測量實踐教學管理系統設計與實現

杜子濤+趙義博

摘 要：近年來，全國各高等院校測量儀器的使用規模不斷擴大，如何實現儀器設備管理的科學化和信息化成為實驗室管理中最需解決的問題之一。針對高校測量儀器室科學管理以及數據處理的問題，利用Visual Basic語言開發了“測量實踐教學管理系統”，該系統具有儀器室管理、數據處理和實習成績管理功能，為測量實驗室的科學管理、測量成果檢驗以及成績管理提供更好的平臺。系統應用于河北工業大學的測量實驗室管理，已經取得了良好的實施效果。

關鍵詞：儀器管理 VB 數據處理 最小二乘法 成績管理

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0024-04

測量學是測繪工程、土木工程、建筑工程等專業的一門專業基礎課程，實踐教學是測量學教學的重要環節，也是培養學生實際操作能力和解決問題能力的有效途徑，起著理論聯系實際、鞏固理論教學、深化實驗教學的重要作用[1]。然而，目前許多高校的測量儀器實驗室仍采用傳統的紙質記錄方法對儀器的借用進行管理，該方法比較落后，無法對各種儀器設備的型號、功能、使用狀態等信息進行及時、全面的收集與整理，不能對儀器設備進行動態管理[2]；此外，傳統的手工測量數據處理速度慢，指導教師不能及時檢查測量數據計算結果是否正確。為了幫助儀器管理人員更加快捷、高效地對測量儀器進行管理，提高對學生測量成果評定的效率，利用Visual Basic編程語言開發了“測量實踐教學管理系統”。該系統以高校測量實驗室所擔負的測量實習任務為出發點，結合儀器管理、數據處理、學生教學成績評定等多方面的需求，對系統進行設計與實現。該系統既可以減少儀器管理人員的工作量，降低運行成本，又能幫助指導教師快速檢驗和管理學生實習成果。

1 系統的功能設計

Visual Basic是一種由微軟公司開發的結構化的、模塊化的、面向對象的、包含協助開發環境的事件驅動為機制的可視化程序設計語言。綜合VB的上述特點，開發的系統以面向對象程序設計為原則，結構化的編程思想強調過程的模塊化，每個模塊完成一個特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起來，成為一個整體，完成整個系統所要求的功能。模塊化使整個架構更加清晰，容易理解，提高可維護性。測量實踐教學管理系統的結構如圖1所示，整個系統分為測量儀器室模塊、測量數據處理模塊和學生成績模塊。

1.1 測量儀器管理模塊

該模塊從數據庫設計與創建入手，共包含三項功能：儀器管理、查看指導手冊、調用實習表格。通過此模塊，可以有效地將測量儀器的基本信息在窗體上展示出來，供學生們進行儀器的選擇，并進行記錄工作，實現儀器借出功能；學生實習結束后歸還儀器和實驗室新購入儀器，原有的文檔增加相應的記錄，以后再借出儀器時窗體上會自動顯示添加的內容，實現歸還和添加功能[3]。同時本模塊也帶有儀器使用說明書和外業測量表格，可供學生進行查閱，減少學生自己查找實習資料的麻煩。

1.2 數據處理模塊

（1）水準及水準網測量平差模塊。

水準測量平差模塊著眼于水準測量數據平差處理，利用最小二乘法解算觀測數據改正數，根據相應的近似值求和法則計算新的近似值，理論嚴密且結果精度較高。

（2）角度測量計算模塊。

角度測量分為水平角測量和豎直角測量，一個完整的角度測量過程又分上半測回和下半測回觀測兩部分，角度測量計算程序綜合各種算法，先分別計算上下半測回的角度，即盤左和盤右觀測值，取盤左盤右所得角值的平均值即為一測回的角值。

（3）導線測量平差模塊。

導線按照布設形式分為附和導線、閉合導線和支導線，不同的導線計算原理相同，但是所列誤差方程式和法方程式不同。總體說來，導線觀測數據可分為轉折角、導線邊以及導線點的坐標，因此，文本文檔也采用此種分類方式進行記錄。導線測量平差系統自動判別觀測數據類型然后針對不同的導線形式列出相應的誤差方程式進而求出改正數、觀測量的平差值以及測站點的坐標平差值。

1.3 學生成績管理模塊

學生成績評定也是必不可少的工作之一，任課教師可以使用該模塊讀入學生信息、錄入實習成績，還可以打印成績單以及再次查閱、修改學生成績。

2 系統的實現

2.1 測量儀器管理模塊

測量實習經常用到的儀器主要包括水準儀、經緯儀、全站儀等類型，同種類型的儀器根據其規格、觀測精度等特征又可以分為不同的型號，因此，如何根據儀器的不同特點來進行有效地分類管理是尤為重要的。在實驗室搜尋指定儀器時，可按照儀器名稱→儀器型號→儀器編號逐級過濾的方式進行[4-5]。對于此軟件來說，單擊下拉式組合框“儀器名稱”可以查看儀器室現有儀器的種類，點擊下拉式組合框“儀器型號”能夠選擇待借的儀器型號，在窗體上相應文本框中可以看到總數、借出數量等信息[6]。

借用記錄文件所記載的儀器使用情況包含下述信息：儀器名稱、儀器型號、姓名、學號、聯系方式、時間、借用/歸還數量。借出與歸還儀器之前要先輸入借用者的個人信息，然后單擊“借出儀器”/“歸還儀器”按鈕或者點擊菜單欄相應的下拉菜單，輸入數量后再輸入要保存的文件名稱。該軟件為實現系統的建立利用文件的方式記錄以上信息并將文件集中存儲于指定的路徑。在每次啟動管理系統時首先讀取記錄文件，在關閉系統時以最新的記錄保存于記錄文件之中。隨著使用次數的逐漸增多，以該儀器名稱命名的文件中相應的記錄也會增多，并以最新的記錄日期顯示[7]。

除了儀器借出與歸還，查閱測量實習資料也是本模塊的一個重要功能。測量實驗室管理模塊有很多與實習相關的資料，例如儀器使用說明書等，學生在實習過程中遇到問題時，可以及時進行資料的查閱，從而解決實際問題，保證實習的順利進行；點擊菜單欄“測量實習表格”還可以查看測量常用的一些記錄表格，通過該模塊直接調用測量記錄用表，見圖2。

2.2 數據處理模塊

各測量平差模塊與儀器室管理模塊有所不同，其大致分為3個部分，分別是觀測數據的采集輸入部分、數據處理部分和結果輸出部分，其中每一部分都根據實際需要進行設計。對于傳統的平差方法來說，列立誤差方程和條件方程是解題的關鍵，編制軟件也不例外。首先根據誤差方程：

導線測量平差權陣的列立會在下文中進行詳細論述，接下來對每一模塊的具體情況進行闡述。

2.3 水準測量平差模塊

在水準平差實際計算中，存在兩種條件形式：（1）附和水準條件；（2）閉合水準條件。根據最小二乘法，編寫了條件平差和間接平差兩種數據處理方法。由上文提到的測量平差模塊的三個步驟可知，數據處理的第一步是讀入觀測數據。點擊菜單欄“條件平差法”或者“間接平差法”選擇下拉菜單“讀入觀測數據”，在彈出的窗口中選擇要處理的數據文件。這時系統可以自動判別數據類型即附和水準或者閉合水準，并將已知點信息、觀測量分別顯示在窗體上相應的文本框中。然后根據平差方法列立法方程，分別點擊兩個菜單欄下的“組建法方程”能夠組建法方程式，再單擊“平差計算”，窗體上相應的文本框內可以顯示改正數和平差值。觀察圖3相應文本框內不同平差方法解算的結果，不難發現，對同一平差問題，利用不同的平差方法進行處理，其結果是完全一樣的。該系統還設有成果導出功能，可以將平差計算后的結果導出到記事本直接用于工程施工。

2.4 水準網測量平差模塊

水準網是由若干條單一水準路線相互連接構成節點或網狀形式，因此水準網測量平差與水準測量平差類似，只是誤差方程系數陣和權陣的階數更多。平差計算前同樣是先讀入觀測數據，系統會自動判別已知數據和觀測數據并將其分別顯示在窗體上。單擊菜單欄“水準網平差”下“組建法方程”為平差計算做好數據準備。然后單擊“平差計算”，系統計算觀測高差的改正數并根據相應的近似值求和原則計算高差和所選參數的新的近似值[11]，水準網平差算例如表1～表4所示。

2.5 角度測量計算模塊

角度測量計算模塊針對不同的角度測量類型編制了對應的計算程序，分別是豎直角計算、水平角計算和三角高程測量計算。這里的計算方法比較簡單，是根據常規的角度計算公式編寫而成。先計算半測回的角值，再利用

（6）

計算一測回的角度數值。在窗體上對應的文本框中輸入觀測所得的數據后，點擊菜單欄下相應的“計算結果”按鈕，各類計算數值就可以很快輸出在窗體上，彌補傳統手工算法的不足，避免小數點后取位等因素造成的精度較低問題，見表5。

2.6 導線測量平差模塊

導線測量就是依次測定導線邊的長度和各轉折角，根據已知坐標方位角和已知坐標算出各導線點的坐標。利用全站儀雖然可以直接測得導線點的坐標，但由于多種因素影響，觀測數據必然會含有誤差，不能滿足施工作業的要求，因此，通常將測量數據做平差處理后再投入生產使用。

導線測量平差是整個系統中最為復雜的一部分，觀測數據包含的角度和導線長度都需要分別列立誤差方程來進行分析，同時導線平差代碼也必須根據觀測數據類型分類編寫。

誤差方程系數陣各行列值可以根據觀測類型分為角度和導線長度兩類，角度按照測站點坐標是否已知又可分為控制點、與控制點臨近點和其他中間點三類，控制點角度對應的行列值為：

組建誤差方程的語句編寫成功后，其他工作就可以仿照前幾種平差類型編制了。待所有環節結束后，同樣是先導入待處理文件，然后解算觀測量平差值和所選參數點的坐標，運行情況如圖4所示。

2.7 學生成績管理模塊

學生成績評定是實習工作的最后一個環節，也可以說是學生們最為關心的部分。單擊菜單欄“學生成績管理”選項下的下拉菜單“學生信息查詢”，選擇要讀入信息的班級。在“學生信息”文本框內會看到學生的基本信息，老師可以在成績一列輸入各個學生的成績。成績輸入之后打印成績單，保存本班學生成績。

錄入成績后，老師還可以再次打開成績單以了解學生的學習情況或者檢查是否輸錯。單擊菜單欄的“學生成績管理”選項，點擊 “查詢學生成績”，在彈出的輸入對話框中選擇要查看信息的班級。

3 結語

該文結合高等院校學生實習與實驗室管理的需要，闡述了“測量實踐教學管理系統”的設計與實現過程，該系統大大提高儀器的管理效率，有效地幫助儀器室的管理人員掌握測量實驗室中儀器的情況，同時可以對觀測數據進行數據處理，求出未知量的最佳估值并評定結果精度。系統在一定程度上已經實現了測量實驗室管理的科學化與智能化，大大提高了檢驗測量數據精度的效率，但是仍存在不足之處。今后可以開發網絡版本，實現網上預借儀器功能，也可以制作精簡版供學生下載，方便學生自主檢查數據處理結果。

參考文獻

[1] 杜子濤，楊小明，顏樹強，等.測量學實踐教學的改革與實踐[J].測繪與空間地理信息，2013，36（8）：17-18.

[2] 邵改革.測繪儀器信息管理系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2015，38（5）：112-114.

[3] 勾朝君.測量實驗室儀器管理系統設計與實現[J].計算機光盤軟件與應用，2014（24）：274.

[4] 任曉英.淺談設計單位測量儀器室的日常管理與維護[J].科技風，2012（8）：277.

[5] 田晉.測繪儀器管理系統軟件的設計與實現[J].測繪地理信息，2014，39（6）：66-68.

[6] 劉亞靜，王健.基于C/S和B/S模式的測量儀器網絡化管理平臺的設計與實現[J].測繪通報，2013（10）：109-111.

[7] 羊海棠，彭采宇，王園朝，等.實驗教學示范中心儀器管理信息系統的設計與實現[J].實驗技術與管理.2015，32（7）：148-151.