利用omap自动计算GPS三参数在土地质量地球化学调查中的应用

于训成，宋娟娟，张秀文，王洪军

(1.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；2.五莲县国土资源局，山东 五莲 262300)



利用omap自动计算GPS三参数在土地质量地球化学调查中的应用

于训成1，宋娟娟2，张秀文1，王洪军1

(1.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；2.五莲县国土资源局，山东 五莲 262300)

土地质量地球化学调查评价的调查精度较高，GPS主要应用于地球化学测网布设、土壤采样点的定位及其他生态地球化学样品的采集定位。野外工作前必须通过大地测量三角点实测数据进行GPS手持机三参数校正，在GPS中置数，校正参数满足精度要求之后方可进入野外采样阶段,因此，正确的参数设置是使用GPS的关键。利用omap结合1∶5万地形图实现了室内快速自动化校正三参数，精度高，误差小于3m。

GPS校正；omap；校正；土地质量；GE影像图；WGS-84；西安-80；北京-54

0 引言

土地质量地球化学评价是实现土地资源数量、质量与生态三位一体管护，落实耕地保护制度、支撑土地资源管理的一项重要工作。包含采集分析土壤、水、大气干湿沉降、农作物等样品，以地块为单元进行农用地质量地球化学评价，评价比例尺为1∶5万、1∶1万，野外定点误差要求不小于15m[1]。野外样品采样主要使用GPS手持机结合地形图的方法进行定点采集。野外工作开展前，校正GPS三参数是必备的工作[2]。通过第三方软件——奥维互动浏览器(以下简称omap)实现了室内自动计算GPS手持机三参数，误差小于3m，校正参数精度高，效果好。绕开了控制测量一环，提高了野外效率[3-4]。该文以“山东省沂水县1∶5万土地质量地球化学调查与评价①”工区为例介绍此方法，就GPS点校正应用做一些探讨,提供一些可借鉴经验。

1 确定GPS手持机坐标系统

第一，要确定工区测量的坐标系统；第二，确定工区内地形图的坐标分带；第三，确定该坐标分带的中央经线。这样可保证GPS手持机和地形图的坐标系统一致。

工区位于山东省临沂市，地处鲁中南地区、沂蒙山腹地,面积为2400km2。采用1980西安坐标系，6度带，带号20，中央子午线117°。

沂水县地势自西北向东南倾斜，地形复杂，山地、丘陵、平原俱全。各占总面积的5.5%,57.0%和37.5%。县域西部、北部为低山区；东部、东北部为丘陵；中部、南部为平原。野外工作中使用的参考图件有1∶5万地形图(以下简称地形图)和1∶5万土地利用现状图。由于这些图件的现势性、可获取性及扫描误差等原因[6],不能满足野外调查的精度需求，所以野外采用Google Earth影像图作为工作手图较为实用。特别是东部、东北部的丘陵区域没有明显的地理标志，GPS手持机三参数的精确度，对野外采集的准确定位至关重要。因此，野外用GPS手持机进行样品采集时，正确的“三参数”设置是使用GPS的关键[7]。

采用美国GARMIN公司手持式GPSetrex(以下简称etrex手持机)，全汉化、并行12通道手持式接收机[8]。etrex手持机能根据确定的坐标系统可以直接读出坐标。该文是针对etrex手持机来进行讨论的[8]。

etrex手持机直读数据为WGS-84坐标系中的经纬度坐标,而实际应用中需要转换为1980西安坐标(以下简称西安-80坐标系)。WGS-84坐标系是国际上通用的大地坐标系，它使用的椭球基本参数为：a84=6378137m，f84=1/298.257223563。西安-80坐标系是我国通用的三维直角坐标系[12]。其椭球的参数为：a80=6378140m，f80=1/298.257。因为不同的坐标系之间存在着偏移关系[9-11],所以，使用etrex手持机时必须要进行不同坐标系切换的三参数设置。

etrex手持机的校正是使用最小二乘法进行的WGS-84坐标系与西安-80坐标系数学转换[13]。首先，将“WGS-84的纬度、经度和高度坐标”转换到相对于“西安-80坐标系高斯6度带投影方里网”的三维直角坐标；二者之间的平面平差计算，即etrex手持机自定义坐标系中的三参数：△dx，△dy，△dz。

2 下载工区GE影像图

Omap可提供下载的Google Earth影像(以下简称GE影像)数据包括0～19级[14]，使用Web墨卡托投影(Popular Visualization CRS Mercator)，15、19级数据的空间分辨率分别为4.8和0.3 m。该文采用omap直接下载的方法获取GE影像图。

下载安装omap(版本6.5.1以上版本)，打开应用程序，在工具栏视野搜索框内输入“沂水县”，选择“沂水县-山东省临沂市[行政区域]”，系统会在地图界面上自动勾选出“沂水县”范围，点击该范围内的任一点，弹出下载对话框，开始下载沂水县GE影像图。下载前首先要选择所需要的地图级别，地图清晰度级别要求能够清晰显示主要交通干道，该次选择19级(空间分辨率为0.3 m)(图1)。

3 选择计算参数的关联点

以往野外校正etrex手持机参数时,须提前到当地测绘局收集工区内3～5个国家控制点实测数据(在工区内均匀分布)，再到野外实际控制点的位置，按照一定规律,改变所有etrex手持机自定义坐标系中的三参数大小，使控制点的实测坐标值与野外etrex手持机的显示值保持一致,从而完成GPS三参数的校正[15-16]。下面通过omap中的GE影像图和地形图均匀选择5个关联点(性质等同于国家控制点)进行室内etrex手持机的参数校正。

图1 下载沂水县GE影像图

沂水县GE影像图下载完毕后，根据系统提示关闭下载对话框。重新打开omap，进入沂水县GE影像图界面，然后进行关联点的选择。同步操作，打开每个关联点所对应的地形图(西安-80坐标系)，并在地形图上准确定位到该点的位置。关联点一般以主要交通干道的交会路口为主，能够分别在沂水县GE影像图界面和地形图界面内准确定位。GE影像图提供关联点的WG-S84经纬度坐标，地形图提供该点的西安-80平面直角坐标。

为满足整个工区的精度需求，计算参数的关联点一般选择5个，如图2所示工区四角和中心位置各选择一个关联点，每个关联点在地形图和GE影像图上能够清晰识别(图3)，以降低参数误差。将5个关联点分别标注在GE影像图和地形图上，依次读出每个关联点的WGS-84经纬度和西安-80平面直角坐标(表1)。

打开omap中的系统设置，在“常用”界面内找到“系统坐标系”，选择“横轴墨卡托投影坐标”，并进入其“设置”界面，坐标类型选择“经纬度<—>西安80”，转换类型选择“三参数”，模式选择“标准模式”，中央经线输入“117”；然后点击界面中的“计算”模块进入“计算三参数[西安80]”界面，选择“关联点”模块，进入“关联点管理”界面；依次添加已经选择好的5个关联点图标，系统会自动录入每个关联点的经纬度坐标(图4)，同时手动输入每个关联点对应的西安80平面直角坐标，完善“关联点管理”界面(图5)，最后用关联点自动计算三参数(图6)。依次选择每个关联点进行△dx，△dy，△dz三参数的计算，再求平均值，即获得沂水地区西安80坐标系6度带的etrex手持机三参数为△dx=-102.5764，△dy=-59.0578，△dz=-1.3482(表2)。

表1 关联点的经纬度和平面坐标信息

1—关联点1；2—关联点2；3—关联点3；4—关联点4；5—关联 点5 图2 关联点分布图

图3 关联点地形图与GE影像图位置对比图

图4 录入关联点经纬度和平面直角坐标

图5 关联点管理界面图

图6 选择关联点自动计算三参数

关联点中央经线△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 野外验证

室内通过omap计算出GPS三参数之后，选择了3个B级控制点进行了野外验证，验证结果△dx，△dy，△dz均在3m以内(表3)。

5 omap计算三参数原理

etrex手持机不同坐标系之间切换时，实际需要调整5个自定义参数,即△dx，△dy，△dz，△da，△df。其中,△dx，△dy，△dz为计算出的不同坐标系之间的平移参数,△da为不同坐标系对应的椭球长半轴之差[17-20]，△df为不同坐标系对应的椭球扁率之差，二者均为常数。因此，etrex手持机中仅需要计算校正的平移参数是△dx，△dy，△dz。

使用omap在工区范围内选择5个关联点，分别读出西安-80大地坐标系X80，Y80，Z80值与WGS-84坐标系Lat，Lng，H值,利用omap内置的算法分别计算每个点的△dx，△dy，△dz值。

WGS-84坐标系Lat，Lng，H值转换为西安-80坐标系X84，Y84，Z84值运用公式：

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

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

△偏移参数计算公式：

式中：Lat，Lng，H分别为WGS-84坐标系中的大地纬度、大地经度和大地高程；X80，Y80，Z80分别为西安-80坐标系中的三维直角坐标；N—该点的卯酉圈曲率半径，N=a/(1-e2)1/2；e2—西安-80坐标系对应椭球第一偏心率；a—西安-80坐标系对应椭球之长半轴。

上述计算公式是omap中利用关联点计算三参数的原理，实际应用中，GPS手持机使用的结果为：

因此，通过omap关联点计算出的△dx，△dy，△dz值×(-1)后所得值才是最终etrex手持机中采用的参数。

表3 三个B级控制点校验结果

6 结论

通过该方法计算出的etrex手持机三参数不需要进行微调即可使用。

GPS校正参数在不同的坐标系统中有不同的值，该文讨论的是利用omap进行西安-80坐标系的参数计算。同理，也可以利用该软件计算出北京-54坐标系的校正参数。该参数实用范围为300km×300km，超出之后应当重新选择超出范围之外的关联点计算相应的GPS三参数。

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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；编辑：王敏

鲁国土资发[2016]328号；委托书编号：鲁勘字(2016)56号

于训成(1964—)，男，山东烟台人，高级工程师，主要从事物化探勘查工作；E-mail：yuxuncheng@sina.com ①山东省物化探勘查院，山东省沂水县1∶5万土地质量地球化学调查与评价总体设计，2016年。

P207

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于训成，宋娟娟，张秀文，等.利用omap自动计算GPS三参数在土地质量地球化学调查中的应用[J].山东国土资源，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.