基于微信程序的水准测量程序设计与实现

唐廷元,付波霖,刘卫东,娄佩卿,闭 璐,高二涛,范冬林

(1.桂林理工大学 测绘地理信息学院,广西 桂林 541006;2.中南林业科技大学 土木工程学院,长沙 410004)

0 引 言

测绘科学与工程作为专业基础学科, 随着科学技术的飞速发展, 测量手段与科技产品融合已成为必然的趋势[1-2]。 传统的水准测量采用的是内外业分离模式, 即通过外业观测所得数据后, 再进行内业平差处理[3-4]。 外业观测中人工记录和检核数据, 以及内业复杂的平差处理消耗了大量的时间, 降低了测量工作的效率, 同时外业观测也存在数据检核不及时、 成果精度不易控制等缺点[5-6]。 第41次《中国互联网络发展状况统计报告》显示, 手机网民规模达7.53亿, 与此同时台式电脑、 笔记本电脑、 平板电脑的使用率均出现下降, 手机不断挤占其他个人上网设备的使用[7]。 微信作为下载量最多的手机APP之一, 根据微信发布的数据显示, 在2018年第一季度微信月平均活跃用户达到10亿, 已经成为移动互联网中心之一[8-9]。 2017年1月9日推出的微信小程序拥有触手可及、 无需下载、 用完即走、 无需卸载的特点, 被称为 APP 的替代品[10-11]。 作为一种新的发展方向, 它与生活相融合, 以便捷性为目的,以轻量级和高便利性共享为特征[12-13]。

为了改变传统水准测量内外业分离[14]的现状, 以及解决现有基于Android的水准测量程序中繁琐的下载安装再使用和占用手机内存的问题, 提高水准测量效率， 本文整合四等水准测量外业观测中的数据记录、 检核以及内业数据计算、 平差的工作,设计了一款基于微信程序的水准测量程序。 在测量工作中记录数据并检核数据、 控制成果精度,测量完成后进行内业平差计算, 实验表明，测量效率明显提升。 本研究有助于实现测量内外业一体化, 并且为以后更多的前沿科技产品与测量工作相结合提供了借鉴, 促进了测量事业长远发展。

1 程序架构

“水准计算”程序是在微信APP上实现的,可在微信APP上搜索“水准计算”进入使用。程序的主要功能包括测量中数据记录、 数据检核，测量完成后数据平差以及成果显示，具体地:1)数据记录: 分阶段按照单次测站的数据进行记录, 包括前后视尺黑面的上中下丝和红面的中丝读数; 2)数据检核:数据记录后,计算出前后视距差和累积视距差,检验数据质量;3)数据计算:测量数据记录完成以后,计算闭合差和高差中数,检验测段闭合差并平差数据出成果;4)成果显示:将测量数据和平差结果显示在小程序页面端。程序主要功能模块如图1所示。

图1 程序功能模块Fig.1 Program functions of each module

2 程序实现过程

整个程序的流程分为: ①操作说明: 对程序的流程说明和四等水准测量操作步骤的简述; ②数据记录:包括输入测量的相关信息、 已知数据和观测数据; ③数据检验:检验前后视距差以及累计值等,若超限, 则需要重新测量; ④数据计算: 联合已知数据和观测数据求出高差中数和闭合差;⑤数据平差: 闭合差满足精度要求后, 对数据按照误差理论和平差基础[15]进行平差计算, 得到成果; ⑥成果显示: 在界面上显示计算后的数据成果。

2.1 操作说明和记录数据

操作说明为程序的第一步骤, 也是用户了解和操作程序的关键, 包括程序的操作流程和注意事项以及四等水准测量的操作步骤,目的是让用户增加对四等水准测量的了解以及快速上手操作(图2a)。 作为后续数据存储与平差的基础, 记录数据是整个流程的核心步骤之一, 包括四等水准测量工作的相关信息、 测量项目的已知数据和观测数据。 其中，相关信息包括测量工作项目名称、 测段名称、 测量时间、 天气和记录人; 已知数据包括起点、 终点高程信息, 如果起、终点高程相同，则为闭合水准测量,反之, 则为附合水准测量(图2b)。 而观测数据是在四等水准测量观测时分测站点进行记录(图2c),一个测站点对应一个输入弹窗, 总的弹窗数根据实际测量工作而定。

图2 水准测量微信程序Fig.2 Leveling WeChat program

2.2 计算数据和成果显示

在记录测站点的观测数据后,程序会计算测点的前后视距差,再依据《国家三、四等水准测量规范》(GB/T 12898—2009)(以下简称《规范》)要求检验是否超限,若没有超限则可以保存数据继续测量,反之会提示需要重测[16-17]。本程序操作可控制成果的精度,节约测量时间。数据记录完,程序会计算出闭合差和高差中数,并与允许闭合差比较,若大于允许闭合差会提示“闭合差超限,重测”；反之，就可开始平差。

平差计算是按地形分类计算， 若为山地, 则按测站数对闭合差平均分配到各个观测高差值中; 若为平地, 则按各测站点的前后视距值的比例将闭合差分配到各个观测高差值中[18]。 平差计算后得到平差的高差值, 再根据已知点数据, 计算出未知点的高程值， 完成计算数据后, 程序可显示数据成果。 数据成果包括平差后的高差值和高程值。

3 程序的应用及精度检验

3.1 程序应用

以桂林理工大学雁山校区为试验区, 选取3个典型区域, 综合利用“水准计算”程序和南方DSZ2自动安平水准仪进行四等水准测量。

第一区域为图书馆的北边,区域地势较为平缓。四等水准测量路线为第三教学楼东侧→第一食堂→第四教学楼北侧、西侧→篮球场东侧、南侧,水准路线如图3a所示,其中一实景如图3b所示。

图3 四等水准测量第一区域Fig.3 First area of fourth order leveling

第二区域位于图书馆的西边，区域既有起伏路段，也有平缓路段。四等水准测量路线为第八教学楼北侧→第七教学楼北侧→第六教学楼东侧→第五教学楼东侧、北侧、西侧→第六教学楼西侧，大概路线如图4a所示，其中一实景如图4b所示。

图4 四等水准测量第二区域Fig.4 Second area of fourth order leveling

第三区域为图书馆和学校南门中间区域，该区域地势较为起伏。四等水准测量路线为学校南门的T字路口→第二食堂→第八教学楼南侧→第七教学楼南侧，大概路线如图5a所示，其中一实景如图5b所示。按照路线进行四等水准测量，实景图各区域的部分观测数据如表1所示。

表1 各区域四等水准测量部分观测数据Table 1 Partial observation data of fourth order leveling in each area

图5 四等水准测量第三区域Fig.5 Third area of fourth order leveling

结合“水准计算”微信程序的使用,第一、二、三区域四等水准测量结果分别如图6a—c所示。通过观测数据的运算,3次四等水准测量的观测数据符合《规范》要求。3次四等水准测量,使用“水准计算”微信程序与人工记录计算的操作及结果对比,表明两者测量的前后视距差、累计视距差和闭合差等计算结果一致,证明“水准计算”微信程序可在四等水准测量外业中使用。

图6 各区域数据结果Fig.6 Domain data results from each area

3.2 程序平差结果对比

对3个测量区域进行四等水准测量,结合“水准计算”微信程序的记录计算,利用已知点高程信息得到未知点的高程值。在南方平差易2002软件中,输入3个区域四等水准测量观测高差对其平差。比较“水准计算”微信程序和南方平差易2002软件计算出的平差后的未知点高程,得出差值,结果见表2，再由Origin 2017绘制差值散点图7。

图7 测站平差后高程差值Fig.7 Height difference after station adjustment

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

综合可知,“水准计算”程序平差后高程值与南方平差易2002软件相差0～2 mm,其原因在于该程序平差采用的是概略平差，而南方平差易2002软件采用的是严密平差,两者采用的平差理论不同,平差结果也有一定的差异。两程序平差后高差相差0～2 mm,表明了该程序的计算数据成果无误,也证明了“水准测量”微信程序能在四等水准测量中配合使用。

4 结束语

本文利用“水准计算”微信程序在桂林理工大学雁山校区,采用南方DSZ2自动安平水准仪选择3个区域进行四等水准测量，所得的结果与南方平差易2002软件运算结果比较,精度相差在0～2 mm以内,表明该程序计算结果无误,证明该程序适用于各种地形下的四等水准测量工作或教学中,且有较高的精度。

基于微信程序的水准测量程序是测量手段与科技产品的一次结合,目的在于简化水准测量的操作,使测量工作内外业结合、缩短外业测量时间、方便外业工作者,更使得微信程序的应用更加全面化、丰富化。该程序具有数据记录、数据检核和数据计算、平差的功能,可代替手工记录、手工计算的操作。

由于微信程序平台尚不够完善以及个人能力所限,本研究仍存在不足——还不能对平差后的结果生成文件,不利于成果记录与存档，且目前只能运用于水准测量,下一步研究可以增加其功能多样性,如导线测量、控制测量。