Trimble GeoXH手持機在土地整理復核中的應用

張貴豪，趙 欣

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004）

0 引言

耕地占補平衡是土地整理復核的一個重要環節，其傳統方法是根據竣工圖、現狀圖等紙制地圖，利用經緯儀等常規測量工具進行測量。該方法具有測量不方便、記錄的數據較多、計算繁多且不易定位等缺點［1］。全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是一種以人造地球衛星為基礎的高精度無線電導航的定位系統，它由空間部分（GPS衛星星座）、地面控制部分（地面監控系統）和用戶設備部分（GPS接收機）3部分組成。GPS以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活等優點吸引了眾多用戶，尤其是在位移監測、控制測量、精密工程測量等方面應用較廣［2］。

Trimble GeoXH手持機將衛星導航系統與定位系統結合在一起，具有體積小、容易攜帶、可單獨使用的特點，能實時進行三維坐標測量和導航。由于靈敏度與自動化程度較高，Trimble GeoXH手持機在大地測量、地質勘查、資源調查等眾多領域廣泛應用［3］。筆者以遼寧省土地整理復核項目為例，探討了Trimble GeoXH手持機和自編程序在土地整理復核項目中的應用。

1 Trimble GeoXH手持機的主要功能和優勢

1.1 主要功能

Trimble GeoXH手持機是一款內置雙頻GPS衛星接收天線的手持式數據采集器，具有數據處理與存儲等諸多功能。該儀器可利用內置天線進行載波相位測量，也可聯合基準站作業，并進行差分數據后處理，同時也可接收星基增強系統（Satellite Based Augmentation System，簡稱SBAS）的改正數或其他來源的改正數［4］。

1.2 主要優勢

Trimble GeoXH手持機的主要優勢是H-Star技術［5］。H-Star技術將數據采集與數據處理功能融合在一個軟件中，從而實現亞米級定位精度。H-Star技術的實質主要體現在改善數據質量、改進工作流程、差分后處理3個方面。

1.2.1 改善數據質量

H-Star技術是集成采集系統，采集數據的質量和精度均較高。

（1）GPS信號在傳播過程中，通常受多路徑效應影響。GPS信號是一種右旋極化波，反射后信號變為左旋極化波。Trimble GeoXH手持機天線內部帶有抑徑板，同時擁有EVEREST技術，可以濾除左旋極化的反射波。多路徑效應對應用H-Star技術的測量儀器的影響更弱。

（2）外接Zephyr天線的設計原則和H-Star技術設計原則一樣。Zephyr天線能夠接收L2信號，在HStar技術定位中，可利用L2信號得到高質量數據。

（3）Trimble GeoXH手持機可以接收雙頻GPS信號，能夠計算出基準站和流動站之間的電離層延遲誤差，并消除該誤差。

1.2.2 改進預估后處理精度（Estimated Post-processing Accuracy，簡稱PPA）所帶來的工作流程

用戶利用帶PPA功能的外業采集軟件采集數據時，不用擔心差分后處理精度是否滿足要求，所以可以高效地采集高質量的外業數據。

PPA的計算和顯示依賴于衛星幾何分布、天線類型、衛星鎖定的最小時長、假定的基站設備等。PPA顯示的是水平均方根誤差，表示差分后處理的結果中有63%的位置到實際位置的距離不超出所顯示的數值。

1.2.3H-Star差分后處理

Trimble GeoXH手持機支持H-Star技術，利用自身內置天線可以快速達到較高精度。如果加上Zephyr雙頻天線，經軟件后處理，數據精度可以達到更高［5］。

對于單獨的L1數據，可以用后處理軟件為電離層建模，并估算電離層誤差。如果加上L2數據，后處理軟件能夠測算出電離層誤差，并消除這個誤差。

2 WGS-84坐標系統與BJ-54坐標系統轉換原理

土地管理復核項目中的電子竣工圖大多是采用BJ-54坐標系統，而Trimble GeoXH手持機的默認坐標系統是世界大地坐標系WGS-84（World Geodetic System一1984Coordinate System），同時帶有其他國家和地區的坐標系統，但是無中國BJ-54坐標系統，所以需要進行坐標系統之間的轉換。

常見的坐標系統轉換方法有五參數法和七參數法，七參數法通常用于精度較高的測量作業中，而Trimble GeoXH手持機使用五參數法即可［6］。要將Trimble GeoXH手持機的WGS-84坐標數據轉換成BJ-54坐標數據，需要計算出2個坐標系統之間的轉換參數，即相應橢球對應的扁率和長半軸的差值DF、DA，同一點在不同空間直角坐標系中對應坐標值的差值DX、DY、DZ。

2.1 計算三維直角坐標

對于同一空間點，大地坐標系與空間直角坐標系的轉換關系如式（1）所示。

式中：X、Y、Z為空間直角坐標系下的坐標；B、L、H大地為大地坐標系下的坐標；N為卯酉圈曲率半徑；e為第一偏心率。N、e的值可以根據經緯度計算或從Trimble GeoXH手持機操作手冊獲?。?］。

將本地某個控制點BJ-54坐標系下的B、L、H大地值及該點在WGS-84坐標系下的觀測值B、L、H大地分別代入（1）式，計算出該點的三維直角坐標值X54、Y54、Z54與X84、Y84、Z84。

2.2 計算轉換參數

把公式（1）求得的兩個坐標系下對應的三維直角坐標分別代入式（2），計算出DX、DY、DZ的值。

DF、DA可以通過兩個已知坐標系統的相應基準數據相減獲得。

3 數據采集與處理

遼寧省土地整理復核項目的關鍵在于參數轉換與內業計算，其工作流程如圖1所示。

圖1 土地管理項目流程圖Fig.1 Flow of land management item

3.1 數據采集

3.1.1 獲取高等級控制點坐標

在國土管理部門取得作業區內或作業區附近3個或3個以上均勻分布的BJ-54坐標系下的國家高等級控制點坐標（X、Y）和正常高H正常高（部分國土部門同時也提供大地坐標）。

GPS Pathfinder Office軟件會自動根據輸入的BJ-54坐標和正常高計算出相應的大地坐標B、L、H大地。計算出的大地坐標B、L、H大地并不顯示出來，而是直接參與坐標轉換。

3.1.2 采集高等級控制點的WGS-84坐標

用Trimble GeoXH手持機測量相應控制點，獲取WGS-84坐標系下的大地坐標B、L、H大地。

3.1.3 坐標參數轉換及校核

先在電腦上利用天寶公司提供的GPS Pathfinder Office軟件計算出轉換參數，再自定義出BJ-54坐標系統。定義內容為：中央子午線經度輸入作業區中央子午線經度，投影比例參數默認為1.00000，東西偏差常數為500000m，南北偏差默認為0，基準轉換屬性輸入計算出的轉換參數DX、DY、DZ值，DA、DF的值由系統自動計算。

輸出格式為CSW的坐標文件，并將此文件與電子竣工圖同時導入Trimble GeoXH手持機。

轉換完成后，需要對參數的正確性進行校核。即在實地已知點上進行實施定位測量，當結果滿足精度要求時，說明轉換成功［8］。當結果超出誤差時，應查找原因并重新計算轉換參數。

3.1.4 點位采集

打開Trimble GeoXH手持機外業采集軟件Terrasync，在“坐標系統”設置中選擇自定義的BJ-54坐標系統，在“實時設置”中選擇“整合的SBAS”（目的是利用地區性星基增強系統）。然后，在實地進行點位采集。

在我國使用Trimble GeoXH手持機時，可以接收到日本的多功能衛星增強系統（MSAS）（Wide Area Augmentation System）所發送的廣域差分信號，經此信號改正后的GPS衛星數據的實時差分定位精度和后處理差分精度均可達到亞米級。

3.2 內業處理與精度分析

外業數據采集完畢后，用天寶Pathfinder Office軟件將采集的外業數據以DAT格式導出，用Auto CAD打開電子竣工圖，同時將采集的數據導入電子竣工圖進行復核。

3.3 精度分析

調用編寫LISP的計算程序（程序設計思路是提取界址點坐標和檢核點坐標，計算點位誤差和中誤差），輸出界址點和檢核點的坐標、點位誤差和中誤差，如表1所示。

表1 輸出的坐標與中誤差表Tab.1 Output coordinate and mean square error

（續表1 ）

將程序計算結果與人工計算的點位誤差與中誤差進行對比，程序計算的點位誤差與中誤差正確。從表1中可以，測點的中誤差為1.97m，最大點位誤差為3.82m，滿足最大點位誤差不能大于5m的檢核要求。同時，由記錄的地塊屬性（如坡度、耕地質量等）可以確定某塊地是否合格。根據記錄的地塊屬性及計算出的中誤差，本圖中的9個地塊可以確定為合格。

4 結語

Trimble GeoXH手持機與自編計算程序的聯合應用，使土地管理復核工作效率大為提高。H-Star技術的先進性使Trimble GeoXH手持機在土地管理復核項目中具有顯著的優越性，且該套工具攜帶方便、操作簡單，使得外業人員可以在很短的時間內獲得高精度的定位，降低了勞動強度，縮短了外業時間，明顯提高了外業工作的效率；在進行內業計算時，利用編寫的計算程序可以大大提高計算效率，使內業處理時間大為縮減。