利用omap自動(dòng)計(jì)算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用

于訓(xùn)成，宋娟娟，張秀文，王洪軍

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.五蓮縣國(guó)土資源局，山東 五蓮 262300)

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利用omap自動(dòng)計(jì)算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用

于訓(xùn)成1，宋娟娟2，張秀文1，王洪軍1

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.五蓮縣國(guó)土資源局，山東 五蓮 262300)

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)的調(diào)查精度較高，GPS主要應(yīng)用于地球化學(xué)測(cè)網(wǎng)布設(shè)、土壤采樣點(diǎn)的定位及其他生態(tài)地球化學(xué)樣品的采集定位。野外工作前必須通過大地測(cè)量三角點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS手持機(jī)三參數(shù)校正，在GPS中置數(shù)，校正參數(shù)滿足精度要求之后方可進(jìn)入野外采樣階段,因此，正確的參數(shù)設(shè)置是使用GPS的關(guān)鍵。利用omap結(jié)合1∶5萬地形圖實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)快速自動(dòng)化校正三參數(shù)，精度高，誤差小于3m。

GPS校正；omap；校正；土地質(zhì)量；GE影像圖；WGS-84；西安-80；北京-54

0 引言

土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)土地資源數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)三位一體管護(hù)，落實(shí)耕地保護(hù)制度、支撐土地資源管理的一項(xiàng)重要工作。包含采集分析土壤、水、大氣干濕沉降、農(nóng)作物等樣品，以地塊為單元進(jìn)行農(nóng)用地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)比例尺為1∶5萬、1∶1萬，野外定點(diǎn)誤差要求不小于15m[1]。野外樣品采樣主要使用GPS手持機(jī)結(jié)合地形圖的方法進(jìn)行定點(diǎn)采集。野外工作開展前，校正GPS三參數(shù)是必備的工作[2]。通過第三方軟件——奧維互動(dòng)瀏覽器(以下簡(jiǎn)稱omap)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)自動(dòng)計(jì)算GPS手持機(jī)三參數(shù)，誤差小于3m，校正參數(shù)精度高，效果好。繞開了控制測(cè)量一環(huán)，提高了野外效率[3-4]。該文以“山東省沂水縣1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)①”工區(qū)為例介紹此方法，就GPS點(diǎn)校正應(yīng)用做一些探討,提供一些可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 確定GPS手持機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)

第一，要確定工區(qū)測(cè)量的坐標(biāo)系統(tǒng)；第二，確定工區(qū)內(nèi)地形圖的坐標(biāo)分帶；第三，確定該坐標(biāo)分帶的中央經(jīng)線。這樣可保證GPS手持機(jī)和地形圖的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。

工區(qū)位于山東省臨沂市，地處魯中南地區(qū)、沂蒙山腹地,面積為2400km2。采用1980西安坐標(biāo)系，6度帶，帶號(hào)20，中央子午線117°。

沂水縣地勢(shì)自西北向東南傾斜，地形復(fù)雜，山地、丘陵、平原俱全。各占總面積的5.5%,57.0%和37.5%。縣域西部、北部為低山區(qū)；東部、東北部為丘陵；中部、南部為平原。野外工作中使用的參考圖件有1∶5萬地形圖(以下簡(jiǎn)稱地形圖)和1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖。由于這些圖件的現(xiàn)勢(shì)性、可獲取性及掃描誤差等原因[6],不能滿足野外調(diào)查的精度需求，所以野外采用Google Earth影像圖作為工作手圖較為實(shí)用。特別是東部、東北部的丘陵區(qū)域沒有明顯的地理標(biāo)志，GPS手持機(jī)三參數(shù)的精確度，對(duì)野外采集的準(zhǔn)確定位至關(guān)重要。因此，野外用GPS手持機(jī)進(jìn)行樣品采集時(shí)，正確的“三參數(shù)”設(shè)置是使用GPS的關(guān)鍵[7]。

采用美國(guó)GARMIN公司手持式GPSetrex(以下簡(jiǎn)稱etrex手持機(jī))，全漢化、并行12通道手持式接收機(jī)[8]。etrex手持機(jī)能根據(jù)確定的坐標(biāo)系統(tǒng)可以直接讀出坐標(biāo)。該文是針對(duì)etrex手持機(jī)來進(jìn)行討論的[8]。

etrex手持機(jī)直讀數(shù)據(jù)為WGS-84坐標(biāo)系中的經(jīng)緯度坐標(biāo),而實(shí)際應(yīng)用中需要轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱西安-80坐標(biāo)系)。WGS-84坐標(biāo)系是國(guó)際上通用的大地坐標(biāo)系，它使用的橢球基本參數(shù)為：a84=6378137m，f84=1/298.257223563。西安-80坐標(biāo)系是我國(guó)通用的三維直角坐標(biāo)系[12]。其橢球的參數(shù)為：a80=6378140m，f80=1/298.257。因?yàn)椴煌淖鴺?biāo)系之間存在著偏移關(guān)系[9-11],所以，使用etrex手持機(jī)時(shí)必須要進(jìn)行不同坐標(biāo)系切換的三參數(shù)設(shè)置。

etrex手持機(jī)的校正是使用最小二乘法進(jìn)行的WGS-84坐標(biāo)系與西安-80坐標(biāo)系數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換[13]。首先，將“WGS-84的緯度、經(jīng)度和高度坐標(biāo)”轉(zhuǎn)換到相對(duì)于“西安-80坐標(biāo)系高斯6度帶投影方里網(wǎng)”的三維直角坐標(biāo)；二者之間的平面平差計(jì)算，即etrex手持機(jī)自定義坐標(biāo)系中的三參數(shù)：△dx，△dy，△dz。

2 下載工區(qū)GE影像圖

Omap可提供下載的Google Earth影像(以下簡(jiǎn)稱GE影像)數(shù)據(jù)包括0～19級(jí)[14]，使用Web墨卡托投影(Popular Visualization CRS Mercator)，15、19級(jí)數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為4.8和0.3 m。該文采用omap直接下載的方法獲取GE影像圖。

下載安裝omap(版本6.5.1以上版本)，打開應(yīng)用程序，在工具欄視野搜索框內(nèi)輸入“沂水縣”，選擇“沂水縣-山東省臨沂市[行政區(qū)域]”，系統(tǒng)會(huì)在地圖界面上自動(dòng)勾選出“沂水縣”范圍，點(diǎn)擊該范圍內(nèi)的任一點(diǎn)，彈出下載對(duì)話框，開始下載沂水縣GE影像圖。下載前首先要選擇所需要的地圖級(jí)別，地圖清晰度級(jí)別要求能夠清晰顯示主要交通干道，該次選擇19級(jí)(空間分辨率為0.3 m)(圖1)。

3 選擇計(jì)算參數(shù)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)

以往野外校正etrex手持機(jī)參數(shù)時(shí),須提前到當(dāng)?shù)販y(cè)繪局收集工區(qū)內(nèi)3～5個(gè)國(guó)家控制點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(在工區(qū)內(nèi)均勻分布)，再到野外實(shí)際控制點(diǎn)的位置，按照一定規(guī)律,改變所有etrex手持機(jī)自定義坐標(biāo)系中的三參數(shù)大小，使控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與野外etrex手持機(jī)的顯示值保持一致,從而完成GPS三參數(shù)的校正[15-16]。下面通過omap中的GE影像圖和地形圖均勻選擇5個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)(性質(zhì)等同于國(guó)家控制點(diǎn))進(jìn)行室內(nèi)etrex手持機(jī)的參數(shù)校正。

圖1 下載沂水縣GE影像圖

沂水縣GE影像圖下載完畢后，根據(jù)系統(tǒng)提示關(guān)閉下載對(duì)話框。重新打開omap，進(jìn)入沂水縣GE影像圖界面，然后進(jìn)行關(guān)聯(lián)點(diǎn)的選擇。同步操作，打開每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地形圖(西安-80坐標(biāo)系)，并在地形圖上準(zhǔn)確定位到該點(diǎn)的位置。關(guān)聯(lián)點(diǎn)一般以主要交通干道的交會(huì)路口為主，能夠分別在沂水縣GE影像圖界面和地形圖界面內(nèi)準(zhǔn)確定位。GE影像圖提供關(guān)聯(lián)點(diǎn)的WG-S84經(jīng)緯度坐標(biāo)，地形圖提供該點(diǎn)的西安-80平面直角坐標(biāo)。

為滿足整個(gè)工區(qū)的精度需求，計(jì)算參數(shù)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)一般選擇5個(gè)，如圖2所示工區(qū)四角和中心位置各選擇一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)在地形圖和GE影像圖上能夠清晰識(shí)別(圖3)，以降低參數(shù)誤差。將5個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)分別標(biāo)注在GE影像圖和地形圖上，依次讀出每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)的WGS-84經(jīng)緯度和西安-80平面直角坐標(biāo)(表1)。

打開omap中的系統(tǒng)設(shè)置，在“常用”界面內(nèi)找到“系統(tǒng)坐標(biāo)系”，選擇“橫軸墨卡托投影坐標(biāo)”，并進(jìn)入其“設(shè)置”界面，坐標(biāo)類型選擇“經(jīng)緯度<—>西安80”，轉(zhuǎn)換類型選擇“三參數(shù)”，模式選擇“標(biāo)準(zhǔn)模式”，中央經(jīng)線輸入“117”；然后點(diǎn)擊界面中的“計(jì)算”模塊進(jìn)入“計(jì)算三參數(shù)[西安80]”界面，選擇“關(guān)聯(lián)點(diǎn)”模塊，進(jìn)入“關(guān)聯(lián)點(diǎn)管理”界面；依次添加已經(jīng)選擇好的5個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)圖標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)錄入每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)(圖4)，同時(shí)手動(dòng)輸入每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的西安80平面直角坐標(biāo)，完善“關(guān)聯(lián)點(diǎn)管理”界面(圖5)，最后用關(guān)聯(lián)點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算三參數(shù)(圖6)。依次選擇每個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)進(jìn)行△dx，△dy，△dz三參數(shù)的計(jì)算，再求平均值，即獲得沂水地區(qū)西安80坐標(biāo)系6度帶的etrex手持機(jī)三參數(shù)為△dx=-102.5764，△dy=-59.0578，△dz=-1.3482(表2)。

表1 關(guān)聯(lián)點(diǎn)的經(jīng)緯度和平面坐標(biāo)信息

1—關(guān)聯(lián)點(diǎn)1；2—關(guān)聯(lián)點(diǎn)2；3—關(guān)聯(lián)點(diǎn)3；4—關(guān)聯(lián)點(diǎn)4；5—關(guān)聯(lián) 點(diǎn)5 圖2 關(guān)聯(lián)點(diǎn)分布圖

圖3 關(guān)聯(lián)點(diǎn)地形圖與GE影像圖位置對(duì)比圖

圖4 錄入關(guān)聯(lián)點(diǎn)經(jīng)緯度和平面直角坐標(biāo)

圖5 關(guān)聯(lián)點(diǎn)管理界面圖

圖6 選擇關(guān)聯(lián)點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算三參數(shù)

關(guān)聯(lián)點(diǎn)中央經(jīng)線△dx△dy△dz1117102．49659．2091．4742117102．41559．3491．5873117102．59159．0231．324117102．78558．6821．0415117102．59559．0261．319平均值117102．576459．05781．3482

4 野外驗(yàn)證

室內(nèi)通過omap計(jì)算出GPS三參數(shù)之后，選擇了3個(gè)B級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行了野外驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果△dx，△dy，△dz均在3m以內(nèi)(表3)。

5 omap計(jì)算三參數(shù)原理

etrex手持機(jī)不同坐標(biāo)系之間切換時(shí)，實(shí)際需要調(diào)整5個(gè)自定義參數(shù),即△dx，△dy，△dz，△da，△df。其中,△dx，△dy，△dz為計(jì)算出的不同坐標(biāo)系之間的平移參數(shù),△da為不同坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的橢球長(zhǎng)半軸之差[17-20]，△df為不同坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的橢球扁率之差，二者均為常數(shù)。因此，etrex手持機(jī)中僅需要計(jì)算校正的平移參數(shù)是△dx，△dy，△dz。

使用omap在工區(qū)范圍內(nèi)選擇5個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)，分別讀出西安-80大地坐標(biāo)系X80，Y80，Z80值與WGS-84坐標(biāo)系Lat，Lng，H值,利用omap內(nèi)置的算法分別計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的△dx，△dy，△dz值。

WGS-84坐標(biāo)系Lat，Lng，H值轉(zhuǎn)換為西安-80坐標(biāo)系X84，Y84，Z84值運(yùn)用公式：

X84=(N+H)cos(Lat)cos(Lng)

Y84=(N+H)cos(Lat)sin(Lng)

△偏移參數(shù)計(jì)算公式：

式中：Lat，Lng，H分別為WGS-84坐標(biāo)系中的大地緯度、大地經(jīng)度和大地高程；X80，Y80，Z80分別為西安-80坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo)；N—該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，N=a/(1-e2)1/2；e2—西安-80坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球第一偏心率；a—西安-80坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球之長(zhǎng)半軸。

上述計(jì)算公式是omap中利用關(guān)聯(lián)點(diǎn)計(jì)算三參數(shù)的原理，實(shí)際應(yīng)用中，GPS手持機(jī)使用的結(jié)果為：

因此，通過omap關(guān)聯(lián)點(diǎn)計(jì)算出的△dx，△dy，△dz值×(-1)后所得值才是最終etrex手持機(jī)中采用的參數(shù)。

表3 三個(gè)B級(jí)控制點(diǎn)校驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

通過該方法計(jì)算出的etrex手持機(jī)三參數(shù)不需要進(jìn)行微調(diào)即可使用。

GPS校正參數(shù)在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)中有不同的值，該文討論的是利用omap進(jìn)行西安-80坐標(biāo)系的參數(shù)計(jì)算。同理，也可以利用該軟件計(jì)算出北京-54坐標(biāo)系的校正參數(shù)。該參數(shù)實(shí)用范圍為300km×300km，超出之后應(yīng)當(dāng)重新選擇超出范圍之外的關(guān)聯(lián)點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)的GPS三參數(shù)。

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Application of Omap in Automatica Calculation ofGPS Three Parameters in Geochemical Survey of Land Quality

YU Xuncheng1，SONG Juanjuan2，ZHANG Xiuwen1，WANG Hongjun1

(1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute，Shandong Jinan 250013，China；2. Wulian Bureau of Land and Resources，Shandong Wulian 262300, China)

The precision of geochemical survey and assessment of land quality is high. GPS technology is mainly used in geochemical surveying network, soil sample point positioning and other ecological geochemical samples collection and positioning. Before the field work, three parameters correction of GPS handset must be carried out through actual measurement datas of triangulation points in geodetic survey, then set datas in GPS. After correction parameters meet the precision requirement, field sampling stage can begin. Therefore, right parameter setting is the key to use GPS. By using omap, combining with topography with the scale of 1∶50000, rapid automatic three-parameter correction indoor can be realized with high precision, and the error is less than 3m.

GPS correction; omap; correction; land quality; GE image map; WGS-84; Xi'an-80; Beijing-54

2017-02-06；

2017-06-14；編輯：王敏

魯國(guó)土資發(fā)[2016]328號(hào)；委托書編號(hào)：魯勘字(2016)56號(hào)

于訓(xùn)成(1964—)，男，山東煙臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事物化探勘查工作；E-mail：yuxuncheng@sina.com ①山東省物化探勘查院，山東省沂水縣1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評(píng)價(jià)總體設(shè)計(jì)，2016年。

P207

B

于訓(xùn)成，宋娟娟，張秀文，等.利用omap自動(dòng)計(jì)算GPS三參數(shù)在土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中的應(yīng)用[J].山東國(guó)土資源，2017,33(8)：80-84. YU Xuncheng，SONG Juanjuan，ZHANG Xiuwen，etc. Application of Omap to Automatically Calculate GPS Three Parameters in Geochemical Survey of Land Quality[J]. Shandong Land and Resources，2017,33(8)：80-84.