唐廷元,付波霖,劉衛(wèi)東,婁佩卿,閉 璐,高二濤,范冬林

(1.桂林理工大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541006;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,長沙 410004)

0 引 言

測繪科學(xué)與工程作為專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科, 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 測量手段與科技產(chǎn)品融合已成為必然的趨勢[1-2]。 傳統(tǒng)的水準測量采用的是內(nèi)外業(yè)分離模式, 即通過外業(yè)觀測所得數(shù)據(jù)后, 再進行內(nèi)業(yè)平差處理[3-4]。 外業(yè)觀測中人工記錄和檢核數(shù)據(jù), 以及內(nèi)業(yè)復(fù)雜的平差處理消耗了大量的時間, 降低了測量工作的效率, 同時外業(yè)觀測也存在數(shù)據(jù)檢核不及時、 成果精度不易控制等缺點[5-6]。 第41次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》顯示, 手機網(wǎng)民規(guī)模達7.53億, 與此同時臺式電腦、 筆記本電腦、 平板電腦的使用率均出現(xiàn)下降, 手機不斷擠占其他個人上網(wǎng)設(shè)備的使用[7]。 微信作為下載量最多的手機APP之一, 根據(jù)微信發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示, 在2018年第一季度微信月平均活躍用戶達到10億, 已經(jīng)成為移動互聯(lián)網(wǎng)中心之一[8-9]。 2017年1月9日推出的微信小程序擁有觸手可及、 無需下載、 用完即走、 無需卸載的特點, 被稱為 APP 的替代品[10-11]。 作為一種新的發(fā)展方向, 它與生活相融合, 以便捷性為目的,以輕量級和高便利性共享為特征[12-13]。

為了改變傳統(tǒng)水準測量內(nèi)外業(yè)分離[14]的現(xiàn)狀, 以及解決現(xiàn)有基于Android的水準測量程序中繁瑣的下載安裝再使用和占用手機內(nèi)存的問題, 提高水準測量效率， 本文整合四等水準測量外業(yè)觀測中的數(shù)據(jù)記錄、 檢核以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)計算、 平差的工作,設(shè)計了一款基于微信程序的水準測量程序。 在測量工作中記錄數(shù)據(jù)并檢核數(shù)據(jù)、 控制成果精度,測量完成后進行內(nèi)業(yè)平差計算, 實驗表明，測量效率明顯提升。 本研究有助于實現(xiàn)測量內(nèi)外業(yè)一體化, 并且為以后更多的前沿科技產(chǎn)品與測量工作相結(jié)合提供了借鑒, 促進了測量事業(yè)長遠發(fā)展。

1 程序架構(gòu)

“水準計算”程序是在微信APP上實現(xiàn)的,可在微信APP上搜索“水準計算”進入使用。程序的主要功能包括測量中數(shù)據(jù)記錄、 數(shù)據(jù)檢核，測量完成后數(shù)據(jù)平差以及成果顯示，具體地:1)數(shù)據(jù)記錄: 分階段按照單次測站的數(shù)據(jù)進行記錄, 包括前后視尺黑面的上中下絲和紅面的中絲讀數(shù); 2)數(shù)據(jù)檢核:數(shù)據(jù)記錄后,計算出前后視距差和累積視距差,檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量;3)數(shù)據(jù)計算:測量數(shù)據(jù)記錄完成以后,計算閉合差和高差中數(shù),檢驗測段閉合差并平差數(shù)據(jù)出成果;4)成果顯示:將測量數(shù)據(jù)和平差結(jié)果顯示在小程序頁面端。程序主要功能模塊如圖1所示。

圖1 程序功能模塊Fig.1 Program functions of each module

2 程序?qū)崿F(xiàn)過程

整個程序的流程分為: ①操作說明: 對程序的流程說明和四等水準測量操作步驟的簡述; ②數(shù)據(jù)記錄:包括輸入測量的相關(guān)信息、 已知數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù); ③數(shù)據(jù)檢驗:檢驗前后視距差以及累計值等,若超限, 則需要重新測量; ④數(shù)據(jù)計算: 聯(lián)合已知數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)求出高差中數(shù)和閉合差;⑤數(shù)據(jù)平差: 閉合差滿足精度要求后, 對數(shù)據(jù)按照誤差理論和平差基礎(chǔ)[15]進行平差計算, 得到成果; ⑥成果顯示: 在界面上顯示計算后的數(shù)據(jù)成果。

2.1 操作說明和記錄數(shù)據(jù)

操作說明為程序的第一步驟, 也是用戶了解和操作程序的關(guān)鍵, 包括程序的操作流程和注意事項以及四等水準測量的操作步驟,目的是讓用戶增加對四等水準測量的了解以及快速上手操作(圖2a)。 作為后續(xù)數(shù)據(jù)存儲與平差的基礎(chǔ), 記錄數(shù)據(jù)是整個流程的核心步驟之一, 包括四等水準測量工作的相關(guān)信息、 測量項目的已知數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。 其中，相關(guān)信息包括測量工作項目名稱、 測段名稱、 測量時間、 天氣和記錄人; 已知數(shù)據(jù)包括起點、 終點高程信息, 如果起、終點高程相同，則為閉合水準測量,反之, 則為附合水準測量(圖2b)。 而觀測數(shù)據(jù)是在四等水準測量觀測時分測站點進行記錄(圖2c),一個測站點對應(yīng)一個輸入彈窗, 總的彈窗數(shù)根據(jù)實際測量工作而定。

圖2 水準測量微信程序Fig.2 Leveling WeChat program

2.2 計算數(shù)據(jù)和成果顯示

在記錄測站點的觀測數(shù)據(jù)后,程序會計算測點的前后視距差,再依據(jù)《國家三、四等水準測量規(guī)范》(GB/T 12898—2009)(以下簡稱《規(guī)范》)要求檢驗是否超限,若沒有超限則可以保存數(shù)據(jù)繼續(xù)測量,反之會提示需要重測[16-17]。本程序操作可控制成果的精度,節(jié)約測量時間。數(shù)據(jù)記錄完,程序會計算出閉合差和高差中數(shù),并與允許閉合差比較,若大于允許閉合差會提示“閉合差超限,重測”；反之，就可開始平差。

平差計算是按地形分類計算， 若為山地, 則按測站數(shù)對閉合差平均分配到各個觀測高差值中; 若為平地, 則按各測站點的前后視距值的比例將閉合差分配到各個觀測高差值中[18]。 平差計算后得到平差的高差值, 再根據(jù)已知點數(shù)據(jù), 計算出未知點的高程值， 完成計算數(shù)據(jù)后, 程序可顯示數(shù)據(jù)成果。 數(shù)據(jù)成果包括平差后的高差值和高程值。

3 程序的應(yīng)用及精度檢驗

3.1 程序應(yīng)用

以桂林理工大學(xué)雁山校區(qū)為試驗區(qū), 選取3個典型區(qū)域, 綜合利用“水準計算”程序和南方DSZ2自動安平水準儀進行四等水準測量。

第一區(qū)域為圖書館的北邊,區(qū)域地勢較為平緩。四等水準測量路線為第三教學(xué)樓東側(cè)→第一食堂→第四教學(xué)樓北側(cè)、西側(cè)→籃球場東側(cè)、南側(cè),水準路線如圖3a所示,其中一實景如圖3b所示。

圖3 四等水準測量第一區(qū)域Fig.3 First area of fourth order leveling

第二區(qū)域位于圖書館的西邊，區(qū)域既有起伏路段，也有平緩路段。四等水準測量路線為第八教學(xué)樓北側(cè)→第七教學(xué)樓北側(cè)→第六教學(xué)樓東側(cè)→第五教學(xué)樓東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)→第六教學(xué)樓西側(cè)，大概路線如圖4a所示，其中一實景如圖4b所示。

圖4 四等水準測量第二區(qū)域Fig.4 Second area of fourth order leveling

第三區(qū)域為圖書館和學(xué)校南門中間區(qū)域，該區(qū)域地勢較為起伏。四等水準測量路線為學(xué)校南門的T字路口→第二食堂→第八教學(xué)樓南側(cè)→第七教學(xué)樓南側(cè)，大概路線如圖5a所示，其中一實景如圖5b所示。按照路線進行四等水準測量，實景圖各區(qū)域的部分觀測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各區(qū)域四等水準測量部分觀測數(shù)據(jù)Table 1 Partial observation data of fourth order leveling in each area

圖5 四等水準測量第三區(qū)域Fig.5 Third area of fourth order leveling

結(jié)合“水準計算”微信程序的使用,第一、二、三區(qū)域四等水準測量結(jié)果分別如圖6a—c所示。通過觀測數(shù)據(jù)的運算,3次四等水準測量的觀測數(shù)據(jù)符合《規(guī)范》要求。3次四等水準測量,使用“水準計算”微信程序與人工記錄計算的操作及結(jié)果對比,表明兩者測量的前后視距差、累計視距差和閉合差等計算結(jié)果一致,證明“水準計算”微信程序可在四等水準測量外業(yè)中使用。

圖6 各區(qū)域數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.6 Domain data results from each area

3.2 程序平差結(jié)果對比

對3個測量區(qū)域進行四等水準測量,結(jié)合“水準計算”微信程序的記錄計算,利用已知點高程信息得到未知點的高程值。在南方平差易2002軟件中,輸入3個區(qū)域四等水準測量觀測高差對其平差。比較“水準計算”微信程序和南方平差易2002軟件計算出的平差后的未知點高程,得出差值,結(jié)果見表2，再由Origin 2017繪制差值散點圖7。

圖7 測站平差后高程差值Fig.7 Height difference after station adjustment

表2 平差后高程值Table 2 Adjustment after elevation value m

綜合可知,“水準計算”程序平差后高程值與南方平差易2002軟件相差0～2 mm,其原因在于該程序平差采用的是概略平差，而南方平差易2002軟件采用的是嚴密平差,兩者采用的平差理論不同,平差結(jié)果也有一定的差異。兩程序平差后高差相差0～2 mm,表明了該程序的計算數(shù)據(jù)成果無誤,也證明了“水準測量”微信程序能在四等水準測量中配合使用。

4 結(jié)束語

本文利用“水準計算”微信程序在桂林理工大學(xué)雁山校區(qū),采用南方DSZ2自動安平水準儀選擇3個區(qū)域進行四等水準測量，所得的結(jié)果與南方平差易2002軟件運算結(jié)果比較,精度相差在0～2 mm以內(nèi),表明該程序計算結(jié)果無誤,證明該程序適用于各種地形下的四等水準測量工作或教學(xué)中,且有較高的精度。

基于微信程序的水準測量程序是測量手段與科技產(chǎn)品的一次結(jié)合,目的在于簡化水準測量的操作,使測量工作內(nèi)外業(yè)結(jié)合、縮短外業(yè)測量時間、方便外業(yè)工作者,更使得微信程序的應(yīng)用更加全面化、豐富化。該程序具有數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)檢核和數(shù)據(jù)計算、平差的功能,可代替手工記錄、手工計算的操作。

由于微信程序平臺尚不夠完善以及個人能力所限,本研究仍存在不足——還不能對平差后的結(jié)果生成文件,不利于成果記錄與存檔，且目前只能運用于水準測量,下一步研究可以增加其功能多樣性,如導(dǎo)線測量、控制測量。