PDA在水文水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

聞衛(wèi)東　繆浩川　張靖

摘要：為充分利用PDA的便捷性和智能化，基于PDA應(yīng)用的4項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，開發(fā)了集水文水準(zhǔn)測(cè)量管理、記錄、計(jì)算、報(bào)表打印于一體的水文水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用軟件。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好、操作方便，可實(shí)時(shí)、智能地記錄數(shù)據(jù)，高效處理數(shù)據(jù)，提高了水文測(cè)站水準(zhǔn)測(cè)量的效率。該系統(tǒng)可在水文站三等水準(zhǔn)測(cè)量和水尺零高測(cè)量中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PDA;水文水準(zhǔn)測(cè)量;水尺零高測(cè)量

中圖法分類號(hào)：P224.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10. 15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.005

水文水準(zhǔn)測(cè)量為水位觀測(cè)提供基準(zhǔn)，是水文測(cè)站的基礎(chǔ)工作之一，主要包括水文三等水準(zhǔn)測(cè)量和水尺零高測(cè)量。

在傳統(tǒng)水文水準(zhǔn)測(cè)量工作中，通常采用人工觀讀數(shù)據(jù)、手工記錄的方式，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)記測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算各項(xiàng)限差和結(jié)果，整個(gè)過程稍有差錯(cuò)可能會(huì)導(dǎo)致返工。外業(yè)測(cè)量結(jié)束后，還需要內(nèi)業(yè)計(jì)算整理及校核，工作量較大。傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀觀測(cè)加掌上電腦（PDA）現(xiàn)場(chǎng)記錄成為目前水文站水準(zhǔn)測(cè)量較為理想的方式[1]。

PDA在水文水準(zhǔn)測(cè)量中，仍采用人工觀讀數(shù)據(jù)，PDA記錄數(shù)據(jù)。將讀數(shù)輸入PDA中的程序界面，即可實(shí)時(shí)得到各類限差以判斷其是否超限，并計(jì)算成果，輸出所需要的報(bào)表。該方式能極大地提高測(cè)量效率。

1 PDA應(yīng)用設(shè)計(jì)的原則

1.1 規(guī)范性

該系統(tǒng)除應(yīng)符合GB/T 12898-2009《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[2]要求外，還必須滿足SL 58-2014《水文測(cè)量規(guī)范》[3]等水文行業(yè)規(guī)范要求。例如水尺零高測(cè)量中的間視、直讀等測(cè)量方式，在水文行業(yè)普遍采用，因此在系統(tǒng)中也加入了該類功能。數(shù)據(jù)取位、限差計(jì)算、報(bào)表格式也應(yīng)符合水文行業(yè)的要求。

1.2 可靠性

水準(zhǔn)測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，驗(yàn)潮站水尺零高測(cè)量時(shí)效性較高，所以對(duì)PDA應(yīng)用的可靠性要求較高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)預(yù)見到各類意外情況的發(fā)生，數(shù)據(jù)應(yīng)能實(shí)時(shí)存入磁盤。PDA發(fā)生死機(jī)、斷電、誤操作等情況，均能在重新開機(jī)打開該項(xiàng)目后，自動(dòng)從上次保存位置處重新開始記錄[4]。

1.3 唯一性

水準(zhǔn)記錄系原始觀測(cè)資料，原始觀測(cè)記錄應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)記載，不得有劃改、擦改、涂改現(xiàn)象。采用電子記錄后，極易發(fā)生數(shù)據(jù)修改現(xiàn)象。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)作加密處理，測(cè)量完成后，應(yīng)無法對(duì)其進(jìn)行修改，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的唯一性。

1.4 便捷性

系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：①在數(shù)據(jù)輸入過程中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)輸人數(shù)據(jù)，屏蔽無效按鍵，實(shí)時(shí)檢查各項(xiàng)限差，提示超限的讀數(shù);②自動(dòng)切換輸入焦點(diǎn)等待用戶輸入，且待輸入處應(yīng)高亮顯示，也可手工切換輸入框，操作方式實(shí)現(xiàn)靈活多變，盡最大可能減少用戶的按鍵次數(shù);③實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的輔助信息，如高差、視距，以指導(dǎo)架站、置尺等測(cè)量動(dòng)作。

2 PDA應(yīng)用的開發(fā)與組成

系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0為編程語言，其編程簡(jiǎn)單、方便、功能強(qiáng)大，具有良好的接口環(huán)境，并為應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的功能支持，對(duì)控制數(shù)據(jù)輸入采用的文本框控件特別有效，為該系統(tǒng)輸入的便捷性提供了有力支撐。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采用ASCII編碼的文本文件格式，便于PDA與桌面電腦的數(shù)據(jù)交換;報(bào)表打印采用Excel模板定制功能[5]，用戶可預(yù)先修改軟件內(nèi)置的測(cè)量記錄表和成果表打印模板，以得到需要的報(bào)表形式。

可在安裝了Windows操作系統(tǒng)的PDA及桌面電腦上運(yùn)行系統(tǒng)。PDA主要用于外業(yè)測(cè)記，桌面電腦主要用于報(bào)表打印。 水文水準(zhǔn)測(cè)量PDA應(yīng)用系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成，即項(xiàng)目管理、外業(yè)測(cè)記、報(bào)表打印，見圖1[6]。

3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)分為面板設(shè)計(jì)、菜單設(shè)計(jì)、標(biāo)簽設(shè)計(jì)、按鈕設(shè)計(jì)和文本框設(shè)計(jì)[7]。面板設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主界面、項(xiàng)目信息界面和外業(yè)測(cè)記界面及屏幕保護(hù)界面。菜單設(shè)計(jì)為主界面所用的菜單，僅起到輔助作用，實(shí)際操作中使用不多。標(biāo)簽設(shè)計(jì)主要為項(xiàng)目信息顯示所用。按鈕設(shè)計(jì)和文本框設(shè)計(jì)主要為外業(yè)測(cè)記界面所用，是系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)所在。用戶最常用的數(shù)字按鍵設(shè)計(jì)為一個(gè)方形虛擬鍵盤，鍵盤內(nèi)置數(shù)字及常用字符按鍵，配合文本框可協(xié)同輸入，自動(dòng)判斷讀數(shù)長(zhǎng)度及焦點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，以提高輸入效率。

為增加用戶作業(yè)的便捷性，PDA操作全程采用觸摸方式，從項(xiàng)目的建立、數(shù)據(jù)的輸入、功能的選擇等操作均可觸摸完成;在桌面系統(tǒng)中使用鼠標(biāo)加鍵盤操作，符合一般用戶的習(xí)慣。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

PDA要實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)記錄、高程計(jì)算到內(nèi)業(yè)成果整理全電子化，從而最大限度地提高外業(yè)測(cè)量效率，測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的錄入、保存、計(jì)算等流程的順暢度是整個(gè)軟件開發(fā)的關(guān)鍵。考慮到數(shù)據(jù)在PDA中運(yùn)算的速度問題，以及便于項(xiàng)目管理和數(shù)據(jù)交換，故將項(xiàng)目數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為文本文件，既無需安裝額外的數(shù)據(jù)庫，也可大大提高效率。

項(xiàng)目文件分為3個(gè)部分，每部分均由控制字符分隔，由程序自動(dòng)判別。①項(xiàng)目信息。主要包括測(cè)量方式、站名、河段、儀器編號(hào)、AB尺號(hào)、AB尺常數(shù)、天氣、風(fēng)力、風(fēng)向、呈像、觀測(cè)人員、記錄人員、測(cè)量起始時(shí)間等。②i角檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。③測(cè)量數(shù)據(jù)。包括檢測(cè)數(shù)據(jù)、往測(cè)數(shù)據(jù)、返測(cè)數(shù)據(jù)。

測(cè)量數(shù)據(jù)的檢測(cè)、往測(cè)、返測(cè)均采用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以行列方式排列。每一行為一站數(shù)據(jù)，每行的不同列代表各字段信息，包括測(cè)站序號(hào)、后視點(diǎn)名、前視點(diǎn)名、后視的上中下絲、后視紅面、前視的上中下絲、前視紅面;計(jì)算數(shù)據(jù)包括前視距離、后視距離、視距差、累計(jì)視距差、本站高差、本站累計(jì)高差等[8]。

水尺零高測(cè)量與水文三等水準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于水尺零高測(cè)量時(shí)直接讀取前后視距，無上下絲讀數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中也體現(xiàn)了該特征。當(dāng)存在間視時(shí)，本站的間視數(shù)據(jù)在下一行，采用相同的測(cè)站序號(hào)，即相同測(cè)站序號(hào)的數(shù)據(jù)首行為前后視數(shù)據(jù)，以下其他行為間視數(shù)據(jù)，一個(gè)間視點(diǎn)占據(jù)一行，因此一個(gè)測(cè)站的間視點(diǎn)數(shù)量與間視數(shù)據(jù)行數(shù)一致。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)加密

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的唯一性，在外業(yè)完成后，不能修改現(xiàn)場(chǎng)測(cè)記的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)加密功能。數(shù)據(jù)加密僅對(duì)測(cè)量讀數(shù)加密，不包括測(cè)站信息和點(diǎn)名信息。

為防止數(shù)據(jù)違規(guī)改動(dòng)，在外業(yè)測(cè)記界面中，回退按鈕只能回退一站，對(duì)最后一站的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。前幾站的數(shù)據(jù)僅供瀏覽，不能予以修改。即使在電腦中修改數(shù)據(jù)文件，因測(cè)量數(shù)據(jù)加密時(shí)采用前后數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方式，故強(qiáng)行解密修改會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，用戶破解數(shù)據(jù)十分困難。

3.4 項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理包括新建項(xiàng)目信息的錄入以及對(duì)已有項(xiàng)目信息的讀取及修改。項(xiàng)目信息的錄入包括水文測(cè)站信息（名稱、河段等）、儀器設(shè)備信息（水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺等）、測(cè)段信息（線路性質(zhì)、起算點(diǎn)等）、氣象信息（天氣、風(fēng)力等）及測(cè)量人員信息。

打開項(xiàng)目管理后，在項(xiàng)目信息界面選擇測(cè)量方式，與本站有關(guān)的信息位于頁面右側(cè)，用戶可根據(jù)需要更改測(cè)量信息，但不可改變測(cè)量方式。一個(gè)項(xiàng)目建立后，系統(tǒng)將默認(rèn)項(xiàng)目包含往測(cè)、返測(cè)、檢測(cè)及i角檢驗(yàn)。

項(xiàng)目信息和測(cè)站信息均可在系統(tǒng)安裝目錄下的信息文件中預(yù)置，不同單位用戶可自行編輯該信息文件，自定義項(xiàng)目信息。

3.5 數(shù)據(jù)錄入和焦點(diǎn)切換

在水準(zhǔn)記錄過程中，為了提升用戶使用體驗(yàn)，軟件需要對(duì)錄入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并輔助用戶進(jìn)行輸入焦點(diǎn)切換和超限提醒。以水文三等水準(zhǔn)的后視黑面讀數(shù)為例，首先為該文本框添加一個(gè)焦點(diǎn)切換監(jiān)聽器，并在其內(nèi)判斷讀數(shù)是否超限。限定文本框只能輸入整數(shù)，且長(zhǎng)度為4個(gè)字符，當(dāng)輸入4個(gè)字符后，判斷讀數(shù)是否合理（是否在尺長(zhǎng)范圍內(nèi)，與上下絲關(guān)系等），若超限，則在信息框中給出紅色字體的提示;若未超限，則將焦點(diǎn)切換到下一個(gè)目標(biāo)。當(dāng)信息框中出現(xiàn)紅色字體提示時(shí)，說明存在超限數(shù)據(jù)，焦點(diǎn)停留在最后輸入數(shù)據(jù)的文本框中，且只能待誤差或錯(cuò)誤消除后才能進(jìn)行下一步測(cè)量。

焦點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)順序與測(cè)量的順序相關(guān)，以水文三等水準(zhǔn)為例，測(cè)量順序?yàn)楹笠暽辖z、后視下絲、后視中絲，前視上絲、前視下絲、前視中絲、前視紅面、后視紅面[5，9]。

3.6 特殊功能開發(fā)

根據(jù)水文行業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水尺零高測(cè)量可采用“間視”測(cè)量方式，即在某一測(cè)站觀測(cè)前后視標(biāo)尺的過程中，還可采取“間視”的方式測(cè)量其他水尺。當(dāng)水尺處立尺困難時(shí)，可采取“直讀”方法，利用水尺樁上的水尺板讀數(shù)（該讀數(shù)無紅黑面，讀兩次代替紅黑面）。這些方法均是水文測(cè)站多年經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)還應(yīng)充分考慮一些特殊情況，如在水尺零高測(cè)量中，間視點(diǎn)數(shù)量可不限;讀尺方式可為水準(zhǔn)尺或直讀水尺板;置尺位置可直接輸入，無論單尺或雙尺均可完成測(cè)量[2-3]。

根據(jù)SL 58-2014《水文測(cè)量規(guī)范》b1規(guī)定，新測(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)和水尺零點(diǎn)高程與原測(cè)高程相差不超過該次測(cè)量的允許值，或不大于10 mm時(shí)，仍采用原測(cè)高程。系統(tǒng)在項(xiàng)目建立時(shí)，測(cè)站一旦確定，即可從信息文件中獲取本站各支水尺及各水準(zhǔn)點(diǎn)的原測(cè)高程，在計(jì)算往返測(cè)平差后制作成果表時(shí)，將本次測(cè)量高程與原測(cè)高程進(jìn)行比對(duì)，以確定采用高程。

4 系統(tǒng)的測(cè)試與應(yīng)用

水文水準(zhǔn)測(cè)量PDA應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)后，在長(zhǎng)江口區(qū)域的潮位站水文測(cè)量中進(jìn)行了多輪現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試所用的設(shè)備為清華紫光PDA（型號(hào)為M289-Plus 16G，屏幕尺寸8.1寸，操作系統(tǒng)為Win-dows 10），測(cè)試包括水文三等水準(zhǔn)測(cè)量和水尺零點(diǎn)高程測(cè)量[10]。

為提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還進(jìn)行了各類模擬測(cè)試。①在系統(tǒng)中同時(shí)打開多個(gè)軟件，測(cè)試其受干擾能力;②有意造成死機(jī)、斷電、誤操作等情況，測(cè)試其可靠性;③在使用充電寶情況下系統(tǒng)操作的便捷性及其工作時(shí)長(zhǎng);④在不同外界環(huán)境下，如強(qiáng)太陽光下、陰天、大風(fēng)等，測(cè)試是否對(duì)野外記錄等功能產(chǎn)生影響。

經(jīng)多次測(cè)試和修正后，形成了系統(tǒng)的最終版本，在長(zhǎng)江口地區(qū)的楊林等潮位站2019年汛前測(cè)量中進(jìn)行了應(yīng)用，包含3個(gè)測(cè)站共計(jì)6 km的三等水準(zhǔn)測(cè)量，3組共計(jì)14支水尺的水尺零高測(cè)量。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，報(bào)表規(guī)范，效率較傳統(tǒng)記錄方式提高了約30%;界面簡(jiǎn)潔，人性化程度較高，新用戶在接受簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可正確使用[11]。

5 結(jié)語

在外業(yè)階段，水文水準(zhǔn)測(cè)量PDA應(yīng)用系統(tǒng)可利用PDA記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)快速檢核數(shù)據(jù)質(zhì)量以及閉合差，并制作符合水文規(guī)范要求的成果表;在內(nèi)業(yè)階段，可用于資料的計(jì)算審核及成果打印。通過實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了水準(zhǔn)測(cè)量?jī)?nèi)、外業(yè)工作流程，降低了作業(yè)強(qiáng)度，且符合水文規(guī)范要求，可替代人工記錄，實(shí)用價(jià)值較高。

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（編輯：李曉漾）