基于水準(zhǔn)路線自動(dòng)平差的原始數(shù)據(jù)反求系統(tǒng)

金忠誠

摘? ? 要：在測繪學(xué)多門課程的教學(xué)過程中，教師必須給學(xué)生布置習(xí)題和考試題。出題過程中，需要有測繪數(shù)據(jù)作為原始資料。如果使用真實(shí)的測繪數(shù)據(jù)，就需要由很多人在現(xiàn)場長時(shí)間地采集才能得到，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而手工自編測繪數(shù)據(jù)，對(duì)于教師的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)要求都很高，需要長時(shí)間反復(fù)計(jì)算，還容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。本文研究了由計(jì)算機(jī)替代人工自動(dòng)生成水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的方法，介紹了基于該方法編寫的計(jì)算機(jī)程序。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)路線;自動(dòng)平差;原始數(shù)據(jù);反求系統(tǒng)

1? 水準(zhǔn)測量

1.1? ?水準(zhǔn)測量原理

水準(zhǔn)測量是測定地面點(diǎn)高程的主要方法之一。水準(zhǔn)測量是使用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺，根據(jù)水平視線測定兩點(diǎn)之間的高差，從而由已知點(diǎn)的高程推出未知點(diǎn)的高程。

若已知A點(diǎn)的高程[HA]，求未知點(diǎn)B的高程[HB] 。首先A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的高差[hAB]，于是B點(diǎn)的高程為[HB] 為：

由此計(jì)算出B點(diǎn)的高程。

測量高差hAB的原理：在A、B兩點(diǎn)上各豎立一根水準(zhǔn)尺，并在A、B兩點(diǎn)之間安置一架水準(zhǔn)儀，根據(jù)水準(zhǔn)儀提供的水平視線在水準(zhǔn)尺上讀數(shù)。設(shè)水準(zhǔn)測量的前進(jìn)方向是由A點(diǎn)向B點(diǎn)，則規(guī)定A點(diǎn)為后視點(diǎn)，其水準(zhǔn)尺讀數(shù)為a，稱為后視讀數(shù);B點(diǎn)為前視點(diǎn)，其水準(zhǔn)尺讀數(shù)為b，稱之為前視讀數(shù)。則A、B兩點(diǎn)之間的高差為：

于是B點(diǎn)的高程HB可按下式計(jì)算：

為了避免計(jì)算高差時(shí)發(fā)生正、負(fù)號(hào)的錯(cuò)誤，在書寫高差[hAB]時(shí)必須注意h下標(biāo)的寫法。例如，[hAB]是表示有A點(diǎn)至B點(diǎn)的高差;而[hAB]表示由B點(diǎn)至A點(diǎn)的高差，即

當(dāng)安置一次水準(zhǔn)儀根據(jù)一個(gè)已知高程的后視點(diǎn)，需求出若干個(gè)未知點(diǎn)的高程時(shí)，用上式計(jì)算較為方便，此法稱之為視線高法，在建筑工程中經(jīng)常應(yīng)用。

1.2? 水準(zhǔn)測量方法

水準(zhǔn)測量是當(dāng)A、B兩點(diǎn)相距不遠(yuǎn)的情況，這時(shí)通過水準(zhǔn)儀可以直接在水準(zhǔn)尺上讀數(shù)，且能保證一定的讀數(shù)精度。如果兩點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)或者高差較大時(shí)，僅安置一次儀器便不能測得它們的高差，這時(shí)需要若干個(gè)臨時(shí)的立尺點(diǎn)，作為傳遞高程的過渡點(diǎn)，成為轉(zhuǎn)點(diǎn)。

欲求出A點(diǎn)至B點(diǎn)的高差[hAB]，選擇一條施測路線，用水準(zhǔn)儀依次測出A1的高差hA1、12的高差h12等，直到最后測出 [nB]的高差[hnB]，每安置一次儀器，稱為一個(gè)測站，而1，2，3，……n等點(diǎn)即為轉(zhuǎn)點(diǎn)。高差[hAB]由下式算得：

在實(shí)際作業(yè)中可先算出各測站的高差，然后去他們的總和而得[hAB]，檢核計(jì)算是否正確。

1.3? ?電子水準(zhǔn)儀測量方法

用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量時(shí)，儀器的安置、整平、照準(zhǔn)、調(diào)焦等步驟與光學(xué)水準(zhǔn)儀一樣。測量時(shí)，選取好測量模式，瞄準(zhǔn)標(biāo)尺，點(diǎn)擊測量鍵開始測量，儀器將同時(shí)測量距離和標(biāo)尺上的讀數(shù)。測量完成后，距離和高差等結(jié)果就顯示在屏幕上，并可按記錄鍵保存測量結(jié)果結(jié)果。

2? 基于水準(zhǔn)路線自動(dòng)平差的原始數(shù)據(jù)反求系統(tǒng)

Visual Basic，簡稱VB，是當(dāng)今世界上使用最廣泛的編程語言之一，它也被公認(rèn)為是編程效率最高的一種編程方法。無論是開發(fā)功能強(qiáng)大、性能可靠的商務(wù)軟件，還是編寫能處理實(shí)際問題的實(shí)用小程序，VB都是相對(duì)比較快速、簡便的方法。

在VB程序語言環(huán)境下編寫軟件包括兩個(gè)方面，即窗體設(shè)計(jì)和代碼編寫。窗體即為軟件的操作中界面，是程序設(shè)計(jì)中極為重要的一環(huán)， 程序操作界面和數(shù)據(jù)輸入窗口，利用簡單的VB窗體設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，通過文本框來讀取需要的起始數(shù)據(jù)、展示并記錄運(yùn)算結(jié)果，設(shè)置對(duì)應(yīng)的按鈕來觸發(fā)不同運(yùn)算要求索需要運(yùn)行的程序;代碼的編寫需要依據(jù)不同水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和不同等級(jí)水準(zhǔn)測量限差要求，分別設(shè)計(jì)編寫了光學(xué)和電子水準(zhǔn)儀原始數(shù)據(jù)反求程序軟件。

該程序只需根據(jù)情況輸入起始高程，鍵入所要的測量等級(jí)、需要的測站數(shù)和高差閉合差，輸入完成控制條件后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，隨機(jī)產(chǎn)生各點(diǎn)高程和距離，自動(dòng)計(jì)算閉合差限差判斷閉合差時(shí)都超限。

然后根據(jù)個(gè)點(diǎn)高程，運(yùn)用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生各個(gè)測站的水準(zhǔn)尺讀數(shù)，自動(dòng)記錄并計(jì)算填寫外業(yè)手簿。并把整個(gè)手簿按照正確格式記錄在程序自動(dòng)創(chuàng)建的EXCEL表格內(nèi)，表格文件位置可以自己手動(dòng)保存。

3? ?數(shù)據(jù)結(jié)果的比較與精度分析

通過運(yùn)行程序所得到的觀測數(shù)據(jù)，是根據(jù)所輸入起始數(shù)據(jù)在隨機(jī)數(shù)基礎(chǔ)上生成的一組隨機(jī)數(shù)，這樣的一組數(shù)據(jù)是否符合相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的各項(xiàng)限差要求是評(píng)判該程序可行性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在此分別對(duì)一組光學(xué)和電子水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，來驗(yàn)證反求程序所得觀測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是否滿足測量的各項(xiàng)指標(biāo)：

按照程序界面提示輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，求算8測站四等閉合水準(zhǔn)路線的觀測數(shù)據(jù)，起點(diǎn)高程為2.813m，高差閉合差為15mm，數(shù)據(jù)錄入完成后點(diǎn)擊“開始計(jì)算閉合路線數(shù)據(jù)”按鈕，開始運(yùn)行程序，反求閉合水準(zhǔn)路線原始數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入的已知條件，計(jì)算一組隨機(jī)觀測數(shù)據(jù)。

經(jīng)過計(jì)算，這組隨機(jī)生成的觀測數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算已經(jīng)完成并已經(jīng)填入表中，將這些數(shù)據(jù)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，繪制對(duì)比表格。

4? 結(jié)論

本文應(yīng)用具有“可視化”特點(diǎn)的VB語言進(jìn)行程序編寫水準(zhǔn)路線原始數(shù)據(jù)反求程序，可以相對(duì)簡單的實(shí)現(xiàn)程序界面的設(shè)計(jì)，并且不同的程序算法模塊可以獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)輸入形式簡單，軟件操作方便快捷。

根據(jù)上述多個(gè)算例的驗(yàn)算，可以得出結(jié)論：該程序?qū)崿F(xiàn)了起始條件手動(dòng)輸入，經(jīng)過程序自動(dòng)運(yùn)算，求算出的水準(zhǔn)測量原始數(shù)據(jù)記錄保存在EXCEL表格中。求得的數(shù)據(jù)精度和軟件質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，所得出的水準(zhǔn)路線觀測數(shù)據(jù)滿足測繪教育教學(xué)過程中的課堂練習(xí)和考試出題對(duì)水準(zhǔn)測量原始數(shù)據(jù)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡奇.水準(zhǔn)網(wǎng)測量平差軟件設(shè)計(jì)與開發(fā) [D].安徽理工大學(xué)，2012.

[2] 黃維彬.測量平差的當(dāng)代進(jìn)展——近代測量平差[J].測繪通報(bào)，1994（2）：3～9.

[3] 周世虎，邊紅文.水準(zhǔn)網(wǎng)平差系統(tǒng)介紹[J].北京測繪，2007（4）：59～61.