手持GPS在基建考古调查中的应用

尤洪才

（黑龙江省文物考古研究所，黑龙江哈尔滨 150008）

随着改革开放的不断深入，社会经济的发展，基为我省考古工作的重要组成部分，而考古调查在基建考古中占有很大的比重。考古调查是田野考古的重要工作，它是在不破坏遗址和遗迹的情况下，发现和获取遗存资料，从而评估保护和发掘价值，是制定文物保护规划的基础。只有经过精细的调查，才能选定发掘地点和对象[1]。按传统考古调查的方法，我们通常要把工程建设单位提供的线路中线或占地区域边界的拐点坐标，展绘在1：5万的地形图上，在调查时，要用罗盘校正方向，不断找寻实地参照物来校准点位；发现遗址时，只能将遗址的位置大致标定在地形图中；用皮尺丈量的方式来估算遗址的面积。传统的调查方式不仅费时费力，更主要对遗址的位置和范围的实际判定带来了很大的误差。由于GPS技术的发展和普及，现代考古学研究GPS技术的应用得到了足够的重视，手持GPS在新时期的考古调查中，成为了一种能方便快捷地标定出考古调查的线路或区域，并可准确记录下遗址、遗存位置信息的工具，它的使用打破了传统基建考古调查的局限性 ，使得调查收集数据更准确、详尽。实时发送自身的载波信号、数据码、测距码等参数信

GPS即为全球卫星实时定位系统，它是通过卫星息，通过对信息的放大、变换和处理，解译出导航电文，实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，并经简单数据处理而实现实时导航和定位[2]。它由空间星座部分（21颗工作卫星、3颗备用轨道卫星）、地面跟踪监控部分（5个跟踪监测站、3个注入站、1个主控监测站）和设备用户（GPS信号采集器）三部分构成。手持GPS具有电子罗盘、测点、测距、航迹、建立航线、测面积、导航等功能。通过参数校正后，定位精度通常在5—10米，甚至更高，完全满足考古调查的精度要求。下面我们以2015年绥滨至名山公路改扩建工程项目中的改建路段(里程号K12+000—K17+000)基建考古调查工作为例，介绍手持GPS在基建考古调查工作中的应用。

1.坐标系统的转换

GPS定位采用WGS84坐标系，属于地心坐标系，而我们国家的地形图采用的1954年北京坐标系和1980年西安坐标系，属于参心坐标系，它们的基点与坐标轴的方向不同[3]。因此，确定地区性坐标系与全球坐标系的大地测量基准差，并进行两坐标系之间的坐标转换，是GPS在考古调查应用中经常遇到的一个重要问题。由于WGS84地心坐标系与我国应用的参心坐标系之间约有80—120米的差值，转换后可提高到5—10米的绝对定位精度。

1.1 坐标系统变量参数的计算

通常手持GPS采集器设置界面中的自定义坐标系统（User）显示有5个变量参数（DX、DY、DZ、DA、DF）需要进行设置。而实际工作中，后两个变量参数（DA、DF）对于北京54坐标系、西安80坐标系统固定不变（北京54坐标系DA=108.000、DF=0.0000005000；西安80坐标系DA=3.000、DF=0.000）,不必改动，前三个参数（DX、DY、DZ）需要我们进行测量计算获取，通称为三参数。这三个参数可以到测绘部门收集，在本次的基建考古调查工作中，我们应用的是省测绘局提供的参数值分别为DX=19、DY=-150、DZ=-85,平均误差在10米以内，满足考古调查的精度要求。若在其它的考古调查工作中收集不到，侧需要在已知点（如三角点、四等点）上进行测算。

（1）在两个坐标系统中至少需要3个GPS”B”级或以上公共点，即3个已知点在WGS84坐标系和在北京1954坐标系或西安1980坐标系中的坐标。在求解转换参数时，公共点坐标的误差对所求参数影响很大，因此所选公共点应满足以下要求：坐标点分布要均匀；点的数量要足够多，以便检校；坐标的精度足够高；覆盖面积要大，以免公共点坐标误差引起较大尺度比误差和旋转角度误差。

（2）计算不同坐标系三维直角坐标值。计算公式如下：

不同坐标系对应椭球的有关常数详见下表：

注：X、Y、Z分别为WGS84大地坐标系中的三维直角坐标；а为大地坐标系对应椭球之长半轴；e2 ƒ对应椭球第一偏心率； 为大地坐标系对应椭球之扁率；R为该点的卯酉圈曲率半径:R =а/(1- e2sinaB)。

（3）求出DX、DY、DZ

用计算出来 WGS84直角坐标系的X、Y、Z 值减去我国相对应坐标系（北京1954坐标系或者西安1980坐标系）的坐标值即可得出三个转换参数。

（4）参数验证。

在参数计算完成以后，为了避免错误，在利用GPS进行考古调查工作之前，必须对其进行检验校证。验证的方法是在考古调查区域或线路上选取1至2个已知点进行实测，实测值与测绘部门提供的理论值对比，若最大误差不大于10米.平均误差不大于5 米，则计算出的参数可以使用，否则要重新计算或查找出现问题的原因。

1.2 中央经线计算

（1）分度带

在我国，采用6度和3度分度带。6度带在赤道上的宽度约667km，其边缘的长度变形为0.00138，即每千米增长1.38米。因此，6°分带适于1：2.5万—1：50万的地形图，而大比例地形图常采用3度分带。

（2）6°分带

6°分带规定从起始子午线起，每6°为一带，由西向东将全球分为60带，依次用1、2、……60标记，以N6表示，称为带号。地面点的经度L与该点所在带的带号有如下关系：

而6度分带的带号N6与该带的中央子午线经度L6的关系：

L6= 6N6-3°

（3）3°分带

3°带规定是在6°带基础上划分的，从经度1.5°开始，由西往东每经差3°为一带，它的中央子午线一部分与6°带的中央子午线重合，一部分与6边°沿重合，全球共分120带。地面点的经度L与该点所在的带号N3有如下关系：

3°分带的带号 N3与该带的中央子午线经度 L3的关系：

L3= 3°N3

在我国境内6°分带的带号由13带到23带, 3°带由24带到45带,两者之间无重合带号。例如，里程号K12+000中心点位于东经131°55'53.80"，由公式计算可知，其6°带带号N6为22，3°带带号为44，相应投影带的中央子午线的经度L6和L3均为132°。

2.航线的创建及其导航功能

在对绥滨至名山公路考古调查时，我们采用的是GPS76型手持机，这款机型可以存储50条航线，每条航线可以包括125个航点。

2.1 存储航点

在此次调查中，工程建设部门为我们提供了CAD格式的线路坐标图，我们利用autoCAD软件将线路中线坐标结算出来，在这些坐标中，选取能决定线路走向的特征点（俗称拐点），并记下它们的里程号和坐标。再将这些拐点作成文本文件，然后传输到手持GPS中。也可以采用手动存点的方式，存储到GPS里。这些拐点就形成了航点，航点名可以按线路拐点所对应的里程号定义。如：点名K12+000，坐标x = 495060.7,y = 5254481.9。

2.2 建立航线

动到‘新的’按钮上，按下输入键确认将进入航线设

在手持GPS航线表的页面中，用方向键将光标移置页面，输入新航线名称，名称缺省时，系统将会把航线首尾航点默认为航线的名称。在此我们命名为“绥滨至名山-3”，用方向键将光标移动到“航点”，将我们事先存储的航点添加到航线中。航点录入完毕后，返回航线设置页面，新建的航线就会呈现于航线列表中了。

2.3 导航功能

的运动情况、当前位置、航线的位置以及航线上的航

当用航线导航时，在地图页面将会显示调查人员点。因此，我们在调查的过程中，要不断地修正自己的实际位置，始终保持当前位置落在航线上。

3 遗址的面积计算

3.1 航线法侧面积

我们以本次考古调查中发现的连介绍航线侧算面积的方法。连生西遗址处于连生乡连生西遗址为例，生村西500米处的乡间路旁的漫岗上。东距绥鹤公路500米，南临耕地，西临连生乡至长山村南北走向的乡间公路。首先我们侧存遗址中心坐标为N47°24'44.2"，E131°55'53.80"，然后沿着遗址的边界行进，每隔一段距离侧存一个航点，建立航线时，所有的边界航点依次相连，将遗址围成一个多边形，由于GPS76型GPS每条航线可以有125个航点，面积计算器最多可以求出125边形的面积。建立完航线后，将光标移至页面中的选项设置菜单，选择“面积计算”并按下确认键，系统就会将航线所圈围的面积自动计算出。通过航线法测算出该遗址的面积为999.8平方米。

3.2 航迹法测面积

只有当我们的GIS采集器在户外定位后,才能使用此功能进行测量面积。方法如下：

（1）户外开机当接收到4颗以上有效卫星信号连续按‘翻页’键至‘菜单’设置界面，将光标移至’，面积’处，按确认键，在面积单位的选择栏，根据我们调查的实际需要，选择合理的面积单位（常用的单位SQ:MT:平方米、SQ:KM 平方米），在测算面积之前，清除之前航迹，将面积归零。

（2）结束清零及单位选择后，开始行走，当走完一个闭合轨迹后，按确认键两次，即可测算出面积结果。手持GPS为动态卫星定位系统，其测量精度容易受到各种外界因素的干扰，为了提高测量的准确性，可采用多次测量取平均值的方法。同时在行进过程中，要保持匀速。

4 结 语

手持GPS采集接收机的出现，在一定程度上提高了我们考古调查的工作效率，大大节省了人力、物力的投入。但是，它在工作过程中至少要接受到4颗卫星信号，才能进行三维定位，为了提高定位精度要求接受到的卫星数量甚至更多。然而，在考古调查的部分区域，树木植被、房屋建筑高大、密集，对卫星信号遮挡严重，所测数据误差较大，这时可以采用跟传统调查方法相结合的方式。

注释

[1]张之恒：《中国考古学通论》[M]南京大学出版社1991年

[2]左美蓉：《GPS测量技术》[M]武汉大学出版社2012年。

[3]黄文彬等：《GPS测量原理与方法》中国水利水电出版社 2010年