精密水準測量數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

朱 偉

（1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102）

我國精密水準測量作業(yè)依據(jù)《國家一、二等水準測量規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）執(zhí)行[1]，精密水準測量數(shù)據(jù)處理過程繁瑣、復(fù)雜，數(shù)據(jù)改正要求較高，嚴重制約了數(shù)據(jù)處理效率，而水準測量數(shù)據(jù)的自動化處理能使繁瑣的工作簡單、條理化，能有效提高工作效率，保證作業(yè)質(zhì)量。本文結(jié)合數(shù)據(jù)生產(chǎn)實際，建立水準內(nèi)業(yè)自動化處理流程，極大提高了整體生產(chǎn)的效率[2-3]。

1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)水準數(shù)據(jù)解算的技術(shù)特點及思路，設(shè)計整體的解算流程，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

1）圖形顯示模塊：水準線路、區(qū)段等，圖層管理、圖形縮放、漫游等操作。

2）數(shù)據(jù)提取檢查模塊：外業(yè)數(shù)據(jù)提取包括觀測數(shù)據(jù)信息、結(jié)點信息、路線起止信息、路線統(tǒng)計信息等的提取。通過自動化檢測往返測高差情況、導(dǎo)出矢量圖形等方式完成數(shù)據(jù)的檢查。

3）水準概算模塊：標尺長度誤差改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正和海潮改正，可對水準測段信息進行修改、查詢等操作。

4）平差計算模塊：采用科傻地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行平差，系統(tǒng)自動生成科傻地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的平差輸入文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的無縫對接，完成平差結(jié)果的統(tǒng)計匯總和輸出。

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計輸出模塊：統(tǒng)計線路、結(jié)點等，輸出成果表。

1.3 自動化處理流程

本文根據(jù)水準數(shù)據(jù)處理的特點，設(shè)計整體的自動化處理流程，建立批量自動化讀取水準外業(yè)手簿機制，建立后續(xù)數(shù)據(jù)解算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，極大提高了數(shù)據(jù)處理效率。數(shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)概算可一鍵化自動完成，最后完成數(shù)據(jù)的平差輸出[4-5]。

圖2 自動化處理流程圖

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)需要對水準測量數(shù)據(jù)中的水準測站、水準路線及水準測段進行管理，本文將上述信息存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中。

水準測站、水準路線及水準測段對應(yīng)數(shù)據(jù)表的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1～3，采用面向?qū)ο蠓椒▽ι鲜? 個表進行管理，通過構(gòu)建水準測站、水準路線、水準測段類進行數(shù)據(jù)存儲，通過SQLite操作類實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的增刪改查。

表1 水準測站表

表2 水準路線表

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 軟件界面

系統(tǒng)基于Visual Studio 2017開發(fā)，使用C#語言和ArcGIS Engine庫，對數(shù)據(jù)處理過程中的文本、矢量各種數(shù)據(jù)提供支持，系統(tǒng)采用NPOI開源庫操作Excel數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種手簿信息的自定義讀寫。

表3 水準測段表

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)自動化導(dǎo)入

外業(yè)原始數(shù)據(jù)主要以路線手簿信息為主，系統(tǒng)批量化分線路從手簿中獲取各測段的信息。數(shù)據(jù)提取完成后將信息保存在工程文件中，后續(xù)操作數(shù)據(jù)可以直接加載工程文件，無需重復(fù)導(dǎo)入，工程文件保存當前測站、測段相關(guān)信息，便于后續(xù)重復(fù)計算。

數(shù)據(jù)完成導(dǎo)入后，可自動化對往返測高差進行對比檢查，同時檢查將測站、測段和線路等連接情況，線路結(jié)點的點名是否一致等問題，確保水準線路閉合成環(huán)，方便下一步平差處理。

3.3 水準數(shù)據(jù)改正及平差

水準數(shù)據(jù)經(jīng)過水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正和海潮改正等過程，改正模型嚴格按照《國家一二等水準測量規(guī)范》執(zhí)行，完成數(shù)據(jù)概算過程[6-10]。將數(shù)據(jù)概算結(jié)果導(dǎo)出平差文件，完成數(shù)據(jù)平差輸出水準解算成果。

本文采用的平差模型如下：

1）誤差方程式：

式中，V為改正數(shù)矩陣；B為系數(shù)矩陣；X為未知數(shù)矩陣；L為常數(shù)項矩陣。

2）法方程式矩陣：

式中，P為觀測值權(quán)矩陣。

3）線性方程組的解算及校驗：

a：結(jié)點高程計算X=(BTPB)-1BTPL

b：測線改正數(shù)計算V=BX-L

校驗：

4）權(quán)的確定。

式中，C 為一選定常數(shù)；N為一條水準路線測站總數(shù)。

5）精度估計。

單位權(quán)中誤差：

式中，r為多余觀測量個數(shù)。

式中，Qii為第i個結(jié)點的協(xié)因數(shù)。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在部分地區(qū)的二等水準測量工作中進行試用，共處理二等水準路線18條，長度為1 500 km，經(jīng)過本文系統(tǒng)處理，每km高差全中誤差為±1.4 mm/km，滿足二等水準測量±2.0 mm/km的限差要求。本次數(shù)據(jù)處理效率是常規(guī)水準數(shù)據(jù)處理的5倍以上。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)水準內(nèi)業(yè)處理工序繁瑣以及數(shù)據(jù)改正計算復(fù)雜的情況，本文結(jié)合生產(chǎn)實際，建立了基于SQLite數(shù)據(jù)庫的自動化處理系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)概算和平差輸出等過程，實現(xiàn)精密水準測量數(shù)據(jù)的流程化高效處理，在實際的二等水準數(shù)據(jù)試算中，處理結(jié)果精度滿足規(guī)范要求、精度較高，減少較大的人工工作量，極大提高了數(shù)據(jù)處理效率。