Python 編程語言在“工程測量實習”課程數據處理中的應用＊

張 波，陳學永，王澤誠，楊水泉，李冬濤

（廣州華立學院，廣東 廣州 529100）

1 研究背景

在“工程測量實習”課程的教學過程中，數據處理是課程重點內容之一。工程測量實習完成以后，學生需要花費大量的時間進行測量數據的處理，教師在收到學生提交的測量實習報告后，也需要花費大量時間校核學生的測量數據的可靠性。

Python 語言是一個語法簡潔、可跨平臺、可擴展的開源通用腳本語言，Python 語言在數據分析、工程計算等方面優勢突出[1-4]。

在“工程測量實習”課程中，一般會進行水準測量、角度測量、導線測量等實習內容，為了提高工程測量實習的效率，本文利用Python 編程語言開發了一套工程測量數據處理系統，通過使用該軟件系統處理數據，極大地提高了“工程測量實習”課程測量數據的處理速度，提高了學生的學習效率，減輕了教師核查學生測量實習數據的工作量[5-6]。

2 數據處理軟件主界面及數據輸入流程設計

為了方便用戶使用軟件，需編寫可視化界面，本文采用Python 程序的tkinter 庫編寫可視化界面[7]，框架結構如圖1 所示。

圖1 “工程測量實習”數據處理程序主界面菜單

對于高程測量，程序需要從原始數據文件中提取相關信息，獲取各站的高差、視距差、累計視距差和累計高差信息，形成高差文件。同時程序必需核查數據是否符合要求，如果數據符合要求，程序按設定格式生成包含控制點高差、水準路線長度等信息的表格文件，為下一步高程控制網平差做準備。

核查數據程序代碼如下所示：

df1=df1[df1.apply(lambda x:x.str.contains("|".join(key word)),axis=1)]#遍歷所有列搜索

df1=df1.dropna(how="all").dropna(axis=1,how="all")#清空全行或全列為NAN 的元素

df=df[df1.keys()]#選中所在列

df=df[df.index＞df1.index[(df1.shape[0]-1)]].dropna(thresh=2)#篩選,并清空無關數據

df=df[df.applymap(lambdax:type(x)!=str)].dropna(how="all")

if df.shape[0]%2==1 and df.shape[0]＞0:df=df[:-1]

dict_names=dict(zip(df.keys(),keyword))

df=df.rename(columns=dict_names)#重命名#搜索結束

if df.empty==True:#為空

state=-1

return(state,"")

n=int(df.shape[0]/2)

high=df['后視']-df['前視']#高差

high_half=high/2.0#高差中數

h_add=high_half.sum()#高差中數和

h_add=round(h_add,limit)#保留5 位小數

h_permit=round(idea(n),limit)

if abs(h_add*1000)＜h_permit:

state=1

return (state,"高差中數:"+str(h_add)+"m,"+"容許值:"+str(h_permit)+"mm")

except(Exception)as e:

state=-2

return(state,"出錯信息:"+str(e))對于角度測量，由于數據較多且比較煩瑣，考慮采用先在Excel 軟件中輸入數據，再以文件的形式導入程序中進行數據處理[8]，程序代碼如下所示：self.root.title("「工程測量數據處理工具」")

self.root.geometry(str(w)+"x"+str(h))

self.frame=tk.Frame(master=self.root)

self.frame_1=tk.Frame(master=self.frame)

self.data_label = tk.Label(master=self.frame_1,text="待處理文件")

self.btn_choose=tk.Button(self.frame_1,text="選擇文件(可多選)",command=self.choose_file)

self.btn_data_clear=tk.Button(self.frame_1,text="清空",command=self.data_Text_clear)

self.data_Text = tk.Text(master=self.frame_1)#文件輸入框

利用Python 程序編程也可以準確地校核測量數據是否準確有效，程序代碼如下所示：

def permit_error(df):#最大允許誤差

state=0#判斷情況

limit=5#精度,保留5 位小數

keyword=["后視","前視"]#關鍵詞

idea=lambda n:pow(n,0.5)*10#最大允許誤差計算公式

3 水準測量實習數據分析及相應代碼

水準測量實習一般以閉合水準測量實習為主，本文以閉合水準測量數據處理展開討論。水準測量是利用一條水平視線，并借助水準尺，來確定地面兩點之間的高差，然后由已知點的高程推算出未知點位高程的測量方法。

閉合水準測量是由一已知水準點出發，沿環線待測高程點1、2、3、4 進行水準測量，最后回到原水準點的測量方法，其線路上各點之間高差的代數和理論值應等于零。由于誤差的存在，實際測量值代數和只是接近于零，但不能超出設定的誤差范圍，否則測量數據就不符合要求，須進行重測，由此編寫的Python程序核心代碼如下：

def check_data(df,limit=(0,0)):

df,read,num=HoriAngle.read_data(df)

judge=HoriAngle.check_is_ok(read,num)

if not judge or not num:'''獲取到數據'''

return(-1,"獲取不到測回數")if not limit:

'''無誤差判斷條件'''

return(-1,'無誤差判斷條件')try:

num=int(num)

half=HoriAngle.calcu_half(read)

one=HoriAngle.calcu_one(half)

permit1=HoriAngle.calcu_perimit(half,int(limit[0]))

if num==1:

'''測回數為1 時'''

if len(permit1)＞0:

'''數據不合理'''

return (0,"第"+",".join(permit1)+"行的數據誤差過大")#誤差過大

else:

'''數據合理'''

return(1,"半測回角值之差均＜="+str(limit[0])+"″")

else:

'''測回數大于1 時'''

#aver=HoriAngle.calcu_aver(one,num)

permit2=HoriAngle.calcu_perimit(on e,int(limit[1]))

if len(permit1)＞0 or len(permit2):

'''數據不合理'''

info=permit1|permit2

return(0,"第"+",".join(info)+"行的數據誤差過大")#誤差過大

else:

return (1," 半測回角值之差均＜="+str(limit[0])+" ″ ,"+" 各 測 回 角 值 均＜="+str(limit[1])+"″")#數據合理

return(-2,"未知")except(Exception)as e:

print(e)

return(-2,e)

4 角度測量實習數據分析及相應代碼

角度測量是“工程測量實習”課程的基本內容，是確定地面點位的基本測量工作之一。角度測量分為水平角測量和豎直角測量，“工程測量實習”課程一般會要求學生用測回法測量水平角，本文以測回法測量水平角數據處理展開討論。

測回法要求在測點A安置儀器，在盤左位置用照準部瞄準目標B，讀取水平盤度數，再松開水平制動螺旋，順時針方向轉動照準部，瞄準目標C，讀取水平盤度數，以上稱為上半測回。

再縱轉望遠鏡成盤右位置，瞄準目標C，讀取水平盤度數，松開水平制動螺旋，逆時針方向轉動照準部，瞄準目標B，讀取水平盤度數，以上稱為下半測回，即完成水平角測回法測量工作。

由此編寫的Python 程序代碼如下：

def calcu_half(ser):

'''計算半測回角值'''

sec=HoriAngle.to_second(ser)

ser1,ser2=HoriAngle.split_l_r(sec,2)

result=ser2-ser1

result=HoriAngle.to_recover(result)

return result def calcu_one(ser):

'''計算一測回角值'''

sec=HoriAngle.to_second(ser)

ser1,ser2=HoriAngle.split_l_r(sec,2)

result=ser1+(ser2-ser1)/2

result=result.round(0)

result=result.astype(int)

result=HoriAngle.to_recover(result)

return result

def calcu_aver(ser,n):

'''計算各測(平均)回角值'''

n=int(n)

if n==1:#如果n==1 直接返回

return ser

sec=HoriAngle.to_second(ser)

ser1,ser2=HoriAngle.split_l_r(sec,2)sec=(ser1+ser2)/n

result=sec.astype(int)

result=HoriAngle.to_recover(result)

return result def calcu_perimit(ser,limit):

'''計算是否超過允許值,返回判斷結果'''

info=set()

sec=HoriAngle.to_second(ser)

ser1,ser2=HoriAngle.split_l_r(sec,2)

sec=ser2-ser1

sec=sec.abs()

#print(sec)

result=sec[sec.apply(lambda x:x＞limit)]

#print(result)

lst_idx=result.index.to_list()

if not sec.empty and result.empty:

lst=result.to_list()

for i in lst_idx:

info.add(str(i))return info

5 結束語

使用Python 編程語言編寫的工程測量數據軟件，能夠極大地提高工程測量數據處理速度，減輕教師和學生在“工程測量實習”課程中的數據計算負擔。在廣州華立學院的“工程測量實習”課程教學中證明，該軟件不但能夠幫助教師提升教學效果，也能幫助更多學生提升學習效率和學習成績。