淺談GPS在地質(zhì)剖面測量中的應(yīng)用及地質(zhì)剖面繪制中的便捷方法

張儉峰，李新鵬，楊文鵬，李成祿，鄧昌州，趙瑞君

黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150036

0 引言

地質(zhì)剖面是區(qū)域地質(zhì)調(diào)查必不可少的一項(xiàng)工作，是開展地質(zhì)工作的基礎(chǔ)[1-3]。剖面測制目的是通過實(shí)測地質(zhì)剖面，合理確定基本填圖單位，建立各類地質(zhì)體的時(shí)空關(guān)系以及組合順序，獲取和掌握地質(zhì)體宏觀和微觀地質(zhì)特征，有效把握區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造框架[4-5]。

黑龍江省主要為森林沼澤景觀淺覆蓋區(qū)，具有野外露頭少、視野通透性不好、測量路線障礙物多等特點(diǎn)，給地質(zhì)剖面測量工作帶來很多的麻煩與困難，如方位角、坡角、導(dǎo)線長等數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確度不夠高，甚至最終累計(jì)誤差達(dá)幾十至幾百米，嚴(yán)重影響剖面精度。

自從美國 1994年全面建成GPS以來, 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及進(jìn)步，GPS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、石油開采、水利勘察、災(zāi)害監(jiān)測、林業(yè)調(diào)查以及交通、電力、農(nóng)業(yè)、國防和城市建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域[6-8]。尤其GPS手持機(jī)，具有體積小、攜帶方便、功耗低、捕捉衛(wèi)星信號的靈敏度高、存點(diǎn)快捷、定位速度快、單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大地質(zhì)工作者的歡迎[9-11]。應(yīng)用GPS測量技術(shù)，不但能夠提升地質(zhì)工作效率，而且能夠提高測量的精度[12-14]。因此，適當(dāng)?shù)貞?yīng)用GPS輔助地質(zhì)剖面的測量，對工作效率及精度的提高將會(huì)有一定的幫助。

本文以黑龍江省呼瑪縣早侏羅世正長花崗巖測量剖面為例，對GPS測量技術(shù)在地質(zhì)剖面測量工作中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并分析了GPS測量技術(shù)在地質(zhì)剖面測量工作中的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了利用SECTION軟件及EXCEL辦公軟件使地質(zhì)剖面編繪簡化的方法，希望對地質(zhì)勘查工作具有一定的參考意義。

1 區(qū)域地理及設(shè)備應(yīng)用

1.1 區(qū)域地理

研究區(qū)位于大興安嶺東北部，主體屬低山丘陵地形，相對高程在180～450 m。區(qū)內(nèi)森林密布，灌木叢生，沼澤多見，山區(qū)覆蓋厚度一般在0～3 m，局部>3 m，露頭較少，視野通透性不好，測量路線障礙物多，屬典型的淺覆蓋地質(zhì)調(diào)查區(qū)，給地質(zhì)剖面測量帶來了很大的困擾。

1.2 設(shè)備及人員配置

設(shè)備：野外設(shè)備主要為GPS(佳明、集思寶、小博士、合眾思壯等)或掌上機(jī)，室內(nèi)整理軟件為SECTION及EXCEL，傳輸軟件為MapSource(表1)。

人員：2～3名。人員主要為GPS操作員及采樣員。GPS操作員攜帶GPS 手持機(jī)，依據(jù)設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)，記錄實(shí)際采樣點(diǎn)位及地質(zhì)信息，采樣員同時(shí)進(jìn)行野外巖石樣品的采取，如人員充足可指派一人專門負(fù)責(zé)地質(zhì)信息的記錄(表2)。

表1 主要技術(shù)設(shè)備表

表2 主要技術(shù)人員表

2 工作方法及流程

2.1 室內(nèi)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1 GPS的精度要求及選取

許多學(xué)者對手持GPS的精度進(jìn)行了研究[15-17]，有的利用不同型號手持GPS接收機(jī)采用不同的數(shù)據(jù)處理方式來提高其定位精度[9,11,18]。如馮曉娜等經(jīng)試驗(yàn)研究認(rèn)為集思寶G330手持式GPS接收機(jī)單定位精度較高，90.0%的試驗(yàn)點(diǎn)平面內(nèi)符合精度<4.0 m[15]；夏廣嶺等通過對手持GARMIN etrex GPS接收機(jī)定位精度的分析和實(shí)踐證明，在一定的觀測條件下單點(diǎn)定位誤差<5 m[19]。而基礎(chǔ)地質(zhì)剖面的測量比例尺一般<1∶200 0，4 m的誤差可以滿足其要求，且隨著技術(shù)的發(fā)展，如北斗衛(wèi)星在地質(zhì)中的應(yīng)用[20]和激光雷達(dá)技術(shù)在地學(xué)中的應(yīng)用[21]，手持GPS的精度將會(huì)越來越高，滿足地質(zhì)剖面測量的要求將越來越容易。

2.1.2 布設(shè)設(shè)計(jì)剖面線

利用SECTION軟件(或MapGIS軟件)，由地質(zhì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)資料并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)填圖單位、產(chǎn)狀及地形變化情況布設(shè)好設(shè)計(jì)剖面線(圖1a)。需要注意的是：畫剖面線的時(shí)候，除兩側(cè)及拐點(diǎn)外不要有多余的節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 布設(shè)剖面控制點(diǎn)

為了在野外測量工作中便于掌握導(dǎo)線方位及估算距離，可以在導(dǎo)線上增加一些導(dǎo)線控制點(diǎn)，以使工作便捷。步驟為：(1)在拐點(diǎn)處剪斷設(shè)計(jì)剖面線。(2)在SECTION中打開擴(kuò)展工具箱(圖1b)，利用其中的定距/定數(shù)等分線工具(圖1c)從剖面起始位置到結(jié)尾位置依次定距等分線，生成導(dǎo)線控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)的圖上距離根據(jù)地圖比例尺及剖面比例尺換算取得。例如在1∶500 00地圖中生成1∶500 0比例尺剖面的采樣點(diǎn)，剖面的實(shí)際采樣平均距離約為50 m，圖上距離為1 mm，則定距等分線的距離為1 mm。(3)定距等分線時(shí)，選擇單獨(dú)增加點(diǎn)，并設(shè)置好點(diǎn)號、點(diǎn)顏色及點(diǎn)大小(圖1d)。需要注意的是：拐點(diǎn)處有重合或者距離很近的點(diǎn)可以刪除多余，保留一個(gè)。(4)利用SECTION的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換GPX文件工具(圖1e)生成GPX文件并保存(圖1f)。(5)利用MapSource軟件將此GPX設(shè)計(jì)點(diǎn)文件轉(zhuǎn)存入GPS中(或者將此設(shè)計(jì)點(diǎn)文件及設(shè)計(jì)剖面線文件導(dǎo)入掌上機(jī)中)，為野外剖面測量工作做準(zhǔn)備。

a.設(shè)計(jì)剖面線；b.擴(kuò)展工具箱；c.定距等分線；d.設(shè)計(jì)剖面線生成導(dǎo)線控制點(diǎn)；e.點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換GPX文件工具；f.生成GPX文件.圖1 室內(nèi)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程Fig.1 Process of data preparation

2.2 野外利用GPS測量地質(zhì)剖面

在野外實(shí)際測量中，GPS操作員及采樣員同時(shí)沿著設(shè)計(jì)剖面線和導(dǎo)線控制點(diǎn)向剖面終點(diǎn)方向前進(jìn)，沿途觀察測量，待到地形起伏變化處、觀察點(diǎn)或?qū)Ь€控制點(diǎn)處則停止，記錄地質(zhì)信息、產(chǎn)狀并利用GPS(或掌上機(jī))采取實(shí)際采樣點(diǎn)信息(圖2)。

圖2 導(dǎo)線控制點(diǎn)(▲)與實(shí)際采樣點(diǎn)(+)Fig.2 Tapeline control points (▲) and actual sampling points (+)

如遇特殊情況，需要增加觀察點(diǎn)、分層點(diǎn)、產(chǎn)狀點(diǎn)等，則可以加密實(shí)際采樣點(diǎn)。

2.3 室內(nèi)數(shù)據(jù)整理

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

室內(nèi)數(shù)據(jù)處理主要利用SECTION、EXCEL、DGSS軟件及作者新編制的地質(zhì)剖面計(jì)算表完成。其步驟為：(1)從GPS(或掌上機(jī))中導(dǎo)出實(shí)際采樣點(diǎn)文件(圖2中+點(diǎn))。(2)如采樣點(diǎn)文件有高程數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)出點(diǎn)屬性文件(圖3a、b)；如采樣點(diǎn)文件沒有高程屬性或者需要利用地質(zhì)圖上的高程屬性，可按以下步驟讀取高程屬性：(a)找到地形線文件及實(shí)際采樣點(diǎn)文件；(b)利用SECTION軟件新建工程并打開，使地形線文件及實(shí)際采樣點(diǎn)文件處于編輯狀態(tài)(圖3c)；(c)編輯地形線文件屬性結(jié)構(gòu)(圖3d)及實(shí)際采樣點(diǎn)屬性結(jié)構(gòu)(圖3e)，使之具高程屬性結(jié)構(gòu)；(d)利用SECTION軟件輔助工具1-屬性功能-高程屬性賦點(diǎn)工具使實(shí)際采樣點(diǎn)文件具有高程屬性(圖3f)；(e)利用SECTION軟件輔助工具1-導(dǎo)入導(dǎo)出功能-導(dǎo)出屬性數(shù)據(jù)(EXCEL)(圖3a、b)。(3)將GPS數(shù)據(jù)、巖性、產(chǎn)狀、及分導(dǎo)時(shí)的拐點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入地質(zhì)剖面計(jì)算表中(圖4a)，并進(jìn)行誤差校正；(4)錄好數(shù)據(jù)后，計(jì)算表會(huì)自動(dòng)生成各種表格(圖4b)，這些表格可直接導(dǎo)入數(shù)字填圖系統(tǒng)的實(shí)測剖面中。

a.導(dǎo)出屬性數(shù)據(jù)；b.點(diǎn)坐標(biāo)文件；c.實(shí)際采樣點(diǎn)；d.編輯地形線屬性結(jié)構(gòu)；e.編輯實(shí)際采樣點(diǎn)屬性結(jié)構(gòu)；f.高程屬性賦點(diǎn)工具.圖3 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Procedure of data processing

2.3.2 剖面圖的生成及修飾

(1)初步生成實(shí)測剖面

利用上述處理好的數(shù)據(jù)，導(dǎo)出各種表格(圖4b)，錄入數(shù)字填圖軟件(DGSS)中，便可初步生成實(shí)測剖面圖(圖5)。

(2)剖面圖的修飾

根據(jù)野外記錄及室內(nèi)綜合資料及編錄人員的認(rèn)知情況，對初步生成的實(shí)測剖面進(jìn)行修飾，從而完成最終的實(shí)測地質(zhì)剖面圖(圖6)。

a.地質(zhì)剖面計(jì)算表數(shù)據(jù)錄入；b.地質(zhì)剖面計(jì)算表輸出表格.圖4 地質(zhì)剖面計(jì)算表Fig.4 Calculation table for geological section

圖5 初步的實(shí)測地質(zhì)剖面(局部)Fig.5 Preliminary measured geological section (part)

圖6 最終的實(shí)測地質(zhì)剖面圖(局部)Fig.6 Final measured geological section (part)

3 討論

3.1 傳統(tǒng)導(dǎo)線法測量地質(zhì)剖面介紹

傳統(tǒng)的地質(zhì)剖面測量方法為導(dǎo)線法。導(dǎo)線法測量地質(zhì)剖面工作由前、后測手來完成。一般用50 m、100 m長的測繩，后測手持0 m端，前測手持另一端。測量開始時(shí)，后測手站定剖面起點(diǎn)，前測手向剖面終點(diǎn)方向前進(jìn)，待到地形起伏變化處則停止。兩人將測繩拉直，前測手向記錄員報(bào)告導(dǎo)線斜距—測繩終點(diǎn)所記米數(shù)。前后測手共同測量導(dǎo)線方位和地形坡度角，導(dǎo)線方位是指導(dǎo)線的前進(jìn)方向，用方位角記數(shù)。前后測手測量誤差<2°～3°，取其平均值記入記錄表格中。地形坡度的測量是利用羅盤測斜儀，前后測手分別瞄準(zhǔn)對方相同高度部位，使視線與地面平行一致，多測幾次，前后校正，開始讀數(shù)。以后測手為準(zhǔn)，仰角為“+”，俯角為“-”，測準(zhǔn)后將角度連同“+”或“-”號一同報(bào)告給記錄員，記入表格中[22]。

3.2 導(dǎo)線法與GPS法測量地質(zhì)剖面優(yōu)缺點(diǎn)對比

由表3可以看出，依據(jù)傳統(tǒng)的導(dǎo)線法測量，在方位角、坡角、斜距等方面，雖然理論上可以無限地消除誤差，但對視野的通透性要求較高且操作復(fù)雜。而黑龍江省主要為森林沼澤淺覆蓋區(qū)，工作區(qū)多為密林覆蓋區(qū)，視野通透性不好，地表障礙物多、不平整，使測量導(dǎo)線彎曲，坡角及方位角測量困難且不準(zhǔn)確，致使其方位角、坡角、斜距等誤差較大。而GPS法，可以有效避免這些不利因素，無需導(dǎo)線，無需測量坡腳，對視野通透性及地形平整性要求不高，能以較小的誤差進(jìn)行地質(zhì)剖面測量。

此外，與傳統(tǒng)導(dǎo)線法相比，GPS法設(shè)備精簡，操作人員少，而且測量速度快。能夠節(jié)省一定的人力、物力，及提高工作效率。

值得注意的是，目前很多GPS對高程的測量精度不夠高，其坡角誤差也較大，這是其美中不足之處。因此，可以利用地形圖數(shù)據(jù)或者利用羅盤輔助測量坡角，以解決問題。

表3 導(dǎo)線法與GPS法優(yōu)缺點(diǎn)對比

3.3 剖面計(jì)算表的優(yōu)點(diǎn)

從圖4a、b可以看出，最新編制的剖面計(jì)算表更加簡潔、明了，只要輸入幾組簡單的數(shù)據(jù)，便可快速輸出各種剖面成圖數(shù)據(jù)表格，或者最終成型的剖面地質(zhì)記錄卡片，免除了以往剖面平差、剖面信息錄入、剖面成圖、剖面地質(zhì)記錄卡錄入等的繁瑣步驟。并且無需仔細(xì)研究各種剖面計(jì)算公式，對技術(shù)要求不高，會(huì)錄入表格即可，大大節(jié)省了時(shí)間，提高了工作效率，也更加適合地質(zhì)工作數(shù)字化填圖發(fā)展方向。

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)的地質(zhì)剖面測量方法—導(dǎo)線法相比較，運(yùn)用GPS測量地質(zhì)剖面更加便捷，節(jié)省人力、物力，工作效率高，誤差小，比較適合黑龍江森林沼澤覆蓋區(qū)的工作環(huán)境。

(2)利用編制好的剖面計(jì)算表在數(shù)據(jù)處理方面具有諸多方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了剖面平差、剖面地質(zhì)記錄卡、剖面數(shù)字填圖中各種數(shù)據(jù)錄入生成的快速化、簡潔化、自動(dòng)化。使地質(zhì)剖面的數(shù)據(jù)處理工作簡潔、清晰、明了、迅速，大大提高了工作效率及對技術(shù)人員的技術(shù)要求。

(3)GPS法需要GPS的精度較高，且高程誤差較大，如GPS誤差不能滿足要求，可利用地形圖數(shù)據(jù)或者利用羅盤輔助測量。

致謝：感謝在文章寫作過程中各位同事的協(xié)助，感謝趙超、尹國良、梁科偉等同志對本文的指導(dǎo)、建議。