地质罗盘使用方法野外实地详解

地质罗盘的使用方法（含磁偏角校正）。地质罗盘仪是进行野外地质工作必不可少的一种工具。借助它可以定出方向，观察点的所在位置，测出任何一个观察面的空间位置(如岩层层面、褶皱轴面、断层面、节理面等构造面的空间位置)，以及测定火成岩的各种构造要素，矿体的产状等。

1. 地质罗盘的结构

地质罗盘式样很多，但结构基本是一致的，我们常用的是圆盆式地质罗盘仪。由磁针、刻度盘、测斜仪、瞄准觇板、水准器等几部分安装在一个铜、铝或木制的圆盆内组成，如下图：

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磁针：一般为中间宽两边尖的菱形钢针，安装在底盘中央的顶针上，可自由转动，不用时应旋紧制动螺丝，将磁针抬起压在盖玻璃上避免磁针帽与项针尖的碰撞，以保护顶针尖，延长罗盘使用时间。在进行测量时放松固动螺丝，使磁针自由摆动，最后静止时磁针的指向就是磁针子午线方向。由于我国位于北半球磁针两端所受磁力不等，使磁针失去平衡。为了使磁针保持平衡常在磁针南端绕上几圈铜丝，用此也便于区分磁针的南北两端。

水平刻度盘：水平刻度盘的刻度是采用这样的标示方式：从零度开始按逆时针方向每10°一记录，连续刻至360°，0°和180°分别为N和S，90°和270°分别为E和W，利用它可以直接测得地面两点间直线的磁方位角。

竖直刻度盘：专用来读倾角和坡角读数，以E或W位置为0°，以S或N为90°，每隔10°标记相应数字。

悬锥：是测斜器的重要组成部分，悬挂在磁针的轴下方，通过底盘处的觇板手可使悬锥转动，悬锥中央的尖端所指刻度即为倾角或坡角的度数。

水准器：通常有两个，分别装在圆形玻璃管中，圆形水准器固定在底盘上，长形水准器固定在测斜仪上。

瞄准器：包括接物和接目觇板，反光镜中间有细线，下部有透明小孔，使眼睛，细线，目的物三者成一线，作瞄准之用。

2. 地质罗盘的使用方法

在使用前必须进行磁偏角的校正。因为地磁的南、北两极与地理上的南北两极位置不完全相符，即磁子午线与地理子午线不相重合，地球上任一点的磁北方向与该点的正北方向不一致，这两方向间的夹角叫磁偏角。

地球上某点磁针北端偏于正北方向的东边叫做东偏，偏于西边称西偏。东偏为(+)西偏为(-)。

地球上各地的磁偏角都按期计算，公布以备查用。若某点的磁偏角已知（则一测线的磁方位角A磁和正北方位角A的关系为A等于A磁加减磁偏角）。应用这一原理可进行磁偏角的校正，校正时可旋动罗盘的刻度螺旋，使水平刻度盘向左或向右转动，(磁偏角东偏则向右，西偏则向左)，使罗盘底盘南北刻度线与水平刻度盘0～180°连线间夹角等于磁偏角。经校正后测量时的读数就为真方位角。

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目的物方位的测量

是测定目的物与测者间的相对位置关系，也就是测定目的物的方位角(方位角是指从子午线顺时针方向到该测线的夹角)。

测量时放松制动螺丝，使对物觇板指向测物，即使罗盘北端对着目的物，南端靠着自己，进行瞄准，使目的物，对物觇板小孔，盖玻璃上的细丝，对目觇板小孔等连在一直线上，同时使底盘水准器水泡居中，待磁针静止时指北针所指度数即为所测目的物之方位角。(若指针一时静止不了，可读磁针摆动时最小度数的二分之一处，测量其它要素读数时亦同样)。

若用测量的对物觇板对着测者(此时罗盘南端对着目的物)进行瞄准时，指北针读数表示测者位于测物的什么方向，此时指南针所示读数才是目的物位于测者什么方向，与前者比较这是因为两次用罗盘瞄准测物时罗盘之南、北两端正好颠倒，故影响测物与测者的相对位置。

为了避免时而读指北针，时而读指南针，产生混淆，应以对物觇板指着所求方向恒读指北针，此时所得读数即所求测物之方位角。

记录时除记方位角外，还要冠以所处相限名称，如SW230°，其中230°是方位角，SW是相限称呼。

在地形图上定点

利用地形地物定点：如果所在地点地面有明显的地形地物标志（如房屋、塔、山头、三角架、桥梁、河沟或道路拐弯处等），可利用该点的标志物在地形图上找到其位置。

交汇法定点：如果所在地点地面无明显地形地物标志，则可利用罗盘测定不在同一方位上的2～3个目标物的方位角，然后在地形图上通过所测的2～3个目标物，作出2～3条方位线，其交点即为所求地点。这种方法称为交汇法，其中三点交汇法更准确。

岩层产状要素的测量

岩层的空间位置决定于其产状要素，岩层产状要素包括岩层的走向、倾向和倾角。

（1）岩层走向的测定

岩层走向（strike）：是指岩层层面与水平面交线的方向也就是岩层任一高度上水平线的延伸方向，其交线叫走向线。走向表示岩层在空间的水平延伸方向，用走向线的地理方位角来表示（0°～360°）。由于走向线有两个延伸方向，故同一岩层的走向有两个值，两者数值相差180°。

测量时将罗盘长边与层面紧贴；如罗盘无长边，则取与南北方向平行的边与层面紧贴。然后转动罗盘，使底盘水准器的水泡居中，读出指针所指刻度即为岩层之走向。

因为走向是代表一条直线的方向，它可以两边延伸，指南针或指北针所读数正是该直线之两端延伸方向，如NE30°与SW210°均可代表该岩层之走向。

（2）岩层倾向的测定

岩层倾向（dip）：岩层面上垂直于走向线向下所引的直线称为倾斜线，倾斜线在水平面上的投影所指的方向称为倾向。倾向表示岩层在空间的倾斜方向，一般用地理方位角表示（0°～360°），其数值与走向相差90°。岩层的倾值只有一个。

测量时，将罗盘北端或接物觇板指向倾斜方向，罗盘南端紧靠着层面并转动罗盘，使底盘水准器水泡居中，读指北针所指刻度即为岩层的倾向（见下图）。

假若在岩层顶面上进行测量有困难，也可以在岩层底面上测量仍用对物觇板指向岩层倾斜方向，罗盘北端紧靠底面，读指北针即可，假若测量底面时读指北针受障碍时，则用罗盘南端紧靠岩层底面，读指南针亦可。

（3）岩层倾角测量

岩层倾角（dipangle）：是指倾斜线与其在水平面上的投影线之间的夹角称倾角（或真倾角）。它是岩层面与水平面之间的最大锐角，倾角值为0°～90°。在不垂直岩层走向线的任何方向上量得的倾角称视倾角或假倾角，视倾角总是小于真倾角。

野外分辨层面之真倾斜方向甚为重要，它恒与走向垂直，此外可用小石子使之在层面上滚动或滴水使之在层面上流动，此滚动或流动之方向即为层面之真倾斜方向。

测量时将罗盘直立，并以长边靠着岩层的真倾斜线，沿着层面左右移动罗盘，并用中指搬动罗盘底部之活动扳手，使测斜水准器水泡居中，读出悬锥中尖所指最大读数，即为岩层之真倾角。

（4）岩层产状的记录

岩层产状的记录方式通常采用下面的方式：如果测量出某一岩层走向为310°，倾向为220°，倾角35°，则记录为NW310°／SW∠35°或310°／SW∠35°或220°∠35°。

在实际工作中为了简便，只要测量和记录岩层的倾向和倾角即可，写法如SW220°∠35°，因为走向与倾向相差90°(夹角)，如果知道了倾向，加减90°就是走向度数了。例如220°+ 90°=NW310°，或220°－90°=SE130°。如果要将走向、倾向和倾角三者标在图上时，写的符号是├30°，长线方向表示走向，短线表示倾向(SW220°)，数字代表倾角。

野外测量岩层产状时需要在岩层露头测量，不能在转石(滚石)上测量，因此要区分露头和滚石。区别露头和滚石，主要是多观察和追索并要善于判断。

测量岩层面的产状时，如果岩层凹凸不平，可把记录本平放在岩层上当作层面以便进行测量。

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3. 坐标转换与参数计算介绍

大地坐标系之间的转换一直是导航领域十分关注的课题，在GPS的应用中有着必不可少的作用。随着GPS越来越广泛的使用，其精度要求也越来越高，大地坐标系之间的转换的重要性日趋明显，甚至许多项目的成败完全取决于坐标系统的转换和转换精度。随着计算机技术及移动互联网的飞速发展，数据的处理和信息的传递突破了时间和地域的限制，作为信息时代的产物和宠儿，全球定位系统得到了空前的发展和应用，为空间定位提供了准确、可靠的数据，而这些准确、可靠的数据更需要算法的支持。在手机软件测量大师的开发过程中，我有幸涉猎到该领域的算法知识。在这里我将分别从坐标系统基本理论、不同坐标系及不同椭球间的坐标转换、测量大师中的坐标转换方法及参数计算过程这几个方面来进行简单介绍。

（1）地球椭球的基本概念

在测量学中，把用来表示地球的椭球称为地球椭球，它是地球的数学表示，是经过一定选择的旋转椭球。参考椭球是具有一定的几何参数、定位以及定向的用来表示某一大地面的地球椭球。各个国家根据局部的天文、大地和重力的测量资料，研究当地大地水准面的情况，确定一个与地球椭球接近的椭球，用来表示地球的参考形状及大小，以此作为处理大地测量成果的依据，一般称这个椭球的外表面为参考椭球面。参考椭球只能较好的接近大地水准面，并不能反映大地体的一切情况。

参考椭球 

旋转椭球是某椭圆绕其自身短轴旋转而成的几何形体。子午椭圆的五个基本元素分别为:长半轴a、短半轴b、扁率f、椭圆第一偏心率e、椭圆第二偏心率e’。这其中，a, b为长度元素，f体现了椭球的扁平程度。e和e’为椭圆的焦点偏离中心的距离与其半径的比值。要确定旋转椭球的形状和大小，只要知道这五个基本参数中的一个长度元素和其他任意一个参数便足够了。如图1所示，O为椭球中心，NS是旋转轴，a是长半轴，b是短半轴。子午面是通过椭球旋转轴的平面，其与椭球面的交线叫做子午圈；平行圈是椭球面与垂直于旋转轴的平面截得的圆，这其中经过椭球中心O的平行圈叫做赤道。

（2）常用坐标表现形式

为了表示椭球面上点的位置，必须建立相应的坐标系，选用不同的坐标系，其坐标表现形式也不同。椭球点上的位置，在大地测量学中通常采用的坐标系有大地坐标系，空间直角坐标系，平面直角坐标系等。在同一参考椭球基准下，大地坐标系，空间直角坐标系，平面直角坐标系是等价的，是一一对应的，只是不同的坐标表现形式。

大地坐标系：大地坐标系是大地测量的基本坐标系，是全世界公用的最方便的坐标系统，对于研究地球形状、编制地图和大地测量的计算等方面都有很大作用。如下图所示在大地坐标系中，空间中任意点的位置采用大地纬度B、大地经度L和大地高H来表示。大地纬度是指空间中某一点P的法线与赤道面的夹角，赤道以北叫做北纬；赤道以南叫做南纬。大地经度是指P点所在的子午面与参考椭球的起始子午面所构成的夹角，起始子午面以东叫做东经，起始子午面以西叫做西经。大地高H即空间的点沿着参考椭球的法线方向到椭球面的距离，由椭球面起算，向外为正，向内为负。它与正高H正和正常高H正常，存在以下关系:H=H正+N(大地水准面差距)

大地坐标系示意图

大地高程示意图

空间直角坐标：空间直角坐标系的坐标原点为椭球的中心，X轴为赤道面和起始子午面的交线;将在赤道面上并与X轴垂直的方向定为Y轴;坐标系的Z轴为椭球的旋转轴，由此构成右手直角坐标系0-XYZ。

空间直角坐标系示意图

平面直角坐标：在小范围内进行测量工作时如果用大地坐标来描绘点的空间位置是不适宜的，因此经常采用平面直角坐标。测量学中的平面直角坐标系是利用某种投影变换例如高斯投影如图所示，将空间坐标经数学变换映射至平面上，投影变换的方法很多，我国通常采用高斯投影，因此在我国平面直角坐标系通常也称为高斯平面直角坐标系。一般选择高斯投影平面作为坐标平面，与数学中的平面直角坐标系不同的是，其x轴为纵轴，上(北)为正，Y轴为横轴，右(东)为正，方位角是从北方向为准按顺时针方向计算出的夹角。

高斯投影平面直角坐标系

测量坐标转换一般包括两方面的内容:坐标系转换和坐标基准转换。

同一坐标基准下，空间点不同表现形式的转换叫做坐标系转换。如在WGS-84坐标系下，某点的大地坐标(B, L, H)与空间直角坐标(X,Y, Z)之间的转换。

坐标基准转换则为在不同坐标基准下的同一坐标表现形式的转换，必须求定两个不同坐标基准的转换参数才能进行转换。如1954北京坐标系标系与2000国家大地坐标系下空间直角坐标的转换。因此，从理论上讲，结合坐标系转换和坐标基准转换，便能在数据量足够多并精确的条件下，实现任意两个坐标基准之间不同坐标形式的转换。具体流程下图所示：  

坐标系转换及基准转换关系

在工程上使用的坐标主要是小区域范围的平面投影坐标，因此在接收机获取到WGS84的经纬度坐标时需要做进一步的坐标转换，我们测量大师已经满足需求。这里介绍一下测量大师中涉及的坐标转换方法，其包括以下三种：四参数+高程拟合法（一步法）、七参数+四参数+高程拟合法（两步法）、七参数法。

这里以WGS-84椭球下的坐标系转换到北京54椭球坐标系的过程为例来介绍这三种转换过程。如下图所示，由接收机获取到的WGS-84的大地坐标（BLH）经过坐标系转换成WGS-84空间直角坐标系，然后直接赋值给北京54空间直角坐标系，在北京54椭球参数下进行空间直角坐标向大地坐标（BLH）转换，然后在进行高斯投影，从而获得平面直角坐标。这里获取的投影坐标是有误差的，因此要通过提供四参数以及高程拟合参数分别对平面坐标及高程异常进行水平垂直矫正。

如下图所示，在WGS-84空间直角坐标向北京54空间直角坐标转换过程中需要已知的椭球间的转换七参数进行转换，然后在最后进行平面及高程矫正。下图中，提供椭球间转换七参数即可，转换结果不进行矫正。

七参数法

在使用测量大师做参数计算时，当选择四参数+高程拟合参数的方法时，四参数及高程拟合参数计算如下图所示。首先要有至少两组GNSS坐标和已知控制点坐标；①先按照红色箭头的流程进行坐标转换，当转换到北京54平面投影坐标时，开始根据转换得到的坐标和已知的控制点平面坐标进行计算四参数。②再按照绿色箭头流程进行高程传递，根据转换得到的高和已知高计算出高程异常值，最后根据高程拟合算法进行计算拟合参数。其中这里的高程拟合方法包括：加权平均值法、平面拟合法、曲面拟合法、带状拟合法。  

当选择七参数+四参数+高程拟合参数法时，算法流程如下图所示：首先要确保至少三组GNSS坐标和已知控制点坐标；①先按照红色箭头流程，左侧WGS-84大地坐标转换成WGS-84空间直角坐标，右侧由地方控制点坐标直接通过逆投影转换成北京54大地坐标，然后再转成北京54空间直角坐标，最后通过至少三组WGS-84空间直角坐标和北京54空间直角坐标计算出七参数；②再按照绿色箭头流程，将已知GNSS坐标转换成WGS-84空间直角坐标，再使用①流程计算出的七参数进行基准转换成北京54空间直角坐标，并进一步转换成北京54平面坐标，从而与地方平面坐标进行对比计算出四参数；③最后按照蓝色箭头流程通过七参数和四参数进行坐标转换，计算出高程异常值，进行高程拟合从而得到高程拟合参数。

（3）成果展示

参数计算方法已实现四参数+高程拟合法、七参数+四参数+高程拟合法、七参数法如图1所示，高程拟合方法已实现加权平均法、平面拟合法、曲面拟合法、带状拟合法以及保留上一版本的垂直平差法如图1所示。由图2、3、4可以看出我们的软件计算精度比肩同行软件，已经满足工程需求及市场需求。