基于Android 智能手機的陀螺定向測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

高楚天 郭 明 劉運明* 王志良 郭可才

（1、北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京102616 2、現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044 3、北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京100101 4、國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州510300 5、北京申信達成科技有限公司，北京102444）

1 概述

經(jīng)濟發(fā)展使得城市土地資源愈發(fā)緊張，開發(fā)和利用地下空間勢在必行[1]。習(xí)近平總書記在2016 年全國科技創(chuàng)新大會明確提出，向地球深部進軍是我們迫切需要解決的戰(zhàn)略科技問題[2]。在地下中長隧道建設(shè)過程中，經(jīng)常需要獲取邊線的精確方位，過去常使用的方法是導(dǎo)線測量[3]，而現(xiàn)在通常采用陀螺全站儀來完成定向工作[4]。將全站儀與陀螺儀復(fù)合在一起所組成的測量儀器稱作陀螺全站儀[5]，它具有觀測簡單方便、效率高、定向精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點[6]，廣泛應(yīng)用于礦山、隧道等地下工程中[7]。使用陀螺全站儀進行定向測量解決了導(dǎo)線測量方法誤差累計大、精度較低和抗環(huán)境影響力弱的問題，在精確確定方位角方面具有決定性的優(yōu)勢。

然而，在使用陀螺全站儀進行測量的過程中，也存在著一些問題。陀螺定向數(shù)據(jù)一般使用紙筆來記錄，但地下測量現(xiàn)場往往環(huán)境惡劣，用紙筆進行定向數(shù)據(jù)的記錄存在諸多不便，如風(fēng)吹、沙塵、光線等造成的影響。另一方面，陀螺全站儀具有儀器較為笨重、不易移動的缺點，不便反復(fù)進行測量檢核，需要在每個測站點完成測量后，立即對觀測數(shù)據(jù)進行精度評估[8]，而通過筆算的方法來評估數(shù)據(jù)精度繁瑣復(fù)雜、耗費時間且浪費人力。再者，陀螺全站儀內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)只能計算出陀螺方位角[9]，獲取實際應(yīng)用中需要的待測邊坐標方位角仍需自行筆算。針對以上問題，本文開發(fā)設(shè)計了基于Android 手機移動端的陀螺定向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)在測量現(xiàn)場使用手機記錄陀螺定向數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行精度評估并計算待測邊坐標方位角的功能，并在我國首條過海隧道建設(shè)工程中使用了本系統(tǒng)，驗證了系統(tǒng)的正確性與可行性。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)配置

陀螺定向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)編寫語言為Java，基于Andorid studio 平臺進行開發(fā)。Andorid studio 平臺版本為3.5.2，Andorid SDK Tools 版本為26.1.1，Android Platform Tools 版本為29.0.6，Android Platform Version 版 本 為API 29:Android 10.0（Q）revision 4，build:gradle 版本為3.5.2。系統(tǒng)可在安裝Android 6.0版本及以上的智能手機上運行，支持實時運算，界面簡潔大方，易于操作，具有計算成果可視化的顯示。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過intent 組建保證數(shù)據(jù)的傳遞，在頁面跳轉(zhuǎn)時將數(shù)據(jù)傳遞過去，并使用了安卓內(nèi)置的輕型數(shù)據(jù)庫SQLite，保證了程序?qū)?shù)據(jù)的設(shè)置與使用。

2.2 開發(fā)流程

一般而言，陀螺定向過程為：首先在地面已知邊上使用陀螺全站儀進行多測回定向測量，然后在地下待測邊上完成多測回的正向、反向定向測量，最后回到地面已知邊，再完成一次多測回的定向測量。通過這些定向測量數(shù)據(jù)及已知方位邊坐標，即可計算儀器常數(shù)和子午線收斂角，并結(jié)合陀螺方位角計算待測邊坐標方位角。計算過程已有很多文章進行了推導(dǎo)，此處不表。

為方便在實際工程使用，本系統(tǒng)根據(jù)陀螺全站儀定向流程開發(fā)，主要由定向數(shù)據(jù)記錄、精度檢核及坐標方位角計算三個模塊組成。開發(fā)流程為：首先根據(jù)上述定向過程，使用陀螺全站儀獲取定向數(shù)據(jù)，將定向數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)；系統(tǒng)計算儀器常數(shù)均值及互差，判斷互差是否超限，若是則重測，若否則進行坐標反算、子午線收斂角計算和儀器常數(shù)計算，再判斷測站間距離是否大于10km，然后后計算待測邊坐標方位角；最后上傳所有數(shù)據(jù)，將其保存在筆記本或者PC 端。圖1 為系統(tǒng)設(shè)計的算法流程圖：

圖1 系統(tǒng)算法流程圖

3 實驗與分析

3.1 工程概況

以廈門市海滄海底隧道工程的定向工程作為實例。海滄海底隧道長約6.4 公里，跨海域面積長約2 公里。它連接廈門本島與島外的海滄區(qū)，能增強廈門島與海滄區(qū)之間的交通能力，是廈門城市交通網(wǎng)絡(luò)極為重要的一環(huán)。由于該隧道貫通距離較長，使用導(dǎo)線測量的方法進行定向可能會存在較大偏差，如果偏差造成隧道不能按照設(shè)計軸線掘進，不僅損失大量人力、物力和財力，而且直接影響軌道交通工程的施工建設(shè)，所以需要通過陀螺定向來檢校已經(jīng)施測的6″級導(dǎo)線。在海滄海底隧道工程陀螺定向過程中，使用了本系統(tǒng)記錄定向數(shù)據(jù)，對定向數(shù)據(jù)實時進行精度檢核，并現(xiàn)場計算了待測邊坐標方位角。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)與分析

系統(tǒng)主界面分三個模塊：數(shù)據(jù)記錄，精度檢測和坐標方位角計算，如圖2a 所示。根據(jù)陀螺定向流程，首先要進行定向數(shù)據(jù)記錄。圖2b 是“數(shù)據(jù)記錄”選項下的界面。

圖2 系統(tǒng)操作界面

本次定向測量的定向邊為GDG74→GDG12，待測邊為1055→1320。在系統(tǒng)中輸入測量邊的點號，如圖3a 所示。在開始陀螺定向測量之前，首先輸入已知邊兩端點坐標及測站點經(jīng)緯度。點擊"計算"按鈕，可直接得到已知邊坐標方位角和子午線收斂角，如圖3b 所示。圖3c 為已知邊第一次測量數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)記錄模塊內(nèi)界面

在實際工程中，除上述地上定向測量外，還有待測邊正向測量、反向測量和已知邊第二次測量，為避免圖片過多造成冗余，這里不再贅述。

在測量完成后，需要對定向數(shù)據(jù)的精度進行檢核。對定向數(shù)據(jù)的精度要求為：地面已知邊兩次測量的陀螺方位角互差均要小于10″，均值互差要小于15″；地下待測邊的正測與反側(cè)的方位角較差應(yīng)小于10″。在本系統(tǒng)中，點擊"精度檢測"，系統(tǒng)會通過計算來判斷數(shù)據(jù)精度是否符合要求。若符合要求，則可進行坐標方位角的計算；若計算結(jié)果超限，則需要重新進行測量。本次測量過程中，兩次地面觀測值互差分別為6″和10″，地下待測邊觀測值互差各為8″和9″，均小于精度要求的10″，說明儀器內(nèi)外符合精度要求。兩次地面觀測值均值分別為344°18'13"、344°18'05"，互差值為8"，不超過限值15″，說明數(shù)據(jù)精度符合要求。

計算坐標方位角要考慮到已知邊測站點和待測邊測站點之間的坐標距離。在本次工程中，兩測站點之間坐標距離小于10km，選擇“小于10km”選項后，系統(tǒng)自動運算得到儀器常數(shù)，并計算出待測邊坐標方位角，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 坐標方位角計算

廈門海滄海底隧道工程中，待測邊1055→1320 通過導(dǎo)線測量得到的坐標方位角為88°47'04"，與通過本系統(tǒng)得到的坐標方位角進行比較，結(jié)果僅相差2"，說明通過兩種方法得到的定向結(jié)果互相吻合，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了基于普通商用Android 手機的陀螺定向數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)在Android 智能手機上記錄陀螺定向數(shù)據(jù)，具有簡單、方便使用的特點；可實時進行數(shù)據(jù)精度檢核，避免因數(shù)據(jù)精度不合格而反復(fù)重測，減輕了實際測量中的麻煩；在獲取陀螺定向數(shù)據(jù)后能立即得到坐標方位角，可以與已知數(shù)據(jù)比對，避免返工，有效提升了測量工作效率。在廈門海滄海底隧道定向工程中進行了實際應(yīng)用，獲得了滿意效果，驗證了系統(tǒng)的有效性與準確性。下一步將要繼續(xù)研究智能手機與陀螺全站儀無線通訊技術(shù)，進一步提高系統(tǒng)自動化程度。本系統(tǒng)可在未來礦山、隧道等領(lǐng)域的地下工程中廣泛使用，且能為在智能移動設(shè)備上開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件提供寶貴經(jīng)驗。