Trimble GeoXH手持机在土地整理复核中的应用

张贵豪，赵 欣

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

耕地占补平衡是土地整理复核的一个重要环节，其传统方法是根据竣工图、现状图等纸制地图，利用经纬仪等常规测量工具进行测量。该方法具有测量不方便、记录的数据较多、计算繁多且不易定位等缺点［1］。全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它由空间部分（GPS卫星星座）、地面控制部分（地面监控系统）和用户设备部分（GPS接收机）3部分组成。GPS以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活等优点吸引了众多用户，尤其是在位移监测、控制测量、精密工程测量等方面应用较广［2］。

Trimble GeoXH手持机将卫星导航系统与定位系统结合在一起，具有体积小、容易携带、可单独使用的特点，能实时进行三维坐标测量和导航。由于灵敏度与自动化程度较高，Trimble GeoXH手持机在大地测量、地质勘查、资源调查等众多领域广泛应用［3］。笔者以辽宁省土地整理复核项目为例，探讨了Trimble GeoXH手持机和自编程序在土地整理复核项目中的应用。

1 Trimble GeoXH手持机的主要功能和优势

1.1 主要功能

Trimble GeoXH手持机是一款内置双频GPS卫星接收天线的手持式数据采集器，具有数据处理与存储等诸多功能。该仪器可利用内置天线进行载波相位测量，也可联合基准站作业，并进行差分数据后处理，同时也可接收星基增强系统（Satellite Based Augmentation System，简称SBAS）的改正数或其他来源的改正数［4］。

1.2 主要优势

Trimble GeoXH手持机的主要优势是H-Star技术［5］。H-Star技术将数据采集与数据处理功能融合在一个软件中，从而实现亚米级定位精度。H-Star技术的实质主要体现在改善数据质量、改进工作流程、差分后处理3个方面。

1.2.1 改善数据质量

H-Star技术是集成采集系统，采集数据的质量和精度均较高。

（1）GPS信号在传播过程中，通常受多路径效应影响。GPS信号是一种右旋极化波，反射后信号变为左旋极化波。Trimble GeoXH手持机天线内部带有抑径板，同时拥有EVEREST技术，可以滤除左旋极化的反射波。多路径效应对应用H-Star技术的测量仪器的影响更弱。

（2）外接Zephyr天线的设计原则和H-Star技术设计原则一样。Zephyr天线能够接收L2信号，在HStar技术定位中，可利用L2信号得到高质量数据。

（3）Trimble GeoXH手持机可以接收双频GPS信号，能够计算出基准站和流动站之间的电离层延迟误差，并消除该误差。

1.2.2 改进预估后处理精度（Estimated Post-processing Accuracy，简称PPA）所带来的工作流程

用户利用带PPA功能的外业采集软件采集数据时，不用担心差分后处理精度是否满足要求，所以可以高效地采集高质量的外业数据。

PPA的计算和显示依赖于卫星几何分布、天线类型、卫星锁定的最小时长、假定的基站设备等。PPA显示的是水平均方根误差，表示差分后处理的结果中有63%的位置到实际位置的距离不超出所显示的数值。

1.2.3H-Star差分后处理

Trimble GeoXH手持机支持H-Star技术，利用自身内置天线可以快速达到较高精度。如果加上Zephyr双频天线，经软件后处理，数据精度可以达到更高［5］。

对于单独的L1数据，可以用后处理软件为电离层建模，并估算电离层误差。如果加上L2数据，后处理软件能够测算出电离层误差，并消除这个误差。

2 WGS-84坐标系统与BJ-54坐标系统转换原理

土地管理复核项目中的电子竣工图大多是采用BJ-54坐标系统，而Trimble GeoXH手持机的默认坐标系统是世界大地坐标系WGS-84（World Geodetic System一1984Coordinate System），同时带有其他国家和地区的坐标系统，但是无中国BJ-54坐标系统，所以需要进行坐标系统之间的转换。

常见的坐标系统转换方法有五参数法和七参数法，七参数法通常用于精度较高的测量作业中，而Trimble GeoXH手持机使用五参数法即可［6］。要将Trimble GeoXH手持机的WGS-84坐标数据转换成BJ-54坐标数据，需要计算出2个坐标系统之间的转换参数，即相应椭球对应的扁率和长半轴的差值DF、DA，同一点在不同空间直角坐标系中对应坐标值的差值DX、DY、DZ。

2.1 计算三维直角坐标

对于同一空间点，大地坐标系与空间直角坐标系的转换关系如式（1）所示。

式中：X、Y、Z为空间直角坐标系下的坐标；B、L、H大地为大地坐标系下的坐标；N为卯酉圈曲率半径；e为第一偏心率。N、e的值可以根据经纬度计算或从Trimble GeoXH手持机操作手册获取［7］。

将本地某个控制点BJ-54坐标系下的B、L、H大地值及该点在WGS-84坐标系下的观测值B、L、H大地分别代入（1）式，计算出该点的三维直角坐标值X54、Y54、Z54与X84、Y84、Z84。

2.2 计算转换参数

把公式（1）求得的两个坐标系下对应的三维直角坐标分别代入式（2），计算出DX、DY、DZ的值。

DF、DA可以通过两个已知坐标系统的相应基准数据相减获得。

3 数据采集与处理

辽宁省土地整理复核项目的关键在于参数转换与内业计算，其工作流程如图1所示。

图1 土地管理项目流程图Fig.1 Flow of land management item

3.1 数据采集

3.1.1 获取高等级控制点坐标

在国土管理部门取得作业区内或作业区附近3个或3个以上均匀分布的BJ-54坐标系下的国家高等级控制点坐标（X、Y）和正常高H正常高（部分国土部门同时也提供大地坐标）。

GPS Pathfinder Office软件会自动根据输入的BJ-54坐标和正常高计算出相应的大地坐标B、L、H大地。计算出的大地坐标B、L、H大地并不显示出来，而是直接参与坐标转换。

3.1.2 采集高等级控制点的WGS-84坐标

用Trimble GeoXH手持机测量相应控制点，获取WGS-84坐标系下的大地坐标B、L、H大地。

3.1.3 坐标参数转换及校核

先在电脑上利用天宝公司提供的GPS Pathfinder Office软件计算出转换参数，再自定义出BJ-54坐标系统。定义内容为：中央子午线经度输入作业区中央子午线经度，投影比例参数默认为1.00000，东西偏差常数为500000m，南北偏差默认为0，基准转换属性输入计算出的转换参数DX、DY、DZ值，DA、DF的值由系统自动计算。

输出格式为CSW的坐标文件，并将此文件与电子竣工图同时导入Trimble GeoXH手持机。

转换完成后，需要对参数的正确性进行校核。即在实地已知点上进行实施定位测量，当结果满足精度要求时，说明转换成功［8］。当结果超出误差时，应查找原因并重新计算转换参数。

3.1.4 点位采集

打开Trimble GeoXH手持机外业采集软件Terrasync，在“坐标系统”设置中选择自定义的BJ-54坐标系统，在“实时设置”中选择“整合的SBAS”（目的是利用地区性星基增强系统）。然后，在实地进行点位采集。

在我国使用Trimble GeoXH手持机时，可以接收到日本的多功能卫星增强系统（MSAS）（Wide Area Augmentation System）所发送的广域差分信号，经此信号改正后的GPS卫星数据的实时差分定位精度和后处理差分精度均可达到亚米级。

3.2 内业处理与精度分析

外业数据采集完毕后，用天宝Pathfinder Office软件将采集的外业数据以DAT格式导出，用Auto CAD打开电子竣工图，同时将采集的数据导入电子竣工图进行复核。

3.3 精度分析

调用编写LISP的计算程序（程序设计思路是提取界址点坐标和检核点坐标，计算点位误差和中误差），输出界址点和检核点的坐标、点位误差和中误差，如表1所示。

表1 输出的坐标与中误差表Tab.1 Output coordinate and mean square error

（续表1 ）

将程序计算结果与人工计算的点位误差与中误差进行对比，程序计算的点位误差与中误差正确。从表1中可以，测点的中误差为1.97m，最大点位误差为3.82m，满足最大点位误差不能大于5m的检核要求。同时，由记录的地块属性（如坡度、耕地质量等）可以确定某块地是否合格。根据记录的地块属性及计算出的中误差，本图中的9个地块可以确定为合格。

4 结语

Trimble GeoXH手持机与自编计算程序的联合应用，使土地管理复核工作效率大为提高。H-Star技术的先进性使Trimble GeoXH手持机在土地管理复核项目中具有显著的优越性，且该套工具携带方便、操作简单，使得外业人员可以在很短的时间内获得高精度的定位，降低了劳动强度，缩短了外业时间，明显提高了外业工作的效率；在进行内业计算时，利用编写的计算程序可以大大提高计算效率，使内业处理时间大为缩减。