基于微信程序的水準測量程序設計與實現

唐廷元,付波霖,劉衛東,婁佩卿,閉 璐,高二濤,范冬林

(1.桂林理工大學 測繪地理信息學院,廣西 桂林 541006;2.中南林業科技大學 土木工程學院,長沙 410004)

0 引 言

測繪科學與工程作為專業基礎學科, 隨著科學技術的飛速發展, 測量手段與科技產品融合已成為必然的趨勢[1-2]。 傳統的水準測量采用的是內外業分離模式, 即通過外業觀測所得數據后, 再進行內業平差處理[3-4]。 外業觀測中人工記錄和檢核數據, 以及內業復雜的平差處理消耗了大量的時間, 降低了測量工作的效率, 同時外業觀測也存在數據檢核不及時、 成果精度不易控制等缺點[5-6]。 第41次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示, 手機網民規模達7.53億, 與此同時臺式電腦、 筆記本電腦、 平板電腦的使用率均出現下降, 手機不斷擠占其他個人上網設備的使用[7]。 微信作為下載量最多的手機APP之一, 根據微信發布的數據顯示, 在2018年第一季度微信月平均活躍用戶達到10億, 已經成為移動互聯網中心之一[8-9]。 2017年1月9日推出的微信小程序擁有觸手可及、 無需下載、 用完即走、 無需卸載的特點, 被稱為 APP 的替代品[10-11]。 作為一種新的發展方向, 它與生活相融合, 以便捷性為目的,以輕量級和高便利性共享為特征[12-13]。

為了改變傳統水準測量內外業分離[14]的現狀, 以及解決現有基于Android的水準測量程序中繁瑣的下載安裝再使用和占用手機內存的問題, 提高水準測量效率， 本文整合四等水準測量外業觀測中的數據記錄、 檢核以及內業數據計算、 平差的工作,設計了一款基于微信程序的水準測量程序。 在測量工作中記錄數據并檢核數據、 控制成果精度,測量完成后進行內業平差計算, 實驗表明，測量效率明顯提升。 本研究有助于實現測量內外業一體化, 并且為以后更多的前沿科技產品與測量工作相結合提供了借鑒, 促進了測量事業長遠發展。

1 程序架構

“水準計算”程序是在微信APP上實現的,可在微信APP上搜索“水準計算”進入使用。程序的主要功能包括測量中數據記錄、 數據檢核，測量完成后數據平差以及成果顯示，具體地:1)數據記錄: 分階段按照單次測站的數據進行記錄, 包括前后視尺黑面的上中下絲和紅面的中絲讀數; 2)數據檢核:數據記錄后,計算出前后視距差和累積視距差,檢驗數據質量;3)數據計算:測量數據記錄完成以后,計算閉合差和高差中數,檢驗測段閉合差并平差數據出成果;4)成果顯示:將測量數據和平差結果顯示在小程序頁面端。程序主要功能模塊如圖1所示。

圖1 程序功能模塊Fig.1 Program functions of each module

2 程序實現過程

整個程序的流程分為: ①操作說明: 對程序的流程說明和四等水準測量操作步驟的簡述; ②數據記錄:包括輸入測量的相關信息、 已知數據和觀測數據; ③數據檢驗:檢驗前后視距差以及累計值等,若超限, 則需要重新測量; ④數據計算: 聯合已知數據和觀測數據求出高差中數和閉合差;⑤數據平差: 閉合差滿足精度要求后, 對數據按照誤差理論和平差基礎[15]進行平差計算, 得到成果; ⑥成果顯示: 在界面上顯示計算后的數據成果。

2.1 操作說明和記錄數據

操作說明為程序的第一步驟, 也是用戶了解和操作程序的關鍵, 包括程序的操作流程和注意事項以及四等水準測量的操作步驟,目的是讓用戶增加對四等水準測量的了解以及快速上手操作(圖2a)。 作為后續數據存儲與平差的基礎, 記錄數據是整個流程的核心步驟之一, 包括四等水準測量工作的相關信息、 測量項目的已知數據和觀測數據。 其中，相關信息包括測量工作項目名稱、 測段名稱、 測量時間、 天氣和記錄人; 已知數據包括起點、 終點高程信息, 如果起、終點高程相同，則為閉合水準測量,反之, 則為附合水準測量(圖2b)。 而觀測數據是在四等水準測量觀測時分測站點進行記錄(圖2c),一個測站點對應一個輸入彈窗, 總的彈窗數根據實際測量工作而定。

圖2 水準測量微信程序Fig.2 Leveling WeChat program

2.2 計算數據和成果顯示

在記錄測站點的觀測數據后,程序會計算測點的前后視距差,再依據《國家三、四等水準測量規范》(GB/T 12898—2009)(以下簡稱《規范》)要求檢驗是否超限,若沒有超限則可以保存數據繼續測量,反之會提示需要重測[16-17]。本程序操作可控制成果的精度,節約測量時間。數據記錄完,程序會計算出閉合差和高差中數,并與允許閉合差比較,若大于允許閉合差會提示“閉合差超限,重測”；反之，就可開始平差。

平差計算是按地形分類計算， 若為山地, 則按測站數對閉合差平均分配到各個觀測高差值中; 若為平地, 則按各測站點的前后視距值的比例將閉合差分配到各個觀測高差值中[18]。 平差計算后得到平差的高差值, 再根據已知點數據, 計算出未知點的高程值， 完成計算數據后, 程序可顯示數據成果。 數據成果包括平差后的高差值和高程值。

3 程序的應用及精度檢驗

3.1 程序應用

以桂林理工大學雁山校區為試驗區, 選取3個典型區域, 綜合利用“水準計算”程序和南方DSZ2自動安平水準儀進行四等水準測量。

第一區域為圖書館的北邊,區域地勢較為平緩。四等水準測量路線為第三教學樓東側→第一食堂→第四教學樓北側、西側→籃球場東側、南側,水準路線如圖3a所示,其中一實景如圖3b所示。

圖3 四等水準測量第一區域Fig.3 First area of fourth order leveling

第二區域位于圖書館的西邊，區域既有起伏路段，也有平緩路段。四等水準測量路線為第八教學樓北側→第七教學樓北側→第六教學樓東側→第五教學樓東側、北側、西側→第六教學樓西側，大概路線如圖4a所示，其中一實景如圖4b所示。

圖4 四等水準測量第二區域Fig.4 Second area of fourth order leveling

第三區域為圖書館和學校南門中間區域，該區域地勢較為起伏。四等水準測量路線為學校南門的T字路口→第二食堂→第八教學樓南側→第七教學樓南側，大概路線如圖5a所示，其中一實景如圖5b所示。按照路線進行四等水準測量，實景圖各區域的部分觀測數據如表1所示。

表1 各區域四等水準測量部分觀測數據Table 1 Partial observation data of fourth order leveling in each area

圖5 四等水準測量第三區域Fig.5 Third area of fourth order leveling

結合“水準計算”微信程序的使用,第一、二、三區域四等水準測量結果分別如圖6a—c所示。通過觀測數據的運算,3次四等水準測量的觀測數據符合《規范》要求。3次四等水準測量,使用“水準計算”微信程序與人工記錄計算的操作及結果對比,表明兩者測量的前后視距差、累計視距差和閉合差等計算結果一致,證明“水準計算”微信程序可在四等水準測量外業中使用。

圖6 各區域數據結果Fig.6 Domain data results from each area

3.2 程序平差結果對比

對3個測量區域進行四等水準測量,結合“水準計算”微信程序的記錄計算,利用已知點高程信息得到未知點的高程值。在南方平差易2002軟件中,輸入3個區域四等水準測量觀測高差對其平差。比較“水準計算”微信程序和南方平差易2002軟件計算出的平差后的未知點高程,得出差值,結果見表2，再由Origin 2017繪制差值散點圖7。

圖7 測站平差后高程差值Fig.7 Height difference after station adjustment

表2 平差后高程值Table 2 Adjustment after elevation value m

綜合可知,“水準計算”程序平差后高程值與南方平差易2002軟件相差0～2 mm,其原因在于該程序平差采用的是概略平差，而南方平差易2002軟件采用的是嚴密平差,兩者采用的平差理論不同,平差結果也有一定的差異。兩程序平差后高差相差0～2 mm,表明了該程序的計算數據成果無誤,也證明了“水準測量”微信程序能在四等水準測量中配合使用。

4 結束語

本文利用“水準計算”微信程序在桂林理工大學雁山校區,采用南方DSZ2自動安平水準儀選擇3個區域進行四等水準測量，所得的結果與南方平差易2002軟件運算結果比較,精度相差在0～2 mm以內,表明該程序計算結果無誤,證明該程序適用于各種地形下的四等水準測量工作或教學中,且有較高的精度。

基于微信程序的水準測量程序是測量手段與科技產品的一次結合,目的在于簡化水準測量的操作,使測量工作內外業結合、縮短外業測量時間、方便外業工作者,更使得微信程序的應用更加全面化、豐富化。該程序具有數據記錄、數據檢核和數據計算、平差的功能,可代替手工記錄、手工計算的操作。

由于微信程序平臺尚不夠完善以及個人能力所限,本研究仍存在不足——還不能對平差后的結果生成文件,不利于成果記錄與存檔，且目前只能運用于水準測量,下一步研究可以增加其功能多樣性,如導線測量、控制測量。