安卓測量實習教學系統的設計與實現

劉志平，楊丁亮，張書畢

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

安卓測量實習教學系統的設計與實現

劉志平1,2，楊丁亮1,2，張書畢1,2

(1.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

針對“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”常規測量教學和實踐中存在的不足，充分考慮智能手機等移動終端逐漸全民普及趨勢和應用需求，開發實現具有“測量記錄”、“定位計算”和“成果轉換”3大模塊的安卓移動終端測量實習教學系統。該系統采用圖形用戶界面、按鈕式交互操作方式實現各模塊諸多具體功能，同時兼顧課堂教學演示、實驗實習教學及工程實踐要求，為提高測量實習實踐教學效果和激發學生的測繪研發創新意識提供新途徑。

安卓；智能手機；測量實習；教學系統；軟件設計

“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”是測繪工程專業的核心課程，其豐富的測量理論和較高的實踐能力要求，具有知識與能力并重、理論與實踐統一的鮮明特色[1-2]。但是，由于近年來教學學時的壓縮和測繪學科發展帶來的新教學內容，導致課堂實驗學時縮減，而不充分的課堂實驗環節又進一步制約集中實習教學效果，從而難以達到生產實踐要求[3-5]。另一方面，測繪學科已完成由傳統模擬測繪向數字化測繪的轉變，并逐步實現從數字化測繪向信息化測繪新階段的轉化[6-7]。然而，在當前大部分的教學實習中，上述兩門課程涉及的水準高程測量、經緯儀角度測量、全站儀導線測量等常規任務，其數據記錄及計算仍然是人工方式，這種狀況遠未跟上數字化測繪、信息化測繪發展階段的步伐和要求。

以Android智能手機為代表的移動終端不僅功能強大、價格低廉，而且開源操作系統便于用戶進行各類應用開發[8-13]。此外，智能手機具有體積小、重量輕、攜帶方便，適應于常規內外業測量一體化、數字化等特點。鑒此，本文以Android智能手機為測量數據記錄和處理計算平臺，在Eclipse開發環境下采用JAVA語言設計并實現一款能夠滿足測量實習教學及生產實踐需求(主要涉及“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”課程中的水準儀、經緯儀、全站儀)的軟件(已獲軟件著作權[14])。通過該安卓測量實習教學系統的設計與實現，旨在解決實驗實習學時少與內容多的矛盾，提升實驗實習教學質量和外業數字化水平，并激發學生積極參加實驗實習的興趣和從事測繪軟件開發的潛力。

1 環境搭建與系統設計

1.1 Android環境搭建

Android操作系統由應用程序層、應用程序框架層、系統庫和Linux內核層組成[8]。該系統具有Linux的開放性免費性，其豐富的開發包(SDK)和組件(API)降低了軟件開發的技術門檻。

Android開發平臺及環境的搭建方式較多，本文選擇在Windows下搭建Eclipse+Android開發平臺[8]。該搭建方式的步驟為：分別下載并安裝Java SE Development Kit (JDK)，Eclipse，Android SDK，Android ADT，并設置JDK環境變量JAVA_HOME和CLASSPATH以及Android SDK的Tool變量，最后建立Android Virtual Device(AVD)并設置其參數。程序由可視化View界面和對應的Activity指令事件組成，在開發完成后通過運行Android應用項目文件，即可在項目文件下的bin文件夾自動生成APK應用程序，將APK程序復制安裝在移動終端便可以在移動終端運行。

1.2 需求分析

“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”實習教學，均涉及水準儀、經緯儀、全站儀3種常規儀器的使用。在常規測量實踐中，也常常要進行水準高程測量、全站儀導線測量等。然而，在目前實驗實習教學中仍采用自動安平水準儀和光學經緯儀人工記錄及計算外業數據。尤其是即使使用電子化水準儀和全站儀，很多人員仍采用人工方式記錄及檢核數據。實踐表明，人工記錄檢核耗時長易出錯，甚至導致外業全部重測，這與測繪數字化、信息化發展要求完全背道而馳[10-14]。此外，在外業測量過程中因事前準備不充分等原因需在野外進行定位計算(如通過前方交會方法加密圖根點)、坐標成果換算時，往往由于沒有攜帶計算機導致外業工作無法繼續、作業中斷。

2015-11-12，德勤“移動消費大未來：2015中國移動消費者行為”報告稱中國智能手機擁有率高達86%，在大學生群體中的普及率可達九成以上。因而，若利用Android智能手機開發測量實習教學系統，可以無需增加額外硬件成本。鑒此，本文通過分析兩門課程涉及的測量實習，綜合考慮上述應用需求和趨勢，設計并編寫具有測量記錄、定位計算和成果轉換三大功能的實習軟件系統。其根本目的就是通過數據記錄與檢核的數字化，釋放學生時間成本，提高測量成果質量與效率，并將更多的時間用在提升實踐操作和分析問題的能力。同時，上述工作也為常規測量內外業一體化、數字化和信息化發展提供新思路。

1.3 功能設計

根據上節需求分析，本系統主要圍繞“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”兩門課程的實驗，旨在實現水準儀、經緯儀、全站儀等常規測量數據的電子化記錄、自動檢核與存儲以及快速的坐標成果轉換，以提升實驗實習教學質量和測繪實踐數字化水平。該軟件主要包括測量記錄、定位計算和成果轉換三大模塊(見圖1)。

圖1 系統功能結構

如圖1所示，測量記錄模塊包括不同等級的水準高程測量、經緯儀或全站儀角度測量、全站儀的導線測量的數據記錄檢核等功能；定位計算包括計算平面坐標的極坐標法、交會法以及計算高差的三角高程法；成果換算包括平面坐標的正反算、空間直角坐標與大地坐標的三維坐標換算、高斯投影正反算及換帶計算、儒略日與年積日/GPS周等通用時間相互換算。需指出的是，該系統主要是針對外業常規測量記錄檢核、少量且快捷的數據處理與成果轉換，并將按照自定義設計的數據格式進行數據存儲以便后期進行水準網、導線網平差等較大數據量的工作。

特別地，測量記錄存儲方式是以xls為后綴的文件。文件命名規則為“yyyymmdd+XXXX”，yyyymmdd表示年月日，XXXX表示4個字符的測量任務簡稱。例如，一等水準是以“當天日期+lev1.xls”，四等水準是以“當天日期+lev4.xls”，水平角是以“當天日期+hang.xls”，三維導線是以“當天日期+tra3.xls”。水準讀數的輸入數據格式按規范要求保留位數(如一等、二等的中絲讀數為6位整數-讀至0.01 mm，其它等級水準讀數均為4位整數-讀至1mm)，計算結果數值的距離單位保留到0.1 mm。

1.4 編程思路

本節對權限設置與軟件登錄模塊、功能模塊的切換以及數據存儲方式的編程思路予以扼要介紹。軟件編寫涉及22個xml文件(界面布局)、19個java文件(功能計算)以及1個AndroidManifest文件(設置權限)。

登錄模塊由2個xml文件和1個java文件(MainActivity)組成。其驗證原理是通過手機用戶SIM卡與MIEI號進行識別與授權，并按照用戶等級授予不同使用期限，同時檢查每次登錄時讀取的網絡時間是否為授權時間。其中，讀取手機SIM卡及MIEI號需在AndroidManifest中添加”android.permission.READ_PHONE_STATE”，讀取網絡時間需要添加”android.permission.INTERNET”，并在MainActivity文件中寫入”(TelephonyManager) getSystemService (TELEPHONY_SERVICE)”觸發手機系統管理服務。

功能模塊包含“測量記錄”、“定位計算”、“成果換算”及其子功能模塊。軟件采用上下文菜單方式(ContextMenu)，在“MenuActivity.java”文件寫入”SubMenu XXX=menu.addSubMenu("****");XXX.add(0,1,0,"...")”實現三大類功能的一級菜單選項，各子功能模塊設為二級菜單選項。通過上下文菜單利用Intent組件實現相應功能界面的選擇或跳轉，其核心代碼為：“Intent intent = new Intent(); Intent.setClass(Current.this,Other.class); Current.this.start(intent)”。

Android常見數據存儲方式有“SharedPreference”、“文件”、“SQLite數據庫”3種。考慮到后續數據內業處理要求，同時滿足數據可編輯性及共享性，軟件采用“文件”方式存儲“測量記錄”模塊中水準測量、角度測量、導線測量產生的數據。“文件”存儲方式涉及存儲路徑定義“Environment.getExternalStorageDirectory().toString()+File.separator”，以及外部空間(SD卡)讀寫權限：“android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE”。

2 測量實習教學系統實例

2.1 用戶登錄

系統在首次使用時，需要先進行用戶注冊(見圖2)，根據智能手機SIM卡號、MIEI號進行軟件授權許可，針對不同用戶設置相應的使用期限級別(分為3個級別，分別是10年、3年和半年)。用戶注冊登陸成功后，點擊Menu菜單(手機左下角或右上角)，就可以顯示“測量記錄”、“定位計算”和“成果換算”三大功能模塊(見圖3)。

圖2 用戶注冊

圖3 測量模塊

2.2 測量記錄

測量記錄模塊設計均由限差設置、觀測計算兩個界面組成。其中，限差設置界面包括基本信息、測量指標和命令欄(含重置、默認、保存和返回4個命令按鈕)；觀測計算界面包括測站信息、讀數信息、檢核信息和命令欄(含檢核、清空和返回3個命令按鈕)。水準測量包括一等、二等、三等、四等和等外水準5個次級菜單功能，角度測量包括方向觀測法、水平測回法和豎直角測量3個次級菜單功能，導線測量包括高程導線、平面導線和三維導線3個次級菜單功能，其中高程導線采用中間設站法、其它導線測量使用三架法。

在限差設置時，可以參照最新的國家或行業規范(例如，《GBT 12897-2006 國家一、二等水準測量規范》、《工程測量規范_GB50026-07》、《全球定位系統(GPS)測量規范_GB-T18314-2009》等)，也可以自定義限差。在檢核計算時，將記錄的測量數據與測量限差進行比較以判斷是否合格。若讀數合格則保存在手機SD卡，否則以紅色顯示超限，報錯提示并放棄保存數據。限于篇幅，下面僅以二等水準測量為例。

二等水準測量限差的界面見圖4，其默認限差取值依據《GBT 12897-2006 國家一、二等水準測量規范》。若需要自定義，則只需點擊重置按鈕，并修改相應限值。點擊保存按鈕之后，就進入觀測計算界面(見圖5)。由圖5可知，測站信息含有站號、測回數(數字1,2,3等，需輸入設置)和水準點標記(前視、后視、無三種選項，需選擇設置)。讀數信息按照“后前前后”或“前后后前”等觀測順序進行讀數記錄。讀數信息記錄完成后點擊檢核按鈕，則完成檢核計算。檢核信息中的前K差和高差互差都超限，以紅色提示并提醒測量人員進行重測。若讀數信息檢核合格則自動保存測量數據(見圖6)，測站號自動累加1進入下一測站，重復上述步驟，直至水準路線測量完成。此外，清空按鈕表示清空讀數信息，便于測量人員根據需要決定是否重測，返回按鈕表示中途退出或結束水準路線測量，設置水準路線偶數站的檢核提示。由上述可以看出，測量指標、讀數信息、檢核信息與教材使用的表格或者規范要求一致，系統便于在課堂上演示水準測量實驗教學，也滿足外業實驗實習教學或工程實踐。

圖4 二等水準限差

圖5 測站超限

圖6 二等水準數據保存

2.3 定位計算

定位計算模塊設計3個輸入計算界面，分別實現交會測量、極坐標法的平面坐標計算和三角高程計算。其中，交會測量包括后方測角、前方測角和前方測邊3個次級菜單功能。輸入計算界面均含有可輸入文本框和命令欄(計算和返回按鈕)，計算按鈕實時監控已知信息是否輸入完整，只有已知信息完整才能顯示結果。否則，提示無法計算。計算完畢后，點擊返回按鈕可以退出當前界面。限于篇幅，下面僅以交會測量為例。

為了實現后方測角、前方測角和前方測邊三種定位計算的功能類型切換，采用單選按鈕組設計思路將三者結合于一個計算界面。當選擇后方測角按鈕時，進入后方測角計算(見圖7)。界面采用(Ax,Ay)，(Bx,By)，(Cx,Cy)表示3個已知點坐標，對應觀測角采用字母A，B，C表示，文本框內的文字是提示該文本框需要輸入的內容。界面中待定點的坐標用(Px,Py)表示，其文本框為不可編輯狀態呈灰色，用于點擊計算按鈕后顯示坐標結果。此外，前方測角(界面見圖8)和前方測邊的計算功能，其設計思路與后方測角一致，不再贅述。由上述可以看出，交會測量設計與計算便于在課堂上演示圖根點測量的實驗教學，滿足外業實驗實習教學或工程實踐中的臨時加密點的坐標計算等工作。

圖7 后方測角交會

圖8 前方測角交會

2.4 成果換算

成果換算模塊實現三維坐標、帶有任意投影高程的高斯投影(高斯正算、反算和鄰帶換算)和通用時間(公歷年月日、儒略日、約化儒略日、年積日和GPS周)的換算。其中，三維坐標和高斯投影通過兩組單選按鈕來實現不同坐標形式和不同參考橢球(北京54、西安80和國家2000)的交叉選擇；通用時間使用選項菜單，完成各時間量的一對多轉換(由其中任意一個時間量計算出其它時間量)。限于篇幅，下面僅以高斯投影和通用時間換算為例進行詳細介紹。

高斯投影界面設計兩組單選按鈕組(類型選擇和橢球選擇)來實現在不同參考橢球下的正算、反算和鄰帶換算(見圖9)。當選定高斯正算時，字母(B,L，L0，H0)分別表示大地緯度、經度、中央子午線經度和投影高程(單位：m)，字母(X,Y)分別表示高斯平面橫坐標和縱坐標。界面還有命令欄(計算按鈕和返回按鈕)，計算按鈕實現輸出結算結果，坐標值精確到0.1 mm，經緯度精確到0.000 1 s。

圖9 高斯投影(正算)

通用時間通過菜單選項來實現公歷、儒略日、約化儒略日、年積日和GPS周之間的換算，通過點擊菜單選項即可激活界面(見圖10)。界面中含有命令欄(計算按鈕和返回按鈕)，在界面激活和相應時間類型值輸入后，點擊計算按鈕就可以輸出其他時間值。由上述可以看出，高斯投影和通用時間換算設計可以滿足外業實驗實習教學或工程實踐，方便野外測量計算，有效地應對野外測量突發情況，大大降低對計算機計算的依賴。

圖10 通用時間

3 結束語

Android智能手機測量實習教學系統，不但能夠解決“數字地形測量學”、“大地測量學基礎”實驗實習學時壓縮和常規測量人工方式及其帶來的實踐能力培養不足的問題，而且能夠真正提高測繪數字化信息化水平、激發學生學習熱情和創新意識。該系統的測量記錄、定位計算和成果轉換三大功能模塊，實現水準儀、經緯儀和全站儀等測量教學實習和實踐的內外業一體化，其自身還具有運行快速且便于攜帶與數據保存傳輸的特點。此外，該教學系統還具有拓展性，即根據教學深度和實踐要求增加儀器檢定等功能模塊。

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[責任編輯：張德福]

Development of survey practice and teaching system based on android mobile terminal

LIU Zhiping1,2,YANG Dingliang1,2,ZHANG Shubi1,2

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2. NASG Key Lab for Land Environment and Disaster Monitoring, Xuzhou 221116,China)

Aiming at the shortage of routine teaching practice in digital topographic surveying and geodesy principles, and considering the application demand and universal trend for smart phones and other mobile terminal, this paper develops an Android mobile terminal measurement practice teaching system with the three function modules, including measurement record, positioning calculation and survey transformation. The system mentioned above obtains at least three specific functions for each module by graphical user interface and button interactive operations. In addition, this system, taking into account the classroom teaching demonstration, practice teaching and engineering practice, will provide a new way to improve the measurement practice teaching efficiency and inspire students with surveying and mapping innovative awareness.

Android; smart phone; measurement practice; teaching system; software design

引用著錄：劉志平，楊丁亮，張書畢.安卓測量實習教學系統的設計與實現[J].測繪工程，2017，26(6)：75-80.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.014

2016-07-28

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015B144)；國家自然科學基金資助項目(41204011；41504032)；教育部卓越工程師培養項目(152121508G)

劉志平(1982-)，男，副教授.

G642

A

1006-7949(2017)06-0075-06