基于Android 智能手機的陀螺定向測量數據處理系統

高楚天 郭 明 劉運明* 王志良 郭可才

（1、北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京102616 2、現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京100044 3、北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101 4、國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州510300 5、北京申信達成科技有限公司，北京102444）

1 概述

經濟發展使得城市土地資源愈發緊張，開發和利用地下空間勢在必行[1]。習近平總書記在2016 年全國科技創新大會明確提出，向地球深部進軍是我們迫切需要解決的戰略科技問題[2]。在地下中長隧道建設過程中，經常需要獲取邊線的精確方位，過去常使用的方法是導線測量[3]，而現在通常采用陀螺全站儀來完成定向工作[4]。將全站儀與陀螺儀復合在一起所組成的測量儀器稱作陀螺全站儀[5]，它具有觀測簡單方便、效率高、定向精度高、受環境影響小等優點[6]，廣泛應用于礦山、隧道等地下工程中[7]。使用陀螺全站儀進行定向測量解決了導線測量方法誤差累計大、精度較低和抗環境影響力弱的問題，在精確確定方位角方面具有決定性的優勢。

然而，在使用陀螺全站儀進行測量的過程中，也存在著一些問題。陀螺定向數據一般使用紙筆來記錄，但地下測量現場往往環境惡劣，用紙筆進行定向數據的記錄存在諸多不便，如風吹、沙塵、光線等造成的影響。另一方面，陀螺全站儀具有儀器較為笨重、不易移動的缺點，不便反復進行測量檢核，需要在每個測站點完成測量后，立即對觀測數據進行精度評估[8]，而通過筆算的方法來評估數據精度繁瑣復雜、耗費時間且浪費人力。再者，陀螺全站儀內置的數據處理系統只能計算出陀螺方位角[9]，獲取實際應用中需要的待測邊坐標方位角仍需自行筆算。針對以上問題，本文開發設計了基于Android 手機移動端的陀螺定向數據處理系統，該系統能實現在測量現場使用手機記錄陀螺定向數據、對數據進行精度評估并計算待測邊坐標方位角的功能，并在我國首條過海隧道建設工程中使用了本系統，驗證了系統的正確性與可行性。

2 數據處理系統設計與開發

2.1 系統配置

陀螺定向數據處理系統編寫語言為Java，基于Andorid studio 平臺進行開發。Andorid studio 平臺版本為3.5.2，Andorid SDK Tools 版本為26.1.1，Android Platform Tools 版本為29.0.6，Android Platform Version 版 本 為API 29:Android 10.0（Q）revision 4，build:gradle 版本為3.5.2。系統可在安裝Android 6.0版本及以上的智能手機上運行，支持實時運算，界面簡潔大方，易于操作，具有計算成果可視化的顯示。在系統開發過程中，通過intent 組建保證數據的傳遞，在頁面跳轉時將數據傳遞過去，并使用了安卓內置的輕型數據庫SQLite，保證了程序對數據的設置與使用。

2.2 開發流程

一般而言，陀螺定向過程為：首先在地面已知邊上使用陀螺全站儀進行多測回定向測量，然后在地下待測邊上完成多測回的正向、反向定向測量，最后回到地面已知邊，再完成一次多測回的定向測量。通過這些定向測量數據及已知方位邊坐標，即可計算儀器常數和子午線收斂角，并結合陀螺方位角計算待測邊坐標方位角。計算過程已有很多文章進行了推導，此處不表。

為方便在實際工程使用，本系統根據陀螺全站儀定向流程開發，主要由定向數據記錄、精度檢核及坐標方位角計算三個模塊組成。開發流程為：首先根據上述定向過程，使用陀螺全站儀獲取定向數據，將定向數據輸入系統；系統計算儀器常數均值及互差，判斷互差是否超限，若是則重測，若否則進行坐標反算、子午線收斂角計算和儀器常數計算，再判斷測站間距離是否大于10km，然后后計算待測邊坐標方位角；最后上傳所有數據，將其保存在筆記本或者PC 端。圖1 為系統設計的算法流程圖：

圖1 系統算法流程圖

3 實驗與分析

3.1 工程概況

以廈門市海滄海底隧道工程的定向工程作為實例。海滄海底隧道長約6.4 公里，跨海域面積長約2 公里。它連接廈門本島與島外的海滄區，能增強廈門島與海滄區之間的交通能力，是廈門城市交通網絡極為重要的一環。由于該隧道貫通距離較長，使用導線測量的方法進行定向可能會存在較大偏差，如果偏差造成隧道不能按照設計軸線掘進，不僅損失大量人力、物力和財力，而且直接影響軌道交通工程的施工建設，所以需要通過陀螺定向來檢校已經施測的6″級導線。在海滄海底隧道工程陀螺定向過程中，使用了本系統記錄定向數據，對定向數據實時進行精度檢核，并現場計算了待測邊坐標方位角。

3.2 系統實現與分析

系統主界面分三個模塊：數據記錄，精度檢測和坐標方位角計算，如圖2a 所示。根據陀螺定向流程，首先要進行定向數據記錄。圖2b 是“數據記錄”選項下的界面。

圖2 系統操作界面

本次定向測量的定向邊為GDG74→GDG12，待測邊為1055→1320。在系統中輸入測量邊的點號，如圖3a 所示。在開始陀螺定向測量之前，首先輸入已知邊兩端點坐標及測站點經緯度。點擊"計算"按鈕，可直接得到已知邊坐標方位角和子午線收斂角，如圖3b 所示。圖3c 為已知邊第一次測量數據。

圖3 數據記錄模塊內界面

在實際工程中，除上述地上定向測量外，還有待測邊正向測量、反向測量和已知邊第二次測量，為避免圖片過多造成冗余，這里不再贅述。

在測量完成后，需要對定向數據的精度進行檢核。對定向數據的精度要求為：地面已知邊兩次測量的陀螺方位角互差均要小于10″，均值互差要小于15″；地下待測邊的正測與反側的方位角較差應小于10″。在本系統中，點擊"精度檢測"，系統會通過計算來判斷數據精度是否符合要求。若符合要求，則可進行坐標方位角的計算；若計算結果超限，則需要重新進行測量。本次測量過程中，兩次地面觀測值互差分別為6″和10″，地下待測邊觀測值互差各為8″和9″，均小于精度要求的10″，說明儀器內外符合精度要求。兩次地面觀測值均值分別為344°18'13"、344°18'05"，互差值為8"，不超過限值15″，說明數據精度符合要求。

計算坐標方位角要考慮到已知邊測站點和待測邊測站點之間的坐標距離。在本次工程中，兩測站點之間坐標距離小于10km，選擇“小于10km”選項后，系統自動運算得到儀器常數，并計算出待測邊坐標方位角，結果如圖4 所示。

圖4 坐標方位角計算

廈門海滄海底隧道工程中，待測邊1055→1320 通過導線測量得到的坐標方位角為88°47'04"，與通過本系統得到的坐標方位角進行比較，結果僅相差2"，說明通過兩種方法得到的定向結果互相吻合，數據處理系統穩定可靠。

4 結論

本文設計開發了基于普通商用Android 手機的陀螺定向數據記錄與處理系統，該系統能實現在Android 智能手機上記錄陀螺定向數據，具有簡單、方便使用的特點；可實時進行數據精度檢核，避免因數據精度不合格而反復重測，減輕了實際測量中的麻煩；在獲取陀螺定向數據后能立即得到坐標方位角，可以與已知數據比對，避免返工，有效提升了測量工作效率。在廈門海滄海底隧道定向工程中進行了實際應用，獲得了滿意效果，驗證了系統的有效性與準確性。下一步將要繼續研究智能手機與陀螺全站儀無線通訊技術，進一步提高系統自動化程度。本系統可在未來礦山、隧道等領域的地下工程中廣泛使用，且能為在智能移動設備上開發的數據處理軟件提供寶貴經驗。