室外長距離基線數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算

摘? 要：野外長距離基線的校準(zhǔn)溯源常采用基線測量的方式實(shí)現(xiàn)，其測量數(shù)據(jù)主要由水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)、基線測量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及重力數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)組成，以往計(jì)算時(shí)，主要采用Excel表格整理和手工計(jì)算方式，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且容易出錯(cuò)。文章介紹一種以VC++ 6.0為開發(fā)平臺的自動(dòng)化計(jì)算方法，該方法可有效提高基線計(jì)算的速度和準(zhǔn)確率，具有較強(qiáng)的適用性。

關(guān)鍵詞：基線測量；數(shù)據(jù)整理；VC++語言；自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TP39；P215? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0153-04

Automatic Calculation of Outdoor Long-distance Baseline Data

ZHANG Chao

（The First Geodetic Survey Team of the Ministry of Natural Resources， Xi'an? 710054， China）

Abstract： The calibration and traceability of the field long distance baseline is often achieved by means of baseline survey. The survey data is mainly composed of leveling data， baseline survey data， temperature data， gravity data and other data. In the past， Excel tabulation and manual calculation methods were mainly used， which is not only time-consuming and laborious， but also prone to errors. This paper introduces an automatic calculation method making VC++6.0 as development platform， which can effectively improve the speed and accuracy of baseline calculation and has strong applicability.

Keywords： baseline measurement; data collation; VC++ language; automatic implementation

0? 引? 言

在我國，一、二等基線的校準(zhǔn)測量均是通過基線測量的方式實(shí)現(xiàn)的，而全國的一、二等基線的高精度距離數(shù)據(jù)直接決定全站儀、測距儀等多種測繪儀器的加乘常數(shù)、周期誤差的確定修正，可見基線測量在長度量值傳遞中起著承上啟下的重要作用。

基線測量用因瓦基線尺丈量置于基線兩端點(diǎn)連線方向上各測段的距離，從而獲得基線的長度。基線測量的主要內(nèi)容有：

（1）定線并設(shè)立軸桿架，將軸桿架按基線尺長度配置在基線方向上，以作為基線尺丈量的標(biāo)志。

（2）軸桿頭水準(zhǔn)測量。

（3）基線尺配置和長度測量等。

其測量數(shù)據(jù)主要有水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)、基線測量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等多部分組成，以往主要是手工計(jì)算、Excel表格整理，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢查整理中由于涉及多種數(shù)據(jù)融合，過程煩瑣帶來眾多的不便，且容易出錯(cuò)。筆者介紹了自己團(tuán)隊(duì)基于VC++ 6.0平臺開發(fā)的自動(dòng)化處理軟件，能夠大大提高基線計(jì)算的速度和正確度，有較強(qiáng)的適用性。

1? 室外校準(zhǔn)測量

目前我國的室外長度測量方式體系完備，高精度測量方式主要有空間大地測量、常規(guī)的大地測量和電磁波測距儀等多種測量方式。其中的基線測量方式融合傳統(tǒng)測量和新型測量等方式，作為校準(zhǔn)溯源的權(quán)威手段，目前廣泛應(yīng)用在室外大長度校準(zhǔn)測量中。瑞典大地測量學(xué)家耶德林于1880年提出懸鏈線法測量距離，奠定了基線丈量理論基礎(chǔ)，拓寬了學(xué)界高精度長度測量的領(lǐng)域；法國工程技術(shù)員紀(jì)堯姆經(jīng)過了多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了殷鋼（也稱為因瓦合金），并在1903年制成因瓦基線尺，其量距精度高達(dá)1/1 000 000、線膨脹系數(shù)極低（小于0.5×10-6/℃），自發(fā)現(xiàn)之日起便在國際大地測量領(lǐng)域得到了廣泛使用。原蘇聯(lián)大地測量學(xué)家斯維杜辛于1957年聯(lián)合我國原地質(zhì)部測繪局（現(xiàn)屬自然資源部）設(shè)計(jì)了西安600 m基線檢定場，名稱和隸屬也幾近更變，最終由筆者所在單位負(fù)責(zé)日常維護(hù)。正是這條基線所在的村子，為我們培養(yǎng)了新中國第一批基線測量人員，也初步構(gòu)建了我國的室外校準(zhǔn)測量的技術(shù)能力。

室外長度校準(zhǔn)以國際長度單位制為依據(jù)，將國際單位制中的“米”層層傳遞至野外基線場長度基準(zhǔn)，作為國家量傳體系的重要組成部分，構(gòu)成了我們的測繪長度計(jì)量系統(tǒng)。如圖1所示。

野外比長基線（標(biāo)準(zhǔn)長度基線場）是高精度野外長度測量儀器的檢定標(biāo)準(zhǔn)，能夠直接影響到長度量值的傳遞，其精度作為計(jì)算參數(shù)因子直接帶入到測繪/計(jì)量成果。按照國家量值傳遞系統(tǒng)表，檢定具有大長度特性的測量器具是在野外標(biāo)準(zhǔn)基線場進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)基線場的長度量值是由24 m因瓦基線尺溯源（24 m因瓦基線尺溯源至中國計(jì)量科學(xué)研究院國家最高長度基準(zhǔn)）。因此，要保證長度測量儀器檢定的準(zhǔn)確性和可靠性，必須首先保證比長基線場長度量值的準(zhǔn)確性、可靠性及統(tǒng)一性。基線校準(zhǔn)測量的技術(shù)路線如圖2所示。

2? 數(shù)據(jù)處理

測量數(shù)據(jù)處理作為基線測量/校準(zhǔn)最核心的部分，經(jīng)過了幾代測量技術(shù)人員的歸納總結(jié)，目前已經(jīng)形成了較為完備的數(shù)理基礎(chǔ)，提煉出了較為完善的數(shù)據(jù)處理流程，計(jì)算之前首先以每條因瓦基線尺的三項(xiàng)改正（即尺長改正、傾斜改正、分劃尺改正），其后分別求算各段間的長度平均數(shù)，再加入重力改正、懸鏈線不對稱改正兩項(xiàng)參數(shù)值即為各段的校準(zhǔn)值，相鄰距離求和則為待求算的基線長度。各項(xiàng)工作完成后，即可進(jìn)行測量平差、精度估計(jì)以及評定測量不確定。

2.1? 溫度改正數(shù)和尺長改正數(shù)

此兩項(xiàng)作為基本改正，溫度改正數(shù)計(jì)算公式：?t=α（t-20）+β（t2-202），μm，式中?t表示溫度改正數(shù)；α、β表示因瓦基線尺溫度線膨脹系數(shù)；t表示溫度，單位為攝氏度（℃）。尺長改正數(shù)：Δl值由因瓦基線尺檢定時(shí)給出。

2.2? 分化尺改正

每根線尺的兩端有三棱分劃尺，其中一個(gè)棱與線尺的中心軸一致。分劃尺的刻度范圍一般為8 cm，最小分劃線間距為1 mm，每1 cm有一注記。前后兩分劃尺的分劃注記方向相同，兩分劃尺上同名分劃之間的距離即為基線尺長度：-?α（b-a）=0.215 5∑（b-a），mm。

2.3? 懸鏈線不對稱改正數(shù)

由于基線尺本身的兩端不等高，引起懸鏈線不對稱，使得同一線尺在傾斜時(shí)懸鏈線弦長? 不等于水平時(shí)懸鏈線弦長l0，其差值稱為懸鏈線不對稱改正。

2.4? 重力變化改正數(shù)

基線尺檢定和基線丈量一般均采用同一組重錘。由于兩地緯度不同，重力加速度也不同。在不同緯度將引起線尺長度的微小變化。?g=7.02×n（（g2-g1）/g1），mm，其中g(shù)1表示因瓦基線尺檢定處（即中國計(jì)量科學(xué)研究院）所處位置的重力加速度；g2表示待測量基線場所在地的重力加速度。

2.5? 計(jì)算方式

測量數(shù)據(jù)主要由水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)、基線測量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及重力數(shù)據(jù)等多部分組成，以往在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要通過手工計(jì)算、Excel表格整理。如圖3所示。

3? 自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

3.1? 數(shù)據(jù)的整理

基于軟件計(jì)算的實(shí)現(xiàn)依然是以數(shù)據(jù)的整理為前提，首先以理順觀測文件為基礎(chǔ)，野外測量的基線觀測數(shù)據(jù)主要由各個(gè)跨距的長度文件（*.LNW/*.LNF）和（*.SZW/*.SZF）構(gòu)成，每段基線測量數(shù)據(jù)具有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（其節(jié)數(shù)、段數(shù)）等表頭信息，為減少軟件自身的多源數(shù)據(jù)的異構(gòu)，有必要修訂為標(biāo)準(zhǔn)格式，從而做到格式易讀、逐一對應(yīng)、方便檢查；其次就是減少數(shù)據(jù)處理的冗余度、快速且占據(jù)內(nèi)存少，要確保原始觀測文件存儲(chǔ)于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)組/指針組當(dāng)中，逐次實(shí)現(xiàn)從冗余煩冗的野外長度測量數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)流程化，（計(jì)算得到的量存儲(chǔ)到預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)指針/數(shù)組中），這樣就從設(shè)計(jì)之處便考慮到了數(shù)據(jù)的不同用戶需求的調(diào)用、存儲(chǔ)、輸出等。如圖4所示。

3.2? 外業(yè)資料的輸入

整理后的水準(zhǔn)資料和長度觀測資料采用CFileDialog類讀取文件，將數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)到指針多維數(shù)組中，其中觀測數(shù)據(jù)中的字符串存儲(chǔ)對象為CString類型。

對其的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述也是較為簡明，其數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)在軟件中以：*ptr_array=new（a1， a2， a3， a4，…， an）描述，軟件設(shè)計(jì)之初，認(rèn)定比長基線數(shù)據(jù)中的水準(zhǔn)的往測高差成果/*.SZW、水準(zhǔn)的返測高差成果/*.SZF、基線測量的往測數(shù)據(jù)/*.LNW、基線測量的返測數(shù)據(jù)/*.LNF四大外業(yè)觀測文件，作為一組的不同類型、屬性各異但又相關(guān)的計(jì)算分量，既把數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理分類，同時(shí)保持了數(shù)據(jù)自身的明顯標(biāo)示，為數(shù)據(jù)的正確處理提供了基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

3.3? 計(jì)算過程

軟件的設(shè)計(jì)構(gòu)建主要流程仍以傳統(tǒng)的基線測量步驟進(jìn)行，即以前文表述的改正和計(jì)算基線全長，流程化的表示如圖5所示。這樣軟件完成組裝后，可以直接與手算結(jié)果完成比對，且過程文件的存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)保持了一致，對計(jì)量資料文件存檔保了無縫對接，增加了軟件自身的兼容性。

由圖5的數(shù)據(jù)處理流程來看，需要對數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行逐一呼應(yīng)，結(jié)合VC++ 6.0面向?qū)ο蟮恼Z言特點(diǎn)，確定了以24 m整跨距、測段、整段（即跨距、測段、全長）為對象來分級定義進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的框架。軟件代碼的標(biāo)示中以P代表跨距（類型有墩標(biāo)、軸桿架等）、N代表測段（以自然數(shù)逐次增加）、C代表整條基線即全長（即比長基線場的總長，m），如圖6所示。

軟件的處理模型可以簡要地描述為Cn[Np（Pi）]：：（I1， I2， I3， I4，…， In），針對每個(gè)跨距而言，要考慮加入的改正數(shù)有讀數(shù)改正數(shù)、傾斜改正、分劃尺改正、測量溫度等，它們就對應(yīng)公式中的I1， I2， I3， I4，…， In。

基線數(shù)據(jù)中間有墩標(biāo)為界，各測段的數(shù)據(jù)互相獨(dú)立，但測段數(shù)N需要以此增加，直至全長C運(yùn)行完畢，過程中需要包括有讀數(shù)累加和、改正數(shù)累加和、傾斜改正累加和、懸鏈線不對稱改正數(shù)、重力變化改正數(shù)等部分。以上以軟件的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的底層邏輯是通過跨距的累計(jì)實(shí)現(xiàn)的。針對于整個(gè)數(shù)據(jù)過程，目標(biāo)是得到基線的全長數(shù)據(jù)，以此作為預(yù)設(shè)目標(biāo)統(tǒng)籌各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并以此作為導(dǎo)向，綜合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、整合跨距、段這兩級既存數(shù)據(jù)，以及存儲(chǔ)需要的其他數(shù)據(jù)。

依照軟件的運(yùn)行邏輯，計(jì)算人員要分步完成數(shù)據(jù)的下載、整理和檢查，直至做到基線數(shù)據(jù)完整、理順跨距P、測段N（往測中遞增、返測遞減）正確地進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，利于各類數(shù)據(jù)的查看和處理結(jié)果的輸出。最后完成軟件的組裝，界面如圖7所示。

4? 結(jié)? 論

文章介紹了團(tuán)隊(duì)以VC++ 6.0為平臺開發(fā)的室外長距離基線數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算方法，能較快地實(shí)現(xiàn)比長基線數(shù)據(jù)檢查和計(jì)算功能。軟件利用既有的比長基線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過多年的用戶測試，軟件基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。但還需要從以下三個(gè)方面進(jìn)行完善：

（1）繼續(xù)對軟件進(jìn)行升級，從外業(yè)數(shù)據(jù)采集，到內(nèi)業(yè)計(jì)算，到校準(zhǔn)結(jié)果出具，實(shí)現(xiàn)一體化完成。

（2）根據(jù)具有二次研發(fā)需要的測試單位反饋的情況，筆者所在單位提供的原始測量數(shù)據(jù)，不能體現(xiàn)出全長測量/校準(zhǔn)過程中易超限測段的超限數(shù)據(jù)警示，不足以為測試單位提供參考（因最初的設(shè)計(jì)思路為讀數(shù)超限則報(bào)錯(cuò)且不做記錄，直至合限差則報(bào)錯(cuò)消失完成記錄），后續(xù)這一模塊需要完備。

（3）下一步將不局限于對基線場的平距進(jìn)行記錄，還要對平距、斜距和橫向偏離度進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此多維度地完成對比長基線場的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對更廣泛的對室外長度基線的監(jiān)督效能。

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作者簡介：張超（1990—），男，漢族，陜西咸陽人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：大地測量和長度計(jì)量。

收稿日期：2022-10-06