GPS手持导航仪在地震踏勘与设计的应用
【摘要】地震采集项目前期踏勘及施工设计阶段，常常因地形图陈旧、城镇厂矿密集，常规踏勘方法难以满足前期测线调整、试验点选取、施工条件评估及后期高效物探生产需要。利用GPS导航仪存储的航点、航线、航迹、GIS软件及实地踏勘数据，结合地震勘探设计软件进行针对性设计，能够大大提高工作效率，使设计更加合理，同时可降低地震勘探设计成本。
【关键词】GPS 设计 踏勘 数据格式
随着物探作业施工区域逐渐向城区、厂矿密集区、大山区深入，对地震踏勘及设计要求也越来越高。手持GPS以全天候、高精度、成本低、操作简单、高效益等显著特点，给定位提供了极大的方便，越来越多的应用到地震采集踏勘至设计各个环节，大大提高了踏勘精度及效率，成为地震勘探野外采集作业中必不可少的辅助定位工具。
本文就GPS数据格式、定位精度、数据采集及交换进行了介绍，结合地理信息软件Goggle Earth、Global Mapper、MapSend Lite等地理信息软件，介绍了在地震采集系统中设计及踏勘中的应用。
一、GPS接收终端简介
1.1 便携式手持终端简介
在野外工作中，性价比较高便携式GPS接收终端大体上有Garmin、Explorist、Venture 、劳伦斯等机型，根据价位高低及功能多少分为三个层次的产品。
基本机型：有Garmin Legend H、eXplorits600等机型，目前应用面较广，也是普通用户大规模使用的普及机型。中高端机型：eXplorits510、Garmin Vista C 蜂彩、GPS76C等。该类机型代表市场发展的主流方向。电子地图数据较为详细，亦配备内置电子罗盘和气压高度计，避免了屏蔽后的方位指向困难，也在一定程度上缓解了GPS 测高不准的问题。
随着信息技术的进步与发展，SD扩展卡渐渐应用到手持导航仪中，卡容量从最初的64MB 扩展到现在的8GB，使人们可以随心所欲地存储MapSend格式的详细地图数据。
1.2 eXplorist600手持终端简介
1.2.1 性能简介
eXplorist序列机型是地震勘探野外作业目前应用较为广泛的便携式机型之一，它有如下特点：(1)TrueFix技术，精确度更高，改正精度达到3m以内;(2)SD扩充卡：支持SD卡 扩展内存，可实现航点、航线、航迹无限存储;(3)内置地图;(4)航迹：可存储3～5条航迹，每条航迹可包含2000个航迹点;(5)超大显示屏：超大显示屏可以清晰的看到GPS数据信息，eXplorist510配有高清晰度彩色触摸显示屏。
1.2.2 功能简介
eXplorist600手持GPS提供3种基本导航功能。(1)航点导航。用航点导航到地图上某点的直接路径，通过点导航模式，就可以根据手持机导航信息提示，寻找到坐标点。根据需要，还可以设置其他数据项在显示屏上，比如方位、时间、速度、坐标等。(2)航线导航。将测线定义为航线，包括定义航线附近的各种路标，用于测线导行。(3)航迹导航。通过对行进过的路线进行存储，可以在再次行进时重复原有的路线，或利用航迹返回功能沿原路返回到起点。这一功能在物探施工中非常有用，先期踏勘的班组把航迹存储起来，然后把GPS交给其他后续班组，后续班组利用航迹，直接导航到已设定的激发或接收物理点位上。如果在施工中迷失方向，还可以利用这一功能，根据已存储的航迹原路返回。
二、eXplorist手持机数据格式
2.1 数据类型
航点(Waypoint)：用于记录地图上的某个点的位置，可以存储坐标(经纬度)、注解、点标识等其它信息。航迹(Track)：一段运动轨迹，由很多个点组成，一般的GPS内部可以存几百个到几千个。Track的生成算法比较重要，好的算法记录点少而且描述精确。航线(Route)：手工或自动生成的线路，一般由几十个点组成。
2.2 数据格式定义
GPX( GPS Exchange Format )是GPS数据的'交换格式，是一种基于XML(Extensible Markup Language)的一种开发数据标准，编码采用UTH-8 Unicode格式，分别以XML标签的形式记录文件基本格式、航点、航迹、航线等信息。目前GPX在GPS 数据格式转换、制图等方面支持上百种应用软件和网络服务，成为GPS接收机、桌面软件、移动设备软件以及基于网络服务的数据转换的标准格式(见表1)。
GPX 数据格式仅支持WGS-84 经纬度坐标(格式为DDD.dddddddddb)。如果已知数据为其它坐标系数据， 需要转换为WGS-84经纬度格式的坐标。
表1 GPX数据交换格式属性
2.3 GPS数据交换
2.3.1 GPS手持机数据输入
GPX交换文件是一个XML文件，Mapsend Lite软件、Global Mapper软件可以直接读取，而eXplorist GPS手持机亦能通过MapSend Lite软件输入GPX数据。利用Global Mapper数据输入、输出功能可快速将原始数据转化为GPX数据。其过程是将原始数据转化为SPS数据，利用Global Mapper输出GPX数据，实现由MapSend Lite向GPS手持机写入GPX数据。
采用上述方法，可将测线、炮检点设计数据或踏勘路线利用Global Mapper转化为GPX格式后，利用MapSend Lite批量导入手持机，实现航点、航线数据的快速建立与查询。
2.3.2 GPS手持机数据输出
手持GPS 踏勘基础数据的航点坐标位置和测点坐标必须转换成KLsies、Mesa等地震勘探设计软件可以加载的格式(常见为平面坐标或SPS格式，见图1)，才能用来实现地震勘探设计和图件的任意比例尺输出。手持机GPX格式数据输出，可利用Global Mapper自动投影转换功能，将GPX数据自动转化为采集设计软件通用格式。
图1 导航仪与设计数据转换流程
采用上述方法，可将野外踏勘时手持机记录的航点、航线数据输出为采集软件可识别格式，在采集软件中准确、直观显示踏勘路线、障碍物及干扰源位置，为地震设计提供准确、详细的基础资料。
三、GPS数据采集
3.1 参数设置
3.1.1 参考椭球-坐标系统设置
GPS 导航系统所提供的坐标属于WGS-84坐标系(经纬度坐标系)，但地震采集常使用的坐标系属于高斯投影的1954年北京坐标系，即BJ-54坐标系。以下列出了WGS84坐标系与1954年北京坐标系及1980西安坐标系椭球参数(见表2)。