測(cè)區(qū)電子地圖支持的工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

李愛民 兀澤坤 趙佳樂(lè) 張心怡 郭振強(qiáng)

（鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450001）

工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容，計(jì)算工作量很大。目前測(cè)繪行業(yè)內(nèi)流行幾款數(shù)據(jù)處理軟件，如南方測(cè)繪的平差易軟件（Power Adjustment）[1]、 武大的“科傻”系統(tǒng)（COSA）[2]、清華山維的平差軟件（NASEW）[3]等。這些軟件都具有概算、平差、精度評(píng)定、控制網(wǎng)顯示等功能，在測(cè)繪單位的測(cè)量數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮了重要作用。但是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些軟件普遍沒有顯示測(cè)區(qū)地圖的功能，而工程測(cè)量一定是在一定區(qū)域進(jìn)行的，測(cè)量數(shù)據(jù)都包含坐標(biāo)位置信息，控制點(diǎn)點(diǎn)之記資料也需要周圍地物地貌信息的支持，因此，把測(cè)區(qū)地圖融合到測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件中，研究建立基于測(cè)區(qū)電子地圖的工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)十分必要。

本文利用ArcGIS Engine 組件開發(fā)[4]、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)研究構(gòu)建基于測(cè)區(qū)地圖的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地圖和測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能的無(wú)縫集成，使測(cè)量數(shù)據(jù)處理地圖化，提高測(cè)繪人員處理測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化和便捷性。

1 系統(tǒng)分析

某本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的用戶人群為有工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理需求的測(cè)量人員，因此系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境設(shè)置為PC 端，且無(wú)聯(lián)網(wǎng)要求，設(shè)計(jì)為單機(jī)版系統(tǒng)，不考慮網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，但系統(tǒng)涉及GIS 技術(shù)和測(cè)量理論，因此開發(fā)者需要具有這方面的知識(shí)。

數(shù)據(jù)流程包括：數(shù)據(jù)錄入，將測(cè)區(qū)地圖數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)輸入；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，獲得測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)；在地圖窗口根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成測(cè)量點(diǎn)圖層；基于地圖制作點(diǎn)之記，進(jìn)行空間查詢和分析等；成果輸出，輸出所需的空間數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)處理結(jié)果等。系統(tǒng)應(yīng)包括地圖編輯、測(cè)量數(shù)據(jù)平差處理、空間分析、數(shù)據(jù)、圖形的檢索、查詢及數(shù)據(jù)輸出等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循軟件工程建設(shè)的思想和簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可靠、可拓展的原則，充分利用計(jì)算機(jī)編程、GIS、空間數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和分析等技術(shù)，構(gòu)建以電子地圖為基礎(chǔ)平臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.1 總體架構(gòu)

從系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用角度出發(fā)，立足于整體，采用軟件工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)模式，把系統(tǒng)功能分解為不同的模塊，包括數(shù)據(jù)操作、查詢統(tǒng)計(jì)、報(bào)表操作、圖形操作、測(cè)繪功能五個(gè)方面，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 主要功能設(shè)計(jì)

把GIS 技術(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，使得一些測(cè)量數(shù)據(jù)處理操作更加直觀地在地圖上展現(xiàn)。

（1）軟件支持mxd、Shapefile 等文件類型的導(dǎo)入，同時(shí)可以實(shí)時(shí)查看及更改屬性表。主菜單上有跳轉(zhuǎn)功能，通過(guò)輸入某點(diǎn)坐標(biāo)而直接跳轉(zhuǎn)選中該點(diǎn)。此外，還具備打開文件、選中、平移、放大、縮小地圖、添加數(shù)據(jù)、移除圖層等地圖軟件所具有的基礎(chǔ)功能。

（2）主菜單上有創(chuàng)建地圖要素功能，可以進(jìn)行點(diǎn)要素、線要素與面要素的創(chuàng)建，點(diǎn)擊開始編輯后，在其右側(cè)框體中選擇圖層，并使用繪圖工具進(jìn)行要素的創(chuàng)建；點(diǎn)屬性配備有專門的要素庫(kù)，可以用于選擇點(diǎn)要素的樣式。

（3）鷹眼功能，用于全局顯示地圖的處理情況，便于查找所進(jìn)行處理或當(dāng)前展示的頁(yè)面位置。

（4）“生成測(cè)量點(diǎn)”功能，通過(guò)導(dǎo)入帶有點(diǎn)坐標(biāo)的Excel 或TXT 文件，從而生成帶有相關(guān)點(diǎn)屬性的Shapefile 文件，并保存在指定路徑。

（5）“地圖注記”功能，選擇特定圖層以及該圖層內(nèi)所想要顯示的字段，可以將字段內(nèi)容顯示在底圖上。

（6）“地圖選擇集”和輸出功能，用于顯示和輸出所選要素的屬性表。

（7）導(dǎo)線平差計(jì)算。導(dǎo)線測(cè)量是將測(cè)點(diǎn)連成折線，得到折線邊的邊長(zhǎng)和轉(zhuǎn)折角后，根據(jù)數(shù)據(jù)推算導(dǎo)線點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)的過(guò)程[9]。根據(jù)其導(dǎo)線布設(shè)方式，分為附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線、支導(dǎo)線、導(dǎo)線網(wǎng)[10,11]。在選定精度等級(jí)并輸入源數(shù)據(jù)后，平差得出導(dǎo)線網(wǎng)型繪制結(jié)果、解算結(jié)果、精度核驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。

（8）水準(zhǔn)平差計(jì)算。水準(zhǔn)測(cè)量是利用水平視線測(cè)定地面高差的方法，即由已知點(diǎn)高程推算未知點(diǎn)高程的過(guò)程[6-8]，在選定精度等級(jí)和已知高程后，導(dǎo)入觀測(cè)數(shù)據(jù)的Excel 或Shapefile 文件，得出線路總長(zhǎng)、閉合差、限差等信息，并計(jì)算閉合差是否符合要求，且設(shè)置相應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)出功能。

（9）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。包括大地坐標(biāo)、平面坐標(biāo)、空間直角坐標(biāo)等多種坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.3 數(shù)據(jù)類型與組織

測(cè)量數(shù)據(jù)一般包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是用來(lái)直觀表達(dá)位置關(guān)系的點(diǎn)狀、線狀、面狀要素信息，圖層的分類依據(jù)是根據(jù)其幾何形狀分為Point、Polyline、Polygon 等類型的要素圖層[12-14]；屬性數(shù)據(jù)主要是測(cè)量數(shù)據(jù)以及對(duì)空間數(shù)據(jù)的說(shuō)明。以控制點(diǎn)為例，空間數(shù)據(jù)類型為點(diǎn)狀要素，其屬性數(shù)據(jù)為控制點(diǎn)坐標(biāo)、點(diǎn)名、點(diǎn)號(hào)、控制點(diǎn)高程等屬性信息；以導(dǎo)線測(cè)量為例，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后生成的空間數(shù)據(jù)類型為線狀要素，其屬性數(shù)據(jù)為點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、方位角、轉(zhuǎn)折角、邊長(zhǎng)等屬性信息?？臻g數(shù)據(jù)采用圖層模式管理，使用Esri 公司的ArcGIS Engine 軟件提供的各類控件進(jìn)行輸入、顯示、存儲(chǔ)、輸出等功能，而對(duì)于使用測(cè)量功能得到的屬性數(shù)據(jù)，則通過(guò)輕型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite進(jìn)行輸入、顯示、存儲(chǔ)、輸出等功能，基于ComGIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)類型的無(wú)縫集成。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)ArcGIS Engine 組件式開發(fā)技術(shù)提供的地理數(shù)據(jù)可視化及空間數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)，將多種測(cè)量數(shù)據(jù)處理功能與地理信息系統(tǒng)集成，綜合利用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，在Visual Studio.NET 開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine 組件[15,16]，利用COM 組件技術(shù)開發(fā)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換、七參數(shù)解算、水準(zhǔn)測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量等測(cè)繪數(shù)據(jù)處理的功能，并且添加相應(yīng)的處理結(jié)果可視化界面，提供網(wǎng)型繪制、解算結(jié)果、精度核驗(yàn)、起算及觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示等功能。操作系統(tǒng)為WindowsXP/7/10，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 系統(tǒng)主界面

主界面如圖2 所示：

①菜單欄，可實(shí)現(xiàn)文件操作、地圖注記、控制點(diǎn)生成、測(cè)量計(jì)算等功能。

②基礎(chǔ)工具條，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子地圖等基本操作，例如漫游、全圖顯示等。

③編輯工具條，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖要素的創(chuàng)建、編輯、刪除等功能。

④圖層目錄，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖圖層的管理、要素符號(hào)更改等操作。

⑤鷹眼，展示數(shù)據(jù)視圖中的地理范圍在全圖中的位置。

⑥地圖窗口，地圖交互操作的窗口。

⑦狀態(tài)欄，可顯示數(shù)據(jù)框內(nèi)鼠標(biāo)的位置，菜單欄功能的簡(jiǎn)短說(shuō)明。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊包括坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換和七參數(shù)解算，坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換即選定轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)系，輸入單個(gè)點(diǎn)得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)值，如圖3 所示。七參數(shù)解算即輸入相應(yīng)的三個(gè)公共點(diǎn)的坐標(biāo)，得到目標(biāo)坐標(biāo)以及七參數(shù)的值，如圖4 所示。

以西安80 高斯投影平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換西安80 大地坐標(biāo)為例，部分代碼如下：

crd.x_XA = textBoxNum_xBX; ……//得到西安高斯投影平面坐標(biāo)的X、Y、HZ

elpF.num = Ellips.Ellips75_XA80.num; ……//得到西安80所用橢球的參數(shù)

trans.XiAn80xyHgToXiAn80BLH(crd, elpF); // 調(diào)用轉(zhuǎn)換函數(shù)

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖4 七參數(shù)解算界面

3.3 水準(zhǔn)測(cè)量計(jì)算模塊

包括閉合水準(zhǔn)測(cè)量平差、附合水準(zhǔn)測(cè)量平差、支水準(zhǔn)測(cè)量平差，選定精度等級(jí)及已知高程后輸入文件，得到報(bào)表窗口，顯示相應(yīng)的源數(shù)據(jù)及結(jié)果，以及導(dǎo)出結(jié)果功能，如圖5 所示。

以閉合水準(zhǔn)平差為例，部分代碼如下：closedDiff += Convert.ToDouble(dt.Rows[i][3]);//計(jì)算閉合差（單位：mm）

圖5 水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理

3.4 導(dǎo)線測(cè)量計(jì)算模塊

導(dǎo)線測(cè)量計(jì)算模塊包括閉合導(dǎo)線坐標(biāo)平差、附合導(dǎo)線坐標(biāo)平差、支導(dǎo)線坐標(biāo)計(jì)算、導(dǎo)線網(wǎng)平差（前方交會(huì)、側(cè)邊網(wǎng)坐標(biāo)平差）功能。選定精度并輸入數(shù)據(jù)后，得到網(wǎng)型繪制結(jié)果、解算結(jié)果、精度核驗(yàn)等信息，結(jié)果窗口右側(cè)顯示起算數(shù)據(jù)及觀測(cè)數(shù)據(jù)信息，并提供導(dǎo)出結(jié)果功能，如圖6 所示。

以閉合導(dǎo)線平差為例，部分代碼如下：cartsCrds[i].X = Convert.ToInt32(stations[i].y);//將給出的測(cè)繪坐標(biāo)轉(zhuǎn)笛卡爾坐標(biāo)，圖形形狀相同Increment[i].X = cartsCrds[i].X - knownedX;//求各點(diǎn)與已知點(diǎn)A的相對(duì)位置if(Increment[i].X ＜ minIncrementX)//尋找X方向最小負(fù)增量

圖6 導(dǎo)線數(shù)據(jù)處理

3.5 地圖操作模塊

圖層目錄：可在圖層欄中右擊圖層進(jìn)行圖層的相關(guān)操作，如圖7 所示。

圖7 圖層控制目錄樹

創(chuàng)建要素：在編輯欄中選擇帶有鉛筆圖表的按鈕（Sketch Tool），即可進(jìn)行要素的創(chuàng)建，其右側(cè)按鈕（Attributes）可打開所創(chuàng)建要素的屬性表，如圖8所示。

圖8 創(chuàng)建要素

生成控制點(diǎn)：選擇導(dǎo)入帶有點(diǎn)坐標(biāo)的Excel 或Shapefile 文件，從而在指定路徑中生成帶有這些點(diǎn)屬性的Shapefile 格式的文件，如圖9 所示。

導(dǎo)入Excel 生成Shapefile 文件核心代碼如下：String fileName = openFileDialog.FileName;DataTable myTable = ExcelToDataTable(fileName,"sheet1");string Point = myTable.Rows[i][0].ToString();//獲取excel中的數(shù)據(jù)double x = Convert.ToDouble(myTable.Rows[i][1]); ……//得到xyh的值addPoint(ly, x, y, h ,Point);//添加點(diǎn)至shpfile文件

圖9 導(dǎo)入Shapefile格式的文件

圖10 點(diǎn)狀要素符號(hào)選擇器

符號(hào)選擇器：通過(guò)在屬性欄中雙擊點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)或面狀符號(hào)，可打開符號(hào)選擇器，選擇所需要的符號(hào)來(lái)標(biāo)記點(diǎn)、線、面要素，如圖10 所示。pTextSymbol.Font = pFont as stdole.IFontDisp;I L i n e L a b e l P o s i t i o n p P o s i t i o n = n e w LineLabelPositionClass();……//設(shè)置注記放置格式、排放位置、擺設(shè)路徑權(quán)重，以及處理文字間沖突的處理方式等pLableEngine.Expression = "[" + sFieldName +"]";//輸入VBScript或JavaScript語(yǔ)言，設(shè)置要標(biāo)注的字段IAnnotateLayerProperties pAnnoLayerProps=pLableEngine as IAnnotateLayerProperties;pAnnoProps.Add(pAnnoLayerProps);

圖11 注記選擇

圖12 注記效果

地圖選擇集 ：選擇底圖中的要素后，點(diǎn)擊“地圖選擇集”，可彈出選中圖層中所選要素的屬性表，如圖13 所示。

圖13 地圖選擇集效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用GIS 組件開發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)了融合測(cè)區(qū)地圖的工程測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并利用C#語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了軟件功能。把測(cè)量數(shù)據(jù)處理與測(cè)區(qū)地圖無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化，進(jìn)而使計(jì)算更直觀、高效和便捷，提高工作效率。組件開發(fā)技術(shù)的使用有利于系統(tǒng)的可拓展性，方便后期的維護(hù)與系統(tǒng)升級(jí)。