掌上电脑道路测量软件(横断面部分)开发.doc

第1章 绪论1.1选题背景长期以来，测量工作的勘测数据采集多采用常规的光学经纬仪、水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子全站仪和电子水准仪，现在GPS接收机也已普遍使用。但是测量的模式仍然很落后，测量作业的内外业一体化、自动化程度不高，测量人员的内外业工作强度很大。随着数字地球的发展，铁路、公路等线路的纵横断面设计、三维图形显示、坡度设计、填挖土方量计算等都基本采用相应的 GIS系统来管理实现，GIS系统空间信息的获取和更新及工程勘测和施工放样迫切需要实现外业的数据采集与内业的数据和图形处理等工作在外业工作时利用掌上电脑与全站仪一起完成，部分内业工作虽然不能在外业期间同时完成，但能形成电子数据的自动化数据流输入从而不需人工干预和处理。在线路施工过程中,横断面的测量是必不可少的,其野外采集数据量大,若采用传统的手工记录方式,在现场只记录数据而不绘图,很难对记录数据的正确性进行直观的检查,不但劳动强度大,而且不能实时查看所测数据是否与实际相符。掌上电脑PDA (Personal Digital Assistant)即个人数字助理，是掌上电脑、手持电脑、手机(电脑型)等一些小型嵌入式设备的统称。它体积小巧，集成功能强，待机时间长(目前机型一般在10小时以上)，其使用的操作系统之一Widows CE是Windows家族中最小、最快、最可靠的版本，已具备室内一般微型计算机的基本功能, 并能适应外业勘测作业方式所需的现场记录、处理、贮存和管理数据的需求,又支持超过1400条最频繁使用的Win32 API函数。借此开发者就能利用大量其他的编程资源，工具及文档进行Windows CE开发工作。基于这些优点,使得其在测量领域有着广泛的应用。1.2 国内外研究现状国内外一些计算机专家称，PC时代已接近尾声，后PC时代正在来临。后PC时代是信息多元化的时代，它是计算机技术、通信技术和消费产品技术即3C(Computer,Communication,Consumer)技术的融合。而PDA正是后PC时代的表现形式。随着计算机技术的飞速发展，嵌入式计算机产业迅速崛起并取得长足的进步，从最初的以单芯片为核心的可编程控制器到如今的以嵌入式操作系统和以Internet为标志的PDA产品，其技术己日益成熟并得到广泛应用。将计算机技术的进步与测绘工程实践相结合，可以极大提高生产效率、降低生产成本，这一应用前景也被一致看好。在西方一些发达国家，PDA在测绘上的应用已十分广泛，而将PDA作为数据采集前端的领域就更加广泛了，PDA己不再只是个人电脑的外延，而正成为新的数据采集平台和各大系统用户端产品的新军。近年来，国内外的一些知名企业及研究机构纷纷推出了自己的PDA测绘产品。在移动GIS解决方案方面，具代表性的有国外ArcGIS的Arcpad,MapInfo公司的MapX Mobile, Autodesk公司的Autodesk OnSite移动模块。国内有北京超图公司的eSuperMap，北京灵图公司的SmartInHand，北京慧图公司的TopMap CEGenius。在基于PDA的线路测量方面，也有一些测量软件，如我国南方测绘公司的“测图精灵”。1.3本文研究的目的意义在传统的测量作业方式下，往往测量成果滞后于实际的需要。当代测绘事业在建立空间数据基础设施的同时，更要求缩短数据获取和处理的周期，提供多功能高质量的测绘产品，以适应新形势的需要;全站仪和GPS为给测量数据获取的手段带来了革命性的变化，由于数据获取的手段发生了变化，测绘工程中每个环节都存在着大量的数据，对这些数据的储存、管理和传递、使用也必然成为现代测绘工程中一个组成部分。这些都从客观上要求实现测量数据的存储、管理、传输、使用的自动化。手持设备PDA以及相关开发平台的日益发展成熟为测量数据实现存储、管理、传输、使用的自动化准备了硬件条件。目前前面所述的研究成果虽说在一些测绘生产单位中得到了不同的应用，但在应用中存在着以下一些明显的问题:一是软件系统功能不齐全(如各等级任意网形的控制测量及其数据处理、大比例尺测图、工程放样、线路测设等相互独立，每个软件系统仅有部分功能);二是软件系统运行的硬件平台不统一(如PC-E500，专用电子手簿，便携式微机，PDA等);三是系统不同时支持使用地面测量仪器和GPS仪器。针对这些问题，本文在新兴硬件平台PDA上设计和开发了针对线路测量横断面部分这项最常见的工程测量作业方式的测量数据采集处理传输软件，基本实现了测量数据的存储、管理、传输、查询、显示的自动化。1.4本文研究的内容掌上电脑横断面测量软件为实现横断面测量内外业一体化，它要具有野外数据采集与管理功能。论文研究内容主要包括以下两个方面。1) PDA与全站仪通讯控制系统研究与实现。研究如何利用PDA操作控制全站仪，使其可自动观测，自动返回观测数据，自动改变测量模式等。2) 横断面测量软件的PDA实现。在PDA中实现测图软件的常用功能，如:观测数据实时计算处理，横断面图形绘制，数据存储、编辑功能等。第2章 PDA及横断面测量的基本算法2.1 PDA及其操作系统2.1.1 PDA简介PDA是Personal Digital Assistant的缩写，字面意思是“个人数字助理”。这种手持设备集中了计算，电话，传真，和网络等多种功能。它不仅可用来管理个人信息(如通讯录，计划等)，更重要的是可以上网浏览，收发Email，可以发传真，甚至还可以当作手机来用。尤为重要的是，这些功能都可以通过无线方式实现。当然，并不是任何PDA都具备以上所有功能，即使具备，也可能由于缺乏相应的服务而不能实现。PDA可细分为电子词典、掌上电脑、手持电脑设备和个人通讯助理机四大类。而后两者由于技术和市场的发展，己经慢慢融合在一起了。对PDA有狭义的理解和广义的理解，狭义的PDA指可以称作电子记事本，其功能较为单一，主要是管理个人信息，如通讯录、记事和备忘、日程安排、便笺、计算器、录音和辞典等功能，而且这些功能都是固化的，不能根据用户的要求增加新的功能;广义的PDA主要指掌上电脑，通常，数码世界只会将掌上电脑才称为是PDA，也真正代表了PDA的真正含义，他们有其自身的操作系统，可以利用编程语言开发相应的应用程序。 图2.1掌上电脑图 图2.2手持电脑最初的PDA是用于个人的，也是数字式的，但还远远称不上是一个合格的助理。八十年代初期，Tandy电脑公司制造的TRS-80袖珍型电脑，大概要算是最早可以装在衣服口袋中的袖珍型电脑了。它看上去就像一个带有数字和字母键盘的计算器，可以为它加装一个功能非常有限的小型打印机。不过，TRS-80袖珍型电脑的显示屏太小，储存容量也过小(可以另外买一个8K的扩充卡)，尽管可以使用BASIC编程语言，但运行商业软件时的表现还只能用“鳖脚”两个字来形容，但不管怎么说，个人电脑业毕竟又诞生了一颗新星。随后，其它一些基于DOS的便携式电脑也纷纷出现，像九十年代初期的Poquet电脑，但在Apple公司开始涉足手持式电脑领域之前，市场对这种前途远大的产品一直都持漠不关心的态度。而随着Apple公司的加入，情况发生了很大的变化。1993年，Apple公司推出了真正意义上的PDA-NewtonMessa沙Pad。与其前辈们不同的是，Newton并不是一种功能简单化的PC，它根本就是依照PDA的功能概念重新设计出来的，拥有自己独立的操作系统和应用程序。Newton在当时堪称是技术上的奇迹:拥有手写识别功能，一个捆绑在一起的modem以联结Internet，还有一个红外线接口，同时，它还是第一个与PC和Mac同步的PDA。但Newton过于强大的功能设置，使它的运行速度非常缓慢，无法满足大多数人的要求，而且，它的体积也显得过于笨拙了一些，几乎和一些笔记本电脑一样大，加上Apple公司所采取的糟糕的市场营销策略，在技术上具有划时代意义的Newton，不仅没有为Apple公司带来一分钱的收益，反倒使之亏损了数百万美元，1997年，尚处于困境之中的Apple公司宣布彻底放弃Newton项目，这在当时还引来了不小的反对之声。而此时的 PDA市场也还处于刚形成后的混乱之中，Sharp, Psion, TI和HP等数十家企业都推出了各自设计的PDA产品和专用操作系统，并都试图使之成为新的标准，甚至连软件巨人“微软”也推出了Windows CE操作系统，一种单色彩的Windows95简化版本。但一场混战之后，结果却出乎大多数人的意料，最终的胜利者居然不是前面提到过的那些实力雄厚的大企业，而是一家叫做Palm的小公司。Palm公司的PalmPilot是一种手写输入的PDA，具有很好的便携性能，运行速度也比较理想，使之一面世就成了市场上的新宠。另外，一种创新的模块设计还可以使PalmPilot连接一部modem，或是连接一个插在台式电脑中的同步支架上。从PalmPilot上卸下连接用的硬件以后，就可以使其体积更小，也更容易操作。虽然它的Graffiti手写识别系统比较难以掌握，但一旦能够熟练使用之后，输入速度相当令人满意。吸取了Newton Message Pad的长处，摒弃了它的短处，再加上适当的一创新，Palm的Palm Pilot把便携性，易用性和合适的运行速度有机地结合在一起，奠定了自己在PDA市场上的龙头老大地位，另外，它的开放性硬件设计也为第三方的技术革新留下了非常大的空间。总而言之， PDA之王”终于产生了，同时也标志着PDA市场已经走向了成熟。在目前的PDA阵营中，主要存在着两种PDA产品。即以Palm OS为操作系统的Palm系列PDA(生产厂家主要以Palm和SONY为主)和以Windows CE为操作系统的Pocket PC系列PDA(生产厂家主要以HP、华硕为代表的多家企业)。而两大系列的产品都有着独具特色的技术和性能优势，分别适应于不同的使用人群，但综观目前的PDA产品技术情况，我们可以发现 PDA在操作系统、通信连接、多媒体娱乐、功能扩展能力、以及安全性、便携性、续航时间等问题上，正朝着以下几个方向发展: 操作系统越来越“傻瓜”相对于PPC(使用Windows CE系列操作系统的pocket PC PDA的简称)，Palm有着操作简单，上手容易的特点，使其在PDA出现的早期非常受广大的消费者欢迎，但随着功能强大、上手容易的Windows CE操作系统的诞生，Palm逐渐势微。而为了保持和扩大各自的市场份额，并将PDA真正普及起来，PPC和Palm则都在不遗余力的发展着自己的新操作系统，使机器使用起来越来越人性化，操作越来越简单。 通讯能力越来越强大对于许多现在的PDA用户来说，PDA己经不再是简单的个人数字助理设备，其用途也不再仅仅是一个记事本，一个闹钟或者一个计算器或通讯录，而已经成为了一个功能强大的无线网络接入设备和数据交换产品。这其中就包括蓝牙技术和Wi-Fi技术、GPRS (CDMA 1 X )技术以及GPS卫星定位技术在PDA上的应用与扩展。蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性标准，可以以较低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。这意味着，只要PDA内置了蓝牙模块，就可以与其他具有蓝牙功能的设备(如笔记本、数码相机、手机、打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、蓝牙键盘、游戏操纵杆及所有其它的数字设备)进行无线连接。从而轻松实现多机交换数据和同步数据、登陆网络、安装新的应用程序，打印资料、控制设备等各种功能的完成。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供了通用接口，组建出一个远离固定网络的个人特别连接设备群。而无论是通过PDA的CF接口安装的外置Wi-Fi无线网卡、GPRS(CDMA 1X)卡，还是其本身所带有的无线通讯模块，则都使PDA从原来简单的个人数字助理工具的角色平滑的转变成了功能强大的无线通信平台，这意味着用户可以轻松的登陆互联网，进行信息交流，网页浏览以及收发邮件，使用MSN,QQ等通讯工具。使一个小小的PDA能够完成所有的网络计算机功能。以目前最新的几款PDA上看，无论是HP的5450还是华硕的A620BT都具有内置蓝牙模块以及通过CF卡接口扩展通信功能的能力，这些大厂产品所具备的功能，无疑预示着未来PDA技术的发展方向。 多一媒体娱乐功能更加丰富早期的PDA，特别是Palm系列，在多媒体娱乐性能可以说不能令人满意，但随着高速度的处理器以及图形处理芯片的出现，现在的PDA在多媒体娱乐性能上可以说已经直逼一些低端的个人计算机，在一些PDA上，甚至还出现了分辨率高达480X320dpi的高清晰穿透式真彩触控显示屏，凭借性能优异的处理器和图形芯片，用户因此已经可以非常流畅而清晰的用PDA观看整部的wmv, mpeg以及rm格式的流媒体电影，或倾听音质不错的mp3音乐了。而随着各种新型专用于PDA上的游戏越来越丰富，消费者己经可以在自己的PDA上随时玩诸如古墓丽影、星际争霸一类的大型游戏了。 扩展性与兼容性越来越强与以前固化系统的PDA不同，现在的PDA正朝着具有出色的扩展性能和软硬件兼容性的方向迈进。目前，许多新款的PDA已经开始支持双扩展卡，以惠普的HP Ipaq 5450为例，该机具有一个内置的CF插槽，能够与各种CF接口的设备连接，从而使其具有了强大的扩充性。这些外接设备包括CF存储卡、微型硬盘、调制解调器、网络卡、无线网络卡、蓝牙卡、数码相机、GPS, GPRS/GSM电话卡、FM调频收听卡等各种扩展设备。而正是由于有了这个CF插槽以及这些设备扩展卡，PDA无论是在汽车上还是随身携带，都可以轻松的变成一个移动硬盘、数码相机、电子地图、手机、收音机，同时也具备了通过各种方式登陆网络的能力。而随着最新的Pocket PC2003操作系统以及Palm OS 5的出现，对于软硬件设备具有极强兼容性的PDA也因此获得了对外设和应用软件的超强支持性，它们不但可以支持各种外接键盘和其他接口设备，还能够与一些第三方应用软件紧密结合，以实现用户所需要的扩展性和软硬件兼容性。 数据安全性越来越高对于许多商务用户来说，PDA不应该仅仅是一个娱乐和通信平台，而应该能成为数据资料的存储中心，但这就要求着PDA应该具有很强的数据保密性和安全性。在目前的许多PDA上，专门为保证数据安全的技术正在被应用着，并有进一步扩大的趋势。在以前的PDA上，假如机器彻底没电，那么保存在内存中的数据信息以及资料和程序将会全部丢失，这样的损失是巨大的。而目前最新的PDA数据安全保护措施则使这些担心不再必要，以华硕的A620BT为例，该机独有的超时空资料回溯器能够按照使用者的要求以手动或自动模式对重要数据和资料进行备份，当电量不足时其机器会及时提醒使用者进行备份工作，这样，即使电量耗近也可以保证数据不会丢失，而在电量不足机器还会自动关机或拒绝开机，从而保证了PDA不至于数据丢失。而在数据传输的安全性上，由于大多数PDA都使用了具有加密算法的GPRS和蓝牙无线通讯技术，使其得以保证在数据传输时候的隐蔽和保密性，用户也因此不必担心重要数据会被泄露。 使用时间越来越长，体积和重量越来越轻便随着技术的进步，PDA的使用时间也己经大大的增长，配合高容量的可充电铿电池许多PPC的使用时间已经可以超过19个小时，而一些Palm更是可以拥有长达半个月的待机使用时间，相对于笔记本电脑而言，PDA具有很大的使用优势，同时，PDA相对于其他个人计算机设备而言，从其刚刚产生开始就有着轻巧而便于携带的特点，而到目前为止，不少PDA的设计者已经将这一优势发挥到了极致，许多PDA的重量还不到12鲍，而大小则和一个72开的小日记本没有什么区别，能够被用户轻松的放入上衣口袋之中，却具备了手机、游戏机、GPS、多媒体播放器、MP3、数码相机、移动硬盘以及网络连接设备的多种功能。事实上，在不知不觉中，技术的发展已经颠覆了PDA的传统意义，一个最完美的PDA将改变一个人的生活和工作方式，使人们的工作更轻松，生活更多彩，沟通更方便。2.1.2 PDA操作系统windows CE目前， Windows CE、Linux、Palm OS和 Epoc这四种操作系统在PDA市场中居主流。由于本系统采用微软的新产品Pocket PC作为硬件基础，而Pocket PC的操作系统是Windows CE，所以采用Windows CE操作系统。Windows CE操作系统是Windows家族的新成员，是微软专门为信息设备、移动应用、嵌入式应用等设计的基于Win32 API与处理器无关的嵌入式操作系统。Windows CE的设计目标是模块化，其可伸缩性、实时性能好，通讯能力强大，为了确保最大的灵活性Windows CE支持多种CPU。从其操作系统的内核来看，Windows CE具有灵活的电源管理功能，包括睡眠和唤醒模式。在Windows CE中，还使用了对象存储(object store)技术，包括文件系统、注册表和数据库。他还具有高性能高效率的操作系统特性，有共享存储、交叉处理同步，支持大容量堆等。Windows CE支持多种外设设备和网络系统，包括键盘、鼠标、触摸屏、串行口、以太网卡、调制解调器、USI3设备、音频设备、并行口、打印机和存储设备。Windows CE图形用户界面相当出色，它拥有基于Microsoft Internet Explorer的Internet浏览器。开发人员可以利用丰富灵活的控件库，在Windows CE环境下为嵌入式应用建立各种专门的图形用户界面。Windows CE是顺应计算机技术小型化、分散化趋势的操作系统产物。Windows CE设备不象大多数台式机那样容易遭到病毒侵袭，CE设备用户不必担心病毒问题(目前市场上也没有CE病毒扫描软件的销售)。Linux OS自91年发展以来，在开放源代码及自由软件的理念之下，不断的快速蓬勃发展，俨然成为微软的劲敌，由于Linux的稳定性及灵活度都优于目前现有的操作系统，自然成为硬件厂商在现有操作系统外的另一个新选择;以Linux OS为基础的PDA拥有成本低廉、开发弹性高的特性，除此之外更可将现有数以千计的Linux应用软件转换成Linux PDA所使用的软件，若再加上目前为Linux开发软件的速度来看，要与Palm OS上万的应用软件并驾齐驱将不是一件难事;因此在如此强大的软件支持下，相信除了目前市面上少数的几款Linux PDA外，将来会有更多的PDA厂商加入Linux的怀抱中。3Com公司的Palm OS在掌上电脑和PDA市场上独占其霸主地位，它有开放的操作系统应用程序接口(API)，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。在编写程序时，Palm OS充分考虑了掌上电脑内存相对较小的情况，因此它只占有非常小的内存。由于基于Palm OS编写的应用程序占用的空间也非常小(通常只有几十KB)，所以，基于Palm OS的掌上电脑(虽然只有几MB的 RAM)可以运行众多应用程序。EPOC操作系统最早由英国的Psion研发，搭载于本身制造的手持式计算机中，但为了扩展软硬件的市场规模与.竞争力，Psion与世界通讯三大巨人爱立信、摩托罗拉以及诺基亚合作成立Symbian公司，开发支持无线通讯包含GSM, CDMA, GPRS, EDGE等通讯协议的EPOC32操作系统，整体来说EPOC是以通讯产品为发展基础的操作系统，与现存其它发展自PC领域的操作系统在设计理念上有所不同，但值得注意的是，EPOC除了强大的通讯能力外还与Windows兼容，因此在资料的转换及传输上都能拥有让使用者满意的表现。然而EPOC OS的PDA产品目前在国内并不多见。表2-1常用嵌入式操作系统的比较嵌入式操作系统优点不足Windows CE多媒体功能、更强的Internet功能、高度模块化、很好的开发支持环境、与Windows 系列兼容。非开放导致很难制定、应用程序庞大、非高效节能、版权费昂贵。Linux夸平台、裁剪性好、性能稳定、开放源代码、内核小、效率高、无线连接、开发速度快自身过于庞大、开发难度较高、标准未成形。Palm OS众多支持软件、市场占有率高、开放系统、有3COM、Sony、IBM等支持、简单实用授权困难EPOC来自欧洲的操作系统，由世界上三大移动电话厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉、共同开发，市场潜力很大。功能以手机为主，并不打算授权。2.1.3 基于PDA的系统开发环境Visual Studio.NET是.NET平台下的最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部署与发布，Visual Studio.NET 都可以提供近乎完美的解决案。.NET开发平台可以简化在第三代Internet 分布式环境下的应用程序开发，它基于互联网标准和协议之上，实现异构语言和平台高度交互性。Visual studio.NET 提供了包括设计编码、编译调试、数据库连接操作等基本功能和基于开放架构的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能测评报告等高级功能。Microsoft 公司提供了4种 Visual Studio.NET 语言：C+.NET、C#、Visual J#和Visual Basic.NET，无论选择何种语言来 创建、测试和部署应用程序，他的集成开发环境都是相同的。实际上，Visual Studio.NET 允许用户使用一种语言创建一部分应用程序，然后使用另一种语言创建应用程序的其他部分。每一种Visual Studio.NET 语言都提供相近的功能，因此，选择使用哪一种语言不但取决于该语言的特性，还取决于开发者对程序的喜好，因此选择何种语言无太关要紧。尽管Visual Studio.NET IDE 可以创建大多数的.NET 应用程序，但用户也完全可以从一个文本编辑器创建部分或全部的.NET 应用程序，然后通过命令提示窗口调用适合的编译器来编译应用程序。下面介绍一下.NET 的优点：面向对象的编程：.NET Framework和C#从一开始就完全是基于面向对象的。 优秀的设计：一个基类库，它是以一种非常直观的方式设计出来的。 语言的无关性：在.NET中，Visual Baisc.NET、C#、J#和Managed C+等语言都可以编译为通用的中间语言(Intermediate Language)。这说明，语言可以用以前没有的方式交互操作。 对动态Web页面的更好支持：ASP具有很大的灵活性，但效率不是很高，这是因为它使用了解释性的脚本语言，且缺乏面向对象的设计，从而导致ASP代码比较凌乱。.NET使用一种新技术ASP.NET，它为Web页面提供了一种集成式的支持。使用ASP.NET，可以编译页面中的代码，这些代码还可以使用.NET高级语言来编写，例如C#、J#或Visual Baisc 2005。 高效的数据访问：一组.NET组件，总称为ADO.NET，提供了对关系数据库和各种数据源的高效访问。这些组件也可以访问文件系统和目录。.NET内置了XML支持，可以处理从非Windows平台导入或导出的数据。 代码共享：.NET引入了程序集的概念，替代了传统的DLL，可以完美无暇地修补代码在应用程序之间的共享方式。程序集是解决版本冲突的正式系统，程序集的不同版本可以同时存在。增强的安全性：每个程序集还可以包含内置的安全信息，这些信息可以准确地指出谁或哪种类型的用户或进程可以调用什么类的哪些方法。这样就可以非常准确地控制程序集的使用方式。 对安装没有任何影响：有两种类型的程序集，分别是共享程序集和私有程序集。共享程序集是可用于所有软件的公共库，私有程序集只用于某个软件。私有程序集是完全自包含的，所以安装过程非常简单，没有注册表项，只需把相应的文件放在文件系统的相应文件夹中即可。 Web服务的支持：.NET集成了对开发Web服务的完全支持，用户可以开发出任何类型的应用程序。 Visual Studio 2005：.NET附带了一个开发环境Visual Studio 2005，它可以很好地利用C+、C#、J#、Visual Basic 2005和ASP.NET进行编码。Visual Studio 2005集成了Visual Studio .NET 2002/2003和Visual Studio 6环境中的各种语言专用的所有最佳功能。2.2 横断面测量原理2.2.1缓和曲线基本要素的计算1)缓和曲线的概念缓和曲线是设置在直线与圆曲线之间或大圆曲线与小圆曲线之间，由较大圆曲线向较小圆曲线过渡的线形,是道路平面线形要素之一。缓和曲线便于驾驶员操纵方向盘、乘客的舒适与稳定，减小离心力变化、满足超高、加宽缓和段的过渡，利于平稳行车与圆曲线配合得当，增加线形美观。缓和曲线主要有回旋线、三次抛物线及双纽线等，下面介绍回旋缓和曲线的计算。 图2.3 回旋缓和曲线计算示意图基本公式：=C/L,其中C=RL其中：C为常数，缓和曲线全长。 切线角：其中：为缓和曲线的长度，为长度的缓和曲线所对应的切线角 当时，全长缓和曲线的曲线角 缓和曲线的参数方程： 其中：为当前曲线点的里程差 当时，圆曲线终点的坐标为： 2)曲线元素的计算： 图2.4 曲线元素计算示意图 内移距 p 和切线增长 q 的计算 切线长 曲线长 圆曲线长 外距 切曲差 2.2.2曲线的坐标计算计算曲线上其它点的坐标是先建立以直缓点为原点、以直缓点到交点的放向为X轴、以其法向为Y轴的平面参考坐标系，通过参数方程计算出其在该坐标系下的坐标，然后转换到统一坐标系下。设圆曲线的半径为R，两端缓和曲线长为, 曲线转向角为。直缓点ZH的坐标： 缓直点HZ的坐标：a.当点落在第一缓和曲线范围内时，可用以下公式计算其在参考坐标系下的坐标： 其中：为该点到直缓点的里程差利用公式： 将其坐标转换到统一坐标系下其中 为直缓点在统一坐标系下的坐标b. 当点落在圆曲线范围内时，可用以下公式计算其在参考坐标系下的坐标：其中：为为/，为第一缓和曲线的曲线角 同样利用公式：将其坐标转换到统一坐标系下c. 当点落在第二缓和曲线范围时，可用以下公式计算其在参考坐标系下的坐标：其中：为该点到缓直点的里程差同样利用公式：将其坐标转换到统一坐标系下其中为缓直点在统一坐标系下的坐标2.2.3横断面测量方法为了方便横断面数据的管理与绘图，横断面测量需要建立自己的参考坐标系以保存横断面点数据。参考坐标系是以中桩为原点，以其切线方向为A轴，法向方向为B(横断面方向)而建立的平面参考坐标系。比较常用的横断面数据采集方式有以下几种:中桩置镜法、水准仪法、任意点置镜法、量距法。前两种方法比较常见，在此不再赘述。1)中桩设站测量横断面其中：为垂直角，为水平角(即与切线方向的夹角)，S为斜距，为中桩高程，、为仪器高和目标高。2)转点设站测量横断面该方法的特点是不受地形条件的限制，在遇障碍物时可测设导线点灵活地避开障碍物；可以一次测量多个断面；自动计算测点到中桩点距离及高差；实时显示方向偏差及距离偏差；但需要有两个己知点，且有一点易于架设仪器。其原理如下：图2.5 转点设站法示意图如图2.5，在控制点C1架设全站仪，后视控制点C2，配置后视水平度盘，记录前视水平角、前视竖直角、前视斜距，由此可以计算出测点D坐标、和高程，继而求出D点与中桩K的高差，从而计算出A、B值。计算方法如下： 其中:、为中桩K坐标，为其切线方向。第3章 软件系统的总体设计3.1 系统的设计目标与原则3.1.1系统总体设计的目标作为测量数据采集以及简单的处理系统，首先要求能在作业进行时实时检查测量数据是否合格；能处理测量出错；在记录数据后实现测量数据的重新显示，以便于测量人员随时查看；最终观测数据以及测量成果能输出成果报表，以便于上级验收和观测数据的存档管理；能同测量数据处理软件接口；作为实用性软件系统，还要求系统有较高的稳定性、实用性，能尽可能多的处理操作人员可能出现的操作错误。系统在力争满足上述需求的同时，还要让系统有比较全面的测量数据采集以及数据处理功能，让PDA成为实现测量数据存储、管理、传输、使用自动化的得力好帮手。主要实现了在里程桩设站测量横断面和在支点测量横断面以及在里程桩测量支点的功能，还能实时绘制横断面图并能根据里程桩号到数据文件查找横断面数据文件绘制横断面。3.1.2系统总体设计的原则作为一套能够实际应用的系统，除了要能够完成预定的各种功能外，在设计时还必须遵循实用性、完备性、可靠性、安全性、兼容性、可扩充性等原则，具体如下:安全性 系统安全性主要是指系统运行的安全稳定性、数据的安全性和保密性。数据是应用的基础，系统应对数据采取严格的安全保护措施，以防意外丢失和人为的破坏，应对数据提供保密机制，防止非法操纵。实用性 系统的实用性是系统维护运行和创造效益的前提，是系统建设的主要目标。友好性 系统的友好性是指界面的美观和使用的方便程度。友好性主要体现在:界面美观布局合理，符合用户的操作习惯，操作容易。可维护性 为适应未来系统需求的变化，系统应具有较好的可维护性，以便系统维护人员能够很方便的做到以下几个方面:增加新的功能；对人机界面进行适当的调整；可对系统作适当修改以适应体制的变化；在系统遭破坏时能够快速地实现系统的恢复。可扩充性 测绘行业是一个正处于发展中的行业，许多新兴技术不断涌现，例如RTK等技术，现在还处于不断成熟的阶段中。GPS与PDA的结合也是测量发展的趋势，但是现在系统还没有考虑GPS在测量中的应用，因此要完善系统，必须要求系统具有良好的可扩充性，使能够方便地将新的应用纳入本系统中;在系统容量上也要具有较好的可扩一充性。例如:数据量的急骤增加，新型硬件的使用和外设数量的增加等。可移植性和适应性 为满足不同用户的需求，系统应具有很强的适应性和良好的可移植性。因此，在系统设计时应从以下儿个方面来考虑系统的可移植性和适应性:系统软硬件选择，系统软硬件的选择应考虑到当前和今后较长时间的需要，不至于很快就被淘汰；技术的先进性与费用间的权衡，即选择合适的性能价格比；系统对测量操作的支持模式是否具有)广泛的适应性；在兼容软硬件环境下能够方便地实现软件的移植，即系统应具有较强的可移植性。标准性系统的标准性是指系统既要维护信息的真实性，还要符合开发的标准和国家颁发的各种技术标准和行业标准。系统主要遵循的标准为:(1) SL197-97水利水电工程测量规范(规划设计阶段)；(2) GB/T7929-1995 (1:500 1:1000 1:2000地形图图式；(3) CJJ8-99城市测量规范；(4) GB50026-93(工程测量规范；(5) GB/T17942-2000国家三角测量规范；(6) GB/12898-91国家三、四等水准测量规范；(7) SL52-93水利水电工程施工测量规范；3.2 系统的总体结构设计3.2.1横断面外野数据采集软件的特点横断面野外采集数据量大，若采用传统的手工记录方式，外业劳动强度非常大，内业处理也极为不便。该软件以“提高外业数据采集的效率、控制外业数据采集的质量、降低内业及外业的劳动强度”为目标，具有以下几个特点: 采集方法多样，可满足多种情况下的需要根据不同的地形、地貌，及使用的仪器有不同的测设方法，可灵活采用不同的作业方式，本软件提供了目前施测横断面比较常用的方法:任意点置镜法、中桩置镜法、水准仪法、量距法，可以在这几种方法之间灵活的切换。 直接生成内业需要的横断面数据文件，实现了内外业一体化无论采取那种方法施测横断面，我们采集的都是测点与中桩的距离及测点与中桩的高差。这样我们有了中桩的高程后，就得到了整条线路的高程格网，配合高程设计数据，就可以计算任意里程附近的填挖方，估算工程量。一般情况下，我们首先进行的是中线的三维测设，获得中桩施测数据文件。在施测某一中桩的横断面时，会自动调出该中桩的高程，组成横断面施测文件。这样在内业处理时，可直接根据横断面施测数据文件绘制横断面图形，实现了内外业一体化。 可以实时控制横断面数据采集的质量。横断面的质量控制包括方向偏差及距离偏差两项。3.2.3横断面测量软件设计线路横断面线路勘测中断面测量的工作量很大，在断面要求测量比较长而且地形起伏比较大的时候，只在中桩点上设站往往不能满足要求，需要从中桩点上支出转点，然后在转点上继续断面点的测量，为此系统设计了断面的转点测量。本软件根据工程测量的特点，建立了以中桩为原点、切线为A轴、法线为B轴的工程坐标系，采用里程桩设站法，使横断面测量简单、直观。断面绘制根据输入的中桩号到相关的数据文件中查询到该断面的观测数据绘制并显示断面图形。里程桩文件的格式是每行依次记录一个里程桩的桩号、X、Y坐标、高程及切线方位，为断面测量和转点测量提供必要的初始信息。断面测量的数据最后生成DMD.dm文件，转点测量生成ZC.zd文件。DMD.dm文件保存了断面点的基本信息（断面点属于的里程桩号、高程以及断面点在A、B坐标系下的A、B值和断面点高程），转点测量数据记录在ZC.zd文件中，记录了转点属于的里程桩桩号、转点点号、转点X、Y坐标及高程H。3.3 数据结构与数据文件为了数据处理的方便，系统中都采用结构体管理观测数据：Struct double ZH;/桩号double X；/中桩的X的坐标double Y；/中桩的Y的坐标double H；/中桩的高程double FW /中桩的切线方位；上面的结构体用于保存从中桩文件中读取的中桩数据，方便中桩数据的管理。Structdouble ZH;/横断面的中桩号 double H; /横断面的中桩的高程 double A；/横断面点在A、B坐标系中的A坐标值 double B；/横断面点在A、B坐标系中的A坐标值 double DH /横断面点的高程；上面的结构体用于保存观测的横断面点的数据，有利于进一步的横断面点的数据存储和绘制横断面图。Struct double ZH; /支点点号double LCZ;/里程桩桩号double X; /支点的X坐标double Y; /支点的Y坐标 double H; /支点的高程H； 上面的结构体用于管理支点文件，为支点的操作带来了方便。第4章 系统软件实现4.1 PDA与全站仪的数据通信4.1.1全站仪数据通信在数据通信系统中，数据是以二进制形式传输的，一组二进数(通常是8位)被称作为一个字节，通常一个字节代表一个字符。目前一般采用ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)作为数据传输码。数据传输方式有两种:一种是串行传输，又分异步和同步传输，另一种是并行传输。全站仪都采用异步串行传输。它的通信格式如图4.1所示，每帧传送一个代码即一个ASCII所代表的字符，在代码开始传输前，串行线上是高电位，称为“传号”位。传送由一个起始位开始，后面传输代码，代码先传输低位，再传输高位，代码后是一位奇偶校验位，最后是停止位。异步传输的代码信息可占5-8位，称数据位，奇偶校验位占1位，当数据位取8位时，则必须省去奇偶校验位，停止位可以是1位、1.5位或2位。串行通信每秒收发二进制代码的数据位数，称作为波特率。为了使得计算机和全站仪正确进行数据通信，须设置同样的通信参数，即他们的波特率、数据位、奇偶校验、停止位必须一致。图4.1异步通信格式为了采集数据和控制全站仪工作，必须给全站仪发送正确的命令，计算机接收的数据也必须按一定的数据格式分解出有关的信息。各仪器厂家的全站仪乃至同一厂家生产的不同型号的全站仪命令和数据格式都不尽相同。 4.1.2 PDA的通信原理用全站仪结合PDA进行测量数据采集，首先要解决的就是PDA和全站仪的通讯问题。目前的PDA无一例外地都配备了串行端口，就是我们十分熟悉的RS232，一个标准的9芯插座，PDA配置串行口主要是用来进行数据同步的，但是也可以用来进行串行通讯。PDA的串行端口作为CPU和串行设备间的编码转换器，提供了PDA与串行设备之间的数据传输通道，作为数据终端设备全站仪采用异步串行方式利用D型RS232串行二进制数据交换电缆接口将采集到的数据通过串行端口传输给PDA. Windows CE下的应用程序都是通过文件I/O函数CreatefFile, ReadFile, WriteFile, C1oseHandle访问串行端口的驱动程序的。在这里首先看一下Windows CE处理驱动程序的情况，Windows CE将设备驱动程序分为两个主要的组:本地设备驱动程序和流设备驱动程序。本地设备驱动程序是一些硬件所必需的，都由原始设备制造商创建，它们被限制在Windows CE操作系统内，在设备售出后不再更换;流设备驱动程序由第三方生产商提供，用三个字符名后跟一位数字来表示，COM就是串行驱动程序名，当引用一个流设备驱动程序时，还要在其字符跟数字组成的名称后跟一个冒号，冒号是Windows CE下系统辨别驱动程序的名称所需要的，这也是Windows CE系统跟一般Windows系统相区别的地方。在串行通讯中常用函数及作用如下:函数 作用CreateFile 打开串口GetCommState 检测串口设置SetCommState 设置串口ClearCommError 更新串口状态结构体，并清除所有串口硬件错误WriteFile 发送数据ReadFile 接受数据打开串口 在进行串口通讯时首先当然是打开串口。函数CreateFile用于打开串口。与系统中其它对象一样，通信端口也是用句柄来标识的。CreateFile函数返回被操作的串口端口句柄。CreateFile的第一个参数lpFileName指定串口名称，正如上面所说要用五字符驱动程序名称(3个字符加1位数字再加1个冒号如“COM1: );第二个参数dwDesireAccess指定对文件访问的类型，在通讯中为了即可以从串口读出测量数据又可以向设备发送指令，一般用GENERIC _READIGENERIC_ WRITE指定对串口进行读写;因为Windows CE串行口不支持任何共享模式，所以第三个参数dwShareMode必须设为0;第五个参数对串口必须设为OPEN EXISTING，表示打开己经存在的设备:串口被成功打开时，返回其句柄，否则返回INVALID HANDLE VALUE.串口设置 在串口打开后要配置好端口才能正确读写。第一次打开串口时，串口设置为系统默认值，函数GetCommState和SetCommState来配置串行端口，这两个函数中都有一个指向DCB(设备控制块)结构体的指针。DCB结构中字段BaudRate用于设置串口通讯波特率，其值要根据不同的全站仪确定，PDA支持从每秒110位到256K的波特率常数范围;(Binary字段应该设置为TRUE，因为到目前为止，Win32操作系统还不支持MS-DOS所支持的非二进制串行传输模式;(Parity字段设置为TRUE以便启用奇偶校检，fOutxCtsFlow和fOutxDsrFlow字段应设置为FALSE，因为一般PDA串行端口的输出不由CTS或者DSR线控制;(Null字段应设置为FALSE，因为在通讯中接受到的空字节可能为有用信息;ByteSize, Parity, StopBits定义了串行数据字节传输的格式，ByteSize常用8. StopBits取ONESTOPBIT表示每字节一位停止位。在实际设置的时候最好不要从头填写整个DCB结构体，而使用修改串行端口数据的方法，即先调用GetCommState填充DCB结构后修改必需的区域，最后调用SetCommState来配置端口通信参数。设置串口超时值 在调用SetCommState后还需继续用SetCommTimeouts设置串口的超时值，超时值是在ReadFi1e或WriteFile自动返回前Windows CE等待读或写操作的时间长度。设置串口超时值和上面串口设置类似，控制串口超时的函数也有两个SetCommTimeouts和GetCommTimeouts，这两个函数的参数都有一个指向COMMTIMEOUTS结构的指针，COMMTIMEOUTS结构定义了一组超时参数，时间包括字符之间的时间间隔以及读和写字符块的总时间。超时的计算方法有两种:一种是ReadIntervalTimeout指定的在接受字符之间的最大时间间隔，如果超过了这个时间，ReadFile或WriteFile调用会立即返回;另一种方法是基于等待接受的字符数量，ReadTotalTimeoutMultiplier的值乘以ReadFile或WriteFile调用中请求的字符数，再加上ReadTotalTimeoutconstant的值就得到了调用ReadFile或WriteFile的总超时时间。在COMMTIMEOUTS结构中的时间都以毫秒为单位。除了这两种基本超时以外还可以在COMMTIMEOUTS结构中设置是否使用超时和使用超时的确