手持GPS在地震勘探工程中的應(yīng)用

胡正冬

（西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川德陽618000）

手持GPS在地震勘探工程中的應(yīng)用

胡正冬*

（西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川德陽618000）

在地震勘探工程項(xiàng)目探勘設(shè)計(jì)和各工序施工過程中，以前主要依托于地形圖，把實(shí)地踏勘到的有用信息標(biāo)注到地形圖上用于指導(dǎo)施工，作業(yè)效率低且難度大，而采用手持GPS定位施測就能很好地解決這些問題。手持GPS以其攜帶方便、操作簡單、定位速度快等優(yōu)點(diǎn)在一些精度要求較低的測繪(如工區(qū)探勘、找點(diǎn)、地面、地下設(shè)施調(diào)查等)中應(yīng)用非常方便。特別是結(jié)合相關(guān)軟件，更是大大地提高了作業(yè)效率和準(zhǔn)確性。主要講述使用手持式GPS如何獲取較高的定點(diǎn)精度，協(xié)助地震勘探施工以及在使用過程中所遇到常見問題的解析。

GPS原理；手持GPS；精度；地震勘探；應(yīng)用

1 概述

手持式GPS是GPS家族中產(chǎn)量最大、使用面最廣和個(gè)人用戶關(guān)系最密切的GPS產(chǎn)品，能適應(yīng)苛刻的環(huán)境，在各種氣象條件下使用，定點(diǎn)精度可靠、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、操作簡單、體積小巧、攜帶方便、價(jià)格便宜，用2節(jié)5號(hào)電池就能工作很長時(shí)間，通過接收20200km高空的衛(wèi)星信號(hào)來定位的，定位精度能達(dá)到5～10m。如今的地震勘探工程涉及的點(diǎn)多面廣，需調(diào)查的地面、地下設(shè)施越來越多、施工中遇到的障礙及干擾越來越多、點(diǎn)位的變觀偏移也越來越頻繁。手持式GPS以其在測量上的優(yōu)勢特點(diǎn)在地震勘探工程中已經(jīng)成為了一種必不可少的應(yīng)用工具了，且其應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到了地震施工的每一道工序中。

2 在地震勘探中的具體應(yīng)用

2.1 在踏勘設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用

利用手持GPS圈定大型障礙，在物探設(shè)計(jì)時(shí)盡量避開這些障礙，即使不能避開也能提前采取應(yīng)對(duì)措施以確保設(shè)計(jì)完成，這樣的設(shè)計(jì)才是更合理、更具有可實(shí)施性，從而使實(shí)際完成的工作量與設(shè)計(jì)的相差無幾，真正達(dá)到了設(shè)計(jì)服務(wù)于生產(chǎn)的目的。

2.2 在地下設(shè)施調(diào)查中的應(yīng)用

地下礦場、管線、光纜等設(shè)施埋在地表底下不易發(fā)現(xiàn)，是地震勘探工作中最具威脅的安全隱患之一。通常的進(jìn)行地下設(shè)施調(diào)查是到地方政府相關(guān)機(jī)構(gòu)收集資料，得到的資料多數(shù)是管線名稱和管線圖，不知道具體位置?，F(xiàn)階地震隊(duì)首選的地下設(shè)施調(diào)查工具是手持GPS。即對(duì)照收集來的資料實(shí)地采集地下設(shè)施的地面數(shù)據(jù)，通過計(jì)算或圖上展點(diǎn)，將地下設(shè)施安全距離范圍內(nèi)圈定出來，提交給地震施工的各相關(guān)人員，在施工中避開這些區(qū)域，杜絕地下設(shè)施安全事故的發(fā)生。

2.3 在地面障礙物圈定及干擾源調(diào)查中的應(yīng)用

在地震勘探施工中常常會(huì)遇到許多障礙，不能按設(shè)計(jì)正常施工，無法施工的區(qū)域利用手持GPS航跡或測定特征點(diǎn)的方式圈定位置及便捷又快速。在地震勘探施工中在點(diǎn)位、井深、藥量及檢波器埋置保證的前提下控制好了干擾采集質(zhì)量也就得到了保證；控制好干擾就必須先了解干擾源位置，利用手持GPS就能快速、準(zhǔn)確地獲取干擾源位置，根據(jù)干擾源類型就能確定干擾范圍，利用手持GPS進(jìn)行干擾源調(diào)查能在施工中能做到有的放矢，最優(yōu)化地配置協(xié)調(diào)的人力和財(cái)力，既有效地降低施工成本又能保證施工的順利進(jìn)行。

2.4 在找點(diǎn)和變觀選點(diǎn)中的應(yīng)用

點(diǎn)位正確是保證地震勘探采集施工質(zhì)量的首要條件。快速、準(zhǔn)確地找到測線的位置既能提高施工效率又能保證施工質(zhì)量，通常的找點(diǎn)是通過班報(bào)或任務(wù)書上提供的地名，這種方法只能找到村一級(jí)，既費(fèi)時(shí)間又費(fèi)人力。利用手持GPS就要快速多了，利用點(diǎn)位導(dǎo)航功能結(jié)合手持GPS內(nèi)置的交通地圖很快的就能到達(dá)目的。為了操作更快捷、正確，還可以在室內(nèi)利用Map-Source軟件進(jìn)行測線數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入。

在地震勘探中遇大型障礙須進(jìn)行變觀設(shè)計(jì)，為確保取得更全的障礙區(qū)地震采集資料，在障礙區(qū)內(nèi)部及周邊優(yōu)選炮點(diǎn)尤為重要，使用手持GPS進(jìn)行變觀選點(diǎn)既快捷又節(jié)省人力物力，還能達(dá)到比較滿意的效果。

3 手持GPS的精度剖析

3.1 手持GPS的穩(wěn)定性

手持GPS的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在導(dǎo)航和測點(diǎn)（動(dòng)態(tài)和靜態(tài)）2個(gè)方面，由于在工程上的應(yīng)用主要是測定點(diǎn)，因此在試驗(yàn)中主要研究了手持GPS在靜態(tài)測量時(shí)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)采用3臺(tái)GARMⅡN手持GPS（本文試驗(yàn)手持GPS為2臺(tái)etrex vista展望和1臺(tái)etrex etrex HCx）進(jìn)行，在選好的試驗(yàn)點(diǎn)上持續(xù)觀測5min以上，每隔30s記錄一次觀測數(shù)據(jù)，完成后對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出試驗(yàn)結(jié)果：3臺(tái)手持機(jī)靜態(tài)觀測的穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系基本一致，在初始化完成鎖定衛(wèi)星觀測2min后，其觀測值基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，3臺(tái)儀器各自測定的10次以上的觀測值X、Y互差最大值均在2m以內(nèi)，可見試驗(yàn)的3臺(tái)手持機(jī)靜態(tài)測量的穩(wěn)定性較好。

3.2 手持GPS的內(nèi)符合精度

儀器的內(nèi)符合精度是評(píng)價(jià)其可靠性的基礎(chǔ)。如果一臺(tái)儀器在相同的觀測條件下，其測量結(jié)果差異很大或且差異毫無規(guī)律，這樣的儀器是無法正常使用的。因此，對(duì)儀器內(nèi)符合精度的研究具有十分重要的意義。

試驗(yàn)前先通過星歷預(yù)報(bào)進(jìn)行觀測時(shí)段選擇，確定在北京時(shí)間上午8～9時(shí)（最佳觀測時(shí)段）、下午16～17時(shí)（較好觀測時(shí)段）、中午12～13時(shí)（較差觀測時(shí)段）進(jìn)行觀測試驗(yàn)，時(shí)間連續(xù)2d，在3個(gè)時(shí)段對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測，采用連續(xù)觀測10次及開機(jī)鎖定衛(wèi)星后觀測1min采集1個(gè)觀測值，然后馬上關(guān)機(jī)再開機(jī)再采集的模式，共觀測6個(gè)時(shí)段采集觀測值60個(gè)，對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果見表1。

表1 單點(diǎn)分時(shí)段重復(fù)觀測值之差統(tǒng)計(jì)表

由表1按下面公式計(jì)算穩(wěn)定度。式中，Δ為上表觀測值最大較差,n為較差個(gè)數(shù)。

由公式：

經(jīng)計(jì)算單點(diǎn)同時(shí)段定位穩(wěn)定度為:m同=±4.0m；單點(diǎn)不同時(shí)段定位穩(wěn)定度為:m異=±6.8m。由此可見，試驗(yàn)手持GPS在同時(shí)段相的情況下內(nèi)符合精度較好，以2倍穩(wěn)定度計(jì)算，最大較差不會(huì)超過±8.0m。而在時(shí)段不同的情況下內(nèi)符合精度較差，但最大較差也不會(huì)超過13.6m。從表1中還可以看出同步10次觀測值取平均的較差較小，能大大提高手持GPS定位的精度及可靠性。

3.3 手持GPS的絕對(duì)定位精度

儀器的穩(wěn)定性和內(nèi)符合精度高不代表觀測結(jié)果就一定準(zhǔn)確，手持式GPS絕對(duì)定位的精度指的是測量結(jié)果與其真實(shí)值的符合程度。除了GPS本身的測量精度外還取決于轉(zhuǎn)換參數(shù)的選取。為了客觀地反映手持式GPS絕對(duì)定位的精度，用手持GPS實(shí)測物探項(xiàng)目測量施工過的測點(diǎn)，這些點(diǎn)是采用GPS RTK固定解模式測定的，精度可高達(dá)厘米級(jí)，其點(diǎn)位誤差相對(duì)于手持式GPS的定位誤差可忽略不計(jì)。在確定了轉(zhuǎn)換參數(shù)后選上午和下午2個(gè)觀測時(shí)段在不同的時(shí)間不同的地段進(jìn)行，觀測后將成果同RTK測量的成果進(jìn)行對(duì)比，各選取5組對(duì)比結(jié)果見表2。

由表2可見，上午手持GPS觀測值與已知值大于2m的X、Y較差只有1個(gè)，而下午的點(diǎn)位差基本在5m以上。不僅如此，通過西南探區(qū)上千次的試驗(yàn)驗(yàn)證，在確定了工區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)后，上午手持GPS定點(diǎn)的精度基本都能達(dá)到3m及以上，而下午的定位的精度只能達(dá)到10m，甚至更差。因此在定點(diǎn)精度要求較高的地震勘探施工應(yīng)用中使用手持GPS還須采用相應(yīng)的措施，這在后面的敘述中還會(huì)進(jìn)一步說明。

表2 某工區(qū)手持GPS測量與RTK測量成果對(duì)照表（單位：m）

3.4 手持GPS的相對(duì)定位精度

由于距離測量是通過兩端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算而獲得，故在此將距離測量稱為相對(duì)定位，因此手持式GPS相對(duì)定位精度可通過測量距離的精度來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)選取了5個(gè)對(duì)點(diǎn)采用了同步相對(duì)定位和異步相對(duì)定位2種方法。同步相對(duì)定位指計(jì)算距離的兩端點(diǎn)坐標(biāo)為同步觀測值，異步相對(duì)定位指計(jì)算距離的兩端點(diǎn)坐標(biāo)為異步觀測值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，表中“已知距離”為GPS RTK固定解坐標(biāo)反算值，相對(duì)于手持式GPS測距誤差可忽略不計(jì)。

表3 相對(duì)定位精度統(tǒng)計(jì)表（單位：m）

由表3可看出：同步距離測量比異步距離測量精度高。這是因?yàn)?臺(tái)接收機(jī)在同一時(shí)段內(nèi)觀測了相同的一組衛(wèi)星，他們的觀測量屬于相關(guān)性較高的相關(guān)測量值，即他們包含有部分相同的誤差，通過坐標(biāo)差分，有效地消除和削弱了衛(wèi)星鐘差、電離層、對(duì)流層對(duì)測距的影響及衛(wèi)星星歷誤差，從而提高了定位精度。

4 在地震勘探應(yīng)用中的常見問題解析

4.1 SA政策的影響

SA政策，即選擇可用性，是美國采取的限制定位精度的政策。人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度的一種方法。在美國政府不開啟SA的情況下(SA其實(shí)是美國政府為了限制民用GPS的精度而故意增設(shè)的一道門檻，在SA開啟的情況下，GPS的水平精度只能達(dá)到100m左右，因各方反對(duì)等原因，現(xiàn)已關(guān)閉SA功能，但不能排除戰(zhàn)爭期間SA功能重新開啟的可能性)，將WGS84系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到用戶所需的坐標(biāo)系統(tǒng)，可以直接將手持GPS接收機(jī)應(yīng)用于工程中。但GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)受制于美國。因此在工程中使用手持GPS測點(diǎn)必須慎重。今年中國的北斗系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)入民用，也許在不久的將來北斗衛(wèi)星系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用與手持機(jī)，手持機(jī)定點(diǎn)導(dǎo)航的精度將會(huì)更高更穩(wěn)定。

4.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確使用

現(xiàn)如今的地震勘探成圖所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)都是1954北京坐標(biāo)系，設(shè)計(jì)坐標(biāo)也均是1954北京坐標(biāo)系下的高斯投影坐標(biāo)。而在手持式GPS中位置的表示方法默認(rèn)為國際通用的WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)。因此在地震勘探中使用手持式GPS必須通過用戶自定義的方式來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。正確操作步驟如下：第一步：進(jìn)入“主菜單頁面”中“設(shè)置”子頁面選擇“單位”，將“位置格式”的選項(xiàng)改為“User UTM Grid”（自定義坐標(biāo)格式）。第二步：在出現(xiàn)的參數(shù)輸入頁面中輸入相關(guān)的參數(shù)，將當(dāng)?shù)刂醒胱游缇€經(jīng)度輸入，投影比例設(shè)為1，東西偏差為500000，南北偏差為0。第三步：按下屏幕上的“存儲(chǔ)”按鈕后，再將“坐標(biāo)系統(tǒng)”的選項(xiàng)改為“User”。第四步：在出現(xiàn)的參數(shù)輸入頁面中輸入相關(guān)參數(shù)，包括DX、DY、DZ、DA和DF。其中：DX、DY、DZ為WGS坐標(biāo)系與北京54坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)之差；可根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。

4.3 保證及提高定位精度的措施

（1）選擇輸入正確的轉(zhuǎn)換參數(shù)能確保絕對(duì)定位精度達(dá)到3m及以上。

（2）西南探區(qū)對(duì)應(yīng)選用上述參數(shù)在上午12時(shí)以前進(jìn)行定點(diǎn)作業(yè)，定位精度能達(dá)到5m及以上。

（3）如想在下午進(jìn)行定位作業(yè)取得較高的定位精度，有2種措施，第一種是根據(jù)觀測時(shí)段來變更轉(zhuǎn)換參數(shù)，這種方法操作復(fù)雜且對(duì)定位精度的確認(rèn)及定位結(jié)果的準(zhǔn)確性是未知的。另一種是利用同步相對(duì)定位的優(yōu)勢特點(diǎn)在已知點(diǎn)進(jìn)行差分校正，這種方法更具有實(shí)際操作性，進(jìn)行校正的已知點(diǎn)可以是國家三角控制點(diǎn)、GPS點(diǎn)、RTK模式測定炮、檢點(diǎn)等，經(jīng)過校正后，定位精度同樣可達(dá)到5m及以上。

（4）保證穩(wěn)定觀測時(shí)間，除定位測量前需完成初始化之外,觀測作業(yè)盡量保持手持機(jī)的穩(wěn)定(建議鎖定衛(wèi)星后靜止觀測2min以上，觀測條件差的地方適當(dāng)延長)。

（5）保證充足的電池電源，實(shí)際使用證明電量不足會(huì)直接影響定位的精度。

（6）同步多次開關(guān)機(jī)觀測取平均值，這不僅能提高觀測條件較差情況下手持GPS定位的可靠性，而且通過儀器內(nèi)符合精度的試驗(yàn)可知能大大提高儀器的解算精度，從而達(dá)到提高定位的精度。

（7）手持GPS是接收GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位工作的，信號(hào)的質(zhì)量直接影響導(dǎo)航定位的精度，不但是要選擇最佳的觀測時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，還必須排除其他形式的干擾。為此應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①盡量選擇比較開闊的地方進(jìn)行定位，防止信號(hào)被遮擋，保證有足夠數(shù)量衛(wèi)星(不少于4顆)用于定位解算；②盡量遠(yuǎn)離大功率的電子波發(fā)射裝置，如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站、高壓線及微波無線電信號(hào)傳送通道等，防止電子信號(hào)對(duì)GPS信號(hào)的干擾；③盡量避免多路徑反射誤差，如遠(yuǎn)離大面積水域及大面積強(qiáng)反射裝置。

（8）注意定位作業(yè)時(shí)屏顯導(dǎo)航定位精度指標(biāo)和天空覆蓋率。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)可能存在問題(少于4顆衛(wèi)星)或有其他影響GPS定位測量精度的因素時(shí)(如強(qiáng)電磁干擾等),應(yīng)暫停(等待衛(wèi)星信號(hào)好轉(zhuǎn)或其他影響因素排除)或放棄定位作業(yè)。

（9）定點(diǎn)測量與導(dǎo)航功能一定不能混為一團(tuán),導(dǎo)航(動(dòng)態(tài)測量)的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定點(diǎn)測量的誤差。

5 結(jié)束語

手持GPS以其操作簡單、攜帶方便、快速導(dǎo)航定位的優(yōu)勢在地震勘探各施工工序中已得到了極為廣泛的應(yīng)用，但其導(dǎo)航和定位的性能不是萬能的、萬無一失的，且獲取高精度定位的條件很苛刻，因此在地震勘探施工中使用應(yīng)謹(jǐn)慎，特別是在地面、地下設(shè)施調(diào)查和炮點(diǎn)變觀選點(diǎn)等對(duì)定點(diǎn)的精度要求較高的應(yīng)用中，必須是由測量人員或熟悉手持GPS性能、定位特點(diǎn)的專業(yè)人員進(jìn)行操作。對(duì)于手持GPS獲取的的點(diǎn)位成果或圖件資料也只能作為參考使用，涉及安全作業(yè)時(shí)更應(yīng)該保守應(yīng)用。另外，本文敘述和試驗(yàn)所使用的手持GPS僅限于為etrex vista展望和etrex etrex HCx兩種機(jī)型。在GPS家族中屬于中高檔類型，精度剖析較為片面，結(jié)論僅供參考，不足之處，望多方賜教。

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1004-5716(2015)03-0136-04

2014-03-21

2014-03-26

胡正冬（1974-），男（漢族），江西鄱陽人，工程師，現(xiàn)從事物探測量監(jiān)督工作。