掌握地质体宏观和微观地质特征，有效把握区域地质构造框架[4-5]。

黑龙江省主要为森林沼泽景观浅覆盖区，具有野外露头少、视野通透性不好、测量路线障碍物多等特点，给地质剖面测量工作带来很多的麻烦与困难，如方位角、坡角、导线长等数据测量准确度不够高，甚至最终累计误差达几十至几百米，严重影响剖面精度。

自从美国 1994年全面建成GPS以来, 随着科学技术的不断发展及进步，GPS已经被广泛应用于地质调查、石油开采、水利勘察、灾害监测、林业调查以及交通、电力、农业、国防和城市建设等多个领域[6-8]。尤其GPS手持机，具有体积小、携带方便、功耗低、捕捉卫星信号的灵敏度高、存点快捷、定位速度快、单点实时定位精度高等优点，受到广大地质工作者的欢迎[9-11]。应用GPS测量技术，不但能够提升地质工作效率，而且能够提高测量的精度[12-14]。因此，适当地应用GPS辅助地质剖面的测量，对工作效率及精度的提高将会有一定的帮助。

本文以黑龙江省呼玛县早侏罗世正长花岗岩测量剖面为例，对GPS测量技术在地质剖面测量工作中的应用进行了介绍，并分析了GPS测量技术在地质剖面测量工作中的优缺点，同时介绍了利用SECTION软件及EXCEL办公软件使地质剖面编绘简化的方法，希望对地质勘查工作具有一定的参考意义。

1 区域地理及设备应用

1.1 区域地理

研究区位于大兴安岭东北部，主体属低山丘陵地形，相对高程在180～450 m。区内森林密布，灌木丛生，沼泽多见，山区覆盖厚度一般在0～3 m，局部>3 m，露头较少，视野通透性不好，测量路线障碍物多，属典型的浅覆盖地质调查区，给地质剖面测量带来了很大的困扰。

1.2 设备及人员配置

设备：野外设备主要为GPS(佳明、集思宝、小博士、合众思壮等)或掌上机，室内整理软件为SECTION及EXCEL，传输软件为MapSource(表1)。

人员：2～3名。人员主要为GPS操作员及采样员。GPS操作员携带GPS 手持机，依据设计采样点，记录实际采样点位及地质信息，采样员同时进行野外岩石样品的采取，如人员充足可指派一人专门负责地质信息的记录(表2)。

表1 主要技术设备表

表2 主要技术人员表

2 工作方法及流程

2.1 室内数据准备

2.1.1 GPS的精度要求及选取

许多学者对手持GPS的精度进行了研究[15-17]，有的利用不同型号手持GPS接收机采用不同的数据处理方式来提高其定位精度[9,11,18]。如冯晓娜等经试验研究认为集思宝G330手持式GPS接收机单定位精度较高，90.0%的试验点平面内符合精度<4.0 m[15]；夏广岭等通过对手持GARMIN etrex GPS接收机定位精度的分析和实践证明，在一定的观测条件下单点定位误差<5 m[19]。而基础地质剖面的测量比例尺一般<1∶200 0，4 m的误差可以满足其要求，且随着技术的发展，如北斗卫星在地质中的应用[20]和激光雷达技术在地学中的应用[21]，手持GPS的精度将会越来越高，满足地质剖面测量的要求将越来越容易。

2.1.2 布设设计剖面线

利用SECTION软件(或MapGIS软件)，由地质人员根据设计资料并结合实际地质填图单位、产状及地形变化情况布设好设计剖面线(图1a)。需要注意的是：画剖面线的时候，除两侧及拐点外不要有多余的节点。

2.1.3 布设剖面控制点

为了在野外测量工作中便于掌握导线方位及估算距离，可以在导线上增加一些导线控制点，以使工作便捷。步骤为：(1)在拐点处剪断设计剖面线。(2)在SECTION中打开扩展工具箱(图1b)，利用其中的定距/定数等分线工具(图1c)从剖面起始位置到结尾位置依次定距等分线，生成导线控制点。控制点的图上距离根据地图比例尺及剖面比例尺换算取得。例如在1∶500 00地图中生成1∶500 0比例尺剖面的采样点，剖面的实际采样平均距离约为50 m，图上距离为1 mm，则定距等分线的距离为1 mm。(3)定距等分线时，选择单独增加点，并设置好点号、点颜色及点大小(图1d)。需要注意的是：拐点处有重合或者距离很近的点可以删除多余，保留一个。(4)利用SECTION的点坐标转换GPX文件工具(图1e)生成GPX文件并保存(图1f)。(5)利用MapSource软件将此GPX设计点文件转存入GPS中(或者将此设计点文件及设计剖面线文件导入掌上机中)，为野外剖面测量工作做准备。

a.设计剖面线；b.扩展工具箱；c.定距等分线；d.设计剖面线生成导线控制点；e.点坐标转换GPX文件工具；f.生成GPX文件.图1 室内数据准备流程Fig.1 Process of data preparation

2.2 野外利用GPS测量地质剖面

在野外实际测量中，GPS操作员及采样员同时沿着设计剖面线和导线控制点向剖面终点方向前进，沿途观察测量，待到地形起伏变化处、观察点或导线控制点处则停止，记录地质信息、产状并利用GPS(或掌上机)采取实际采样点信息(图2)。

图2 导线控制点(▲)与实际采样点(+)Fig.2 Tapeline control points (▲) and actual sampling points (+)

如遇特殊情况，需要增加观察点、分层点、产状点等，则可以加密实际采样点。

2.3 室内数据整理

2.3.1 数据处理

室内数据处理主要利用SECTION、EXCEL、DGSS软件及作者新编制的地质剖面计算表完成。其步骤为：(1)从GPS(或掌上机)中导出实际采样点文件(图2中+点)。(2)如采样点文件有高程数据可直接导出点属性文件(图3a、b)；如采样点文件没有高程属性或者需要利用地质图上的高程属性，可按以下步骤读取高程属性：(a)找到地形线文件及实际采样点文件；(b)利用SECTION软件新建工程并打开，使地形线文件及实际采样点文件处于编辑状态(图3c)；(c)编辑地形线文件属性结构(图3d)及实际采样点属性结构(图3e)，使之具高程属性结构；(d)利用SECTION软件辅助工具1-属性功能-高程属性赋点工具使实际采样点文件具有高程属性(图3f)；(e)利用SECTION软件辅助工具1-导入导出功能-导出属性数据(EXCEL)(图3a、b)。(3)将GPS数据、岩性、产状、及分导时的拐点数据录入地质剖面计算表中(图4a)，并进行误差校正；(4)录好数据后，计算表会自动生成各种表格(图4b)，这些表格可直接导入数字填图系统的实测剖面中。

a.导出属性数据；b.点坐标文件；c.实际采样点；d.编辑地形线属性结构；e.编辑实际采样点属性结构；f.高程属性赋点工具.图3 室内数据处理流程Fig.3 Procedure of data processing

2.3.2 剖面图的生成及修饰

(1)初步生成实测剖面

利用上述处理好的数据，导出各种表格(图4b)，录入数字填图软件(DGSS)中，便可初步生成实测剖面图(图5)。

(2)剖面图的修饰

根据野外记录及室内综合资料及编录人员的认知情况，对初步生成的实测剖面进行修饰，从而完成最终的实测地质剖面图(图6)。

a.地质剖面计算表数据录入；b.地质剖面计算表输出表格.图4 地质剖面计算表Fig.4 Calculation table for geological section

图5 初步的实测地质剖面(局部)Fig.5 Preliminary measured geological section (part)

图6 最终的实测地质剖面图(局部)Fig.6 Final measured geological section (part)

3 讨论

3.1 传统导线法测量地质剖面介绍

传统的地质剖面测量方法为导线法。导线法测量地质剖面工作由前、后测手来完成。一般用50 m、100 m长的测绳，后测手持0 m端，前测手持另一端。测量开始时，后测手站定剖面起点，前测手向剖面终点方向前进，待到地形起伏变化处则停止。两人将测绳拉直，前测手向记录员报告导线斜距—测绳终点所记米数。前后测手共同测量导线方位和地形坡度角，导线方位是指导线的前进方向，用方位角记数。前后测手测量误差<2°～3°，取其平均值记入记录表格中。地形坡度的测量是利用罗盘测斜仪，前后测手分别瞄准对方相同高度部位，使视线与地面平行一致，多测几次，前后校正，开始读数。以后测手为准，仰角为“+”，俯角为“-”，测准后将角度连同“+”或“-”号一同报告给记录员，记入表格中[22]。

3.2 导线法与GPS法测量地质剖面优缺点对比

由表3可以看出，依据传统的导线法测量，在方位角、坡角、斜距等方面，虽然理论上可以无限地消除误差，但对视野的通透性要求较高且操作复杂。而黑龙江省主要为森林沼泽浅覆盖区，工作区多为密林覆盖区，视野通透性不好，地表障碍物多、不平整，使测量导线弯曲，坡角及方位角测量困难且不准确，致使其方位角、坡角、斜距等误差较大。而GPS法，可以有效避免这些不利因素，无需导线，无需测量坡脚，对视野通透性及地形平整性要求不高，能以较小的误差进行地质剖面测量。

此外，与传统导线法相比，GPS法设备精简，操作人员少，而且测量速度快。能够节省一定的人力、物力，及提高工作效率。

值得注意的是，目前很多GPS对高程的测量精度不够高，其坡角误差也较大，这是其美中不足之处。因此，可以利用地形图数据或者利用罗盘辅助测量坡角，以解决问题。

表3 导线法与GPS法优缺点对比

3.3 剖面计算表的优点

从图4a、b可以看出，最新编制的剖面计算表更加简洁、明了，只要输入几组简单的数据，便可快速输出各种剖面成图数据表格，或者最终成型的剖面地质记录卡片，免除了以往剖面平差、剖面信息录入、剖面成图、剖面地质记录卡录入等的繁琐步骤。并且无需仔细研究各种剖面计算公式，对技术要求不高，会录入表格即可，大大节省了时间，提高了工作效率，也更加适合地质工作数字化填图发展方向。

4 结论

(1)与传统的地质剖面测量方法—导线法相比较，运用GPS测量地质剖面更加便捷，节省人力、物力，工作效率高，误差小，比较适合黑龙江森林沼泽覆盖区的工作环境。

(2)利用编制好的剖面计算表在数据处理方面具有诸多方面的优势，实现了剖面平差、剖面地质记录卡、剖面数字填图中各种数据录入生成的快速化、简洁化、自动化。使地质剖面的数据处理工作简洁、清晰、明了、迅速，大大提高了工作效率及对技术人员的技术要求。

(3)GPS法需要GPS的精度较高，且高程误差较大，如GPS误差不能满足要求，可利用地形图数据或者利用罗盘辅助测量。

致谢：感谢在文章写作过程中各位同事的协助，感谢赵超、尹国良、梁科伟等同志对本文的指导、建议。