水准测量软件设计毕业设计模板.doc

引言 水准测量是测定地面点高程的主要方法之一。水准测量是使用水准仪和水准尺，根据水平实现测定两点之间的高差，从而由已知点的高程推求未知点的高程。三、四等水准测量是经常施测的一种高程测量方法。布设水准路线是建立高程控制的一种常规方法。传统的三、四等水准测量一般使用纸质水准表格记录原始数据并进行相关数据的计算和检核工作,在工期紧，任务繁重的情况下，纸质水准表格记录和计算工作强度大、效率低。为了提高水准测量的效率，使得水准测量的内外业一体化，提高数据处理速度、精度和可靠性，外业观测上需采用更加科学、快速的作业模式，内业数据处理上需采用简便、可靠的数据处理软件。而利用编程语言编制水准测量数据检核与平差软件替代纸质水准表格记录和计算，可以大大提高三、四等水准测量的效率。在取得初步的外业数据后，要对外业数据进行检核，确定数据的可用性及准确性，为平差计算的打好基础，得到合格的外业观测数据后，需对所采集的水准测量数据进行平差处理。 软件设计思路以实现水准测量内外业一体化为宗旨，以最大限度降低劳动强度、提高生产效率为目标，以操作简单化、运行智能化、限差控制自动化为条件，使用目前主流开发语言Visual Basic6.0，构建水准平差序的运行界面、输入、输出窗口并根据观测数据和已知数据的输入形式和数据结构，按照水准平差的平差模型编写相应的代码，形成平差模型计算模块(module)。 程序计算中要解决的几个关键问题: 1)对于水准测量来说,山地和平地所要求的高差闭合差限差计算公式是不同的,所以在计算之前应先按照实际工作测量的类型选择计算公式,然后采用不同限差公式进行判断。 2)计算的数据必须在高程闭合差没有超出限差范围才进行计算,如果超限,计算是没有意义的,所以超限后程序必须中断,并提示超限。 3)计算的数据应该以数组的方式进行存储,不同任务的水准测量工作,待测点的数量显然不同,计算程序应能够按照实际工作需要声明数组个数,所以程序中要设置待测点数量的输入项,然后根据输入的数字声明数组。 4)闭合差在分配过程中必然出现余数除不尽的情况,小数取舍就成了关键问题,如果处理不当会出现各改正数之和与高程闭合差不相符的情况,所以在程序计算中,小数的取位必须采用奇进偶舍来进行,不能简单使用四舍五入。最后计算出的结果还要进行检验,如果闭合差与改正数之和不相符,则差值应分配到路线最长或是测站数最多的一个测段;因此,要求程序能够查找到最长水准路线所对应的改正数。1 水准测量的基本原理和方法 水准测量，是利用水准仪和水准标尺，根据水准仪能够确定水平视线原理，测定两点间的高差，再由一点高差推算另一点高差的测量方法。1.1 水准测量的目的 水准测量的目的：通过测量地面上两点之间的高差h，根据已知点的高程求算未知点的高程,测出一系列水准点的高程。通过水准点的高程，可以了解地表的形状、地壳的变化，以及指导工程的设计、施工、监测。 1.2 水准测量的基本原理 水准测量不是直接测定地面点的高程，而是测出两点间的高差。即在两个点上分别竖立水准尺，利用水准测量的仪器提供的一条水平视线，瞄准并在水准尺上读数，求得两点间的高差，从而由已知点高程推求未知点高程。如图1-1所示，设已知点高程为，用水准测量方法求未知点的高程。在、两点中间安置水准仪，并在、两点上分别竖立水准尺，根据水准仪提供的水平视线在点水准尺上读数为，在点的水准尺上读数为，则、两点间的高差为： 图1-1 水准测量原理 （1-1） 设水准测量是由点向点进行，如图1-1中箭头所示，则规定点为后视点，其水准尺读数为后视读数；点为前视点，其水准尺读数为前视读数。由此可见，两点之间的高差一定是“后视读数”减“前视读数”。如果，则高差为正,表示点比点高；如果，则高差为负，表示点比点低。 在计算高差时，一定要注意的下标的写法：表示点至点的高差，则表示点至点的高差，两个高差应该是绝对值相同而符号相反，即 (1-2) 测得、两点间高差后，则未知点的高程为： (1-3) 由图1-1可以看出，点高程也可以通过水准仪的视线高程（也称为仪器高程）来计算，视线高程等于点的高程加点水准尺上的后视读数，即 (1-4)则 (1-5) 一般情况下，用(1-3)式计算未知点的高程，称为高差法。当安置一次水准仪需要同时求出若干个未知点的高程时，则用(1-5)式计算较为方便，这种方法称为视线高法。即每一个测站上测定一个视线高程作为该测站的常数，分别减去各待测点上的前视读数，即可求得各待测点的高程。这在建筑工程中经常用到。 在实际水准测量中，、两点间高差可能较大或相距较远，不可能安置一次（一测站）水准仪即能测定两点间的高差。此时可在沿点至点的水准路线上增设若干个必要的临时立尺点，称为转点，根据水准测量原理依次连续地在两个立尺点中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，最后取各个测站高差的代数和，即求得两点间的高差值，这种方法称为连续水准测量。如图1-2所示，欲求，在点至点水准路线上增设个临时立尺点（转点），安置次水准仪，依次连续地测定相邻两点间高差，即： 则 (1-6)式中，为后视读数之和，为前视读数之和，则未知点B的高程为 (1-7) 图1-2 连续水准测量 、两点间水准路线上增设的转点起着传递高程的作用。为了保证高程传递的正确性，在连续水准测量过程中，不仅要选择土质稳固的地方作为转点位置（宜安放尺垫），而且在相邻测站的观测过程中，要保持转点（尺垫）稳定不动；同时要尽可能保持各测站的前后视距大致相等；还要尽可能通过调节前、后视距离保持整条水准路线中的前视视距之和与后视视距之和相等，这样有利于消除（或减弱）地球曲率和仪器某些误差对高差的影响。2 水准测量手簿2.1 水准测量的计算与检核 为了保证水准测量成果的正确可靠，在进行内业计算前，对水准测量的成果必须进行检核。检核方法有测站检核和水准路线检核两种。2.1.1 测站上的计算与检核 实际工作中，进行路线水准测量时，普通水准路线测量常采用高差法，采用高差法实施普通水准测量时，为了及时进行检核，可采用双面尺法，也可采用变更仪器高法。下表为四等水准测量记录计算表（表2-1）： 四等水准测量记录计算表 （表2-1）测站编号后尺下丝前尺下丝方向和尺号标尺读数（中丝）K+黑减红高差中数备考上丝上丝后距后距黑面红面视距差dd（1）（5）后（3）（8）（10）（2）（6）前（4）（7）（9）（12）（13）后前（16)（17）（11）（18)（14）（15） 为防止在一个测站上发生错误而导致整个水准路线结果的错误，可在每个测站上对观测结果进行检核，方法如下：表中：视距计算：根据视线水平时的视距原理（下丝上丝）100计算前、后视距离。后视距离 （12）（1）（2）100前视距离 （13）（5）（6）100前后视距差 （14）（12）（13），前后视距差不超过5m。前后视距累计差 （15）上一个测站（15）本测站（14），前后视距累计差不差过10m。同一水准尺黑、红读数差计算： （10）（3）K（8） （9）（4）K（7）同一水准尺黑、红面读数差不超过3mm高差计算与检核黑面尺读数之高差 （16）（3）（4）黑面尺读数之高差 （17）（8）（7）黑、红面所得高差之差检核计算 (11)=（16）（17）100=（10）（9）式中100问两水准尺常数K之差黑、红面所得高差之差不超过3mm计算平均高差 (18）（16）（17）100）2002.1.2 观测结束后的计算与校核 测站校核只能检查每一个测站所测高差是否正确，而对于整条水准路线来说，还不能说明它的精度是否符合要求。例如在仪器搬站期间，转点的尺垫被碰动、下沉等引起的误差，在测站校核中无法发现，而水准路线的闭合差却能反映出来。因此，普通水准测量外业观测结束后，首先应复查与检核记录手簿，并按水准路线布设形式进行成果整理，其内容包括：水准路线高差闭合差计算与校核；高差闭合差的分配和计算改正后的高差；计算各点改正后的高程。 1高差闭合差的计算与校核 （1）支水准路线 支水准路线，沿同一路线进行了往返观测,由于往返观测的方向相反，因此往测和返测的高差绝对值相同而符号相反，即往测高差总和与返测高差总和的代数和在理论上应等于零；但由于测量中各种误差的影响，往测高差总和与返测高差总和的代数和不等于零，即为高差闭合差： （2-1） （2）闭合水准路线 所示的闭合水准路线，因起点和终点均为同一点，构成一个闭合环，因此闭合水准路线所测得各测段高差的总和理论上应等于零，即。设闭合水准路线实际所测得各测段高差的总和为，其高差闭合差为： （2-2） （3）附合水准路线 附合水准路线，因起点A和终点B的高程、已知，两点之间的高差是固定值，因此附合水准路线所测得的各测段高差的总和理论上应等于起终点高程之差，即 （2-3）附合水准路线实测的各测段高差总和与高差理论值之差即为附合水准路线的高差闭合差： （2-4） 由于水准测量中仪器误差、观测误差以及外界的影响，使水准测量中不可避免地存在着误差，高差闭合差就是水准测量误差的综合反映。为了保证观测精度，对高差闭合差应作出一定的限制，即计算得高差闭合差应在规定的容许范围内。当计算得高差闭合差不超过容许值（即）时，认为外业观测合格，否则应查明原因返工重测，直至符合要求为止。对于普通水准测量，规定容许高差闭合差为： 40 (mm) (2-5)式中 为水准路线总长度，以km为单位。 在山丘地区，当每公里水准路线的测站数超过16站时，容许高差闭合差可用下式计算： 12 (mm) (2-6)式中 为水准路线的测站总数。 2高差闭合差的分配和计算改正后的高差 当计算出的高差闭合差在容许范围内时,可进行高差闭合差的分配，分配原则是：对于闭合或附合水准路线，按与路线长度或按路线测站数成正比的原则，将高差闭合差反其符号进行分配。用数学式子表示为 （2-7）或 （2-8）式中 为水准路线总长度， 表示第测段的路线长； 为水准路线总测站数，表示第测段路线站数； 为分配给第测段观测高差上的改正数； 为水准路线高差闭合差。 高差改正数计算校核式为,若满足则说明计算无误。 最后计算改正后的高差，它等于第测段观测高差加上其相应的高差改正数，即 （2-9） 3计算各点改正后的高程 根据已知水准点高程和各测段改正后的高差，依次逐点推求各点改正后的高程，作为普通水准测量高程的最后成果。推求到最后一点高程值应与闭合或附后水准路线的已知水准点高程值完全一致。 2.2 限差要求 国家三、四等水准测量利用专门的表格进行原始水准数据记录并按照检核条件进行数据的检核，水准电子记薄数据处理软件正是对以上工作的编程实现。国家三、四等水准测量的作业限差包括：标准视线长度、后前视距差、后前视距累计差、黑红面读数差、黑红面所测高差之差和检测间隙点高差之差。2.2.1 四等水准 测量规范对四等水准测量的主要技术要求见表2-1 四等水准测量主要技术要求 表 2-1观测等级仪器类型支线长度（km）附合路线长度（km）视线长度（m）视距差（m）视距累计差（m）路线闭合差（mm）平地山地二等DS150134L三等DS11003612LDS375四等DS3208010031020L25L 表中：L为往返测段、附合或闭合环线的水准路线单程视距总和，以km为单位；当L不足1km时，取L1km。n为往返测段、附合或闭合环线的水准路线单程测站数，在山地没km超过16站时，应采用式25L计算路线闭合差允许值。每一站上同一根水准标尺黑、红面中丝读数之差，即|K黑红|3mm。其中K为水准标尺黑红面读数的常数差，称为同一根水准标尺黑、红面中丝读数尺常数。一测站前、后视标尺黑、红面所测高差之差，即：|h黑（h红100mm|5mm。视线高：三丝能读数。工作间歇时，最好在固定点上结束观测。如不可能，则应设立三个固定标志点作为转点。转点应设在测线前进方向的延长线上，并测出其高差。起测时，应测定间歇点高差，若间歇前后任意两间歇点所测高差之差小于或等于5mm，即可由此起测；否则，应返回到前一个固定点开始起测。在相邻固定点之间应进行偶数站观测。水准路线闭合差计算方法：闭合水准路线：Wh；附合水准路线：Whh理 h理H末H首；支水准路线： Wh往h返。3 四等以下水准测量外业数据检测程序使用说明3.1 程序的基本功能 （1）记录每一个测站的读数，并在完成每个测站的记录后进行测站计算随时检核测站数据是否超限，并弹出对话框提示超限的数据，以便及时重测； （2） 按照数学模型的规定将需要的数据进行累加，并存入到相应的文件中； （3） 对不合乎规范的测站进行提示； （4） 在程序中设置了添加记录、保存记录、测站计算，显示下一站等功能。3.2 流程图输入测量数据进行检核，并输入结果判 断给出相应提示存入指定文件假真进入下一测站图3-1 外业数据检核程序流程图 3.3 超限情况显示 超限情况显示说明表 表3-1显示 意义对话框：视距超限，需要重测！在四等以下水准测量中，当视距超限，需重测！对话框：黑红面所测高差之差超限，需重测！在四等以下水准测量中，提示测量人员黑红面所测高差之差超限，需重测！对话框：前后视距差超限，需要重测！在四等以下水准测量中，提示测量人员前后视距差超限，需重测！对话框：黑红面读数差超限，需重测！在四等以下水准测量中，提示测量人员黑红面读数差超限，需重测！3.4 具体操作方法 打开“水准测量数据检核计算程序”，进入运行程序的主界面，上面有三个按钮分别为“数据检核”、“平差计算”、“退出程序”。点击“数据检核”按钮即可进入四等以下水准的记录手簿，点击“平差计算”按钮即可对四等和等外水准进行平差。运行主界面如下：图3-2 程序运行主界面图3.4.1 水准记录手簿 水准记录手簿如下:图3-3数据检核界面图 观测顺序为：后后前前（黑、红、黑、红） 1. 计算公式 高差部分： （9）=（4）+K-(7) （3-1） (10) = (3) + K-(8) （3-2） (11) = (10) -（9） （3-3） （10）及（9）分别为后、前视标尺的黑红面读数之差，（11）为黑红面所测高差之差，K为后、前视标尺红黑面零点的差数; (16) = (3) (4) （3-4） (17)= (8) (7) （3-5） (16)为黑面所算得的高差，（17）为红面所算得的高差。由于两根尺子红黑面零点差不同，所以（16）并不等于（17）（其中（16）与（17）应相差100）因此（11）尚可作一次检核计算，即 （11）=（16）100 -（17） （3-6） 视距部分：（12）=（1）-（2） （3-7） （13）=（5）-（6） （3-8）（14）=（12）-（13） （3-9）（15）=本站的（14）+前站的（15） （3-10）（12）为后视距离，（13）为前视距离，（14）为前后视距离差，（15）为前后视距累积差。 2. 观测结束后的计算与校核 高差部分： （3）-（4）=（16）= （3-11） （3）+K-（8）=（10） （3-12） （8）-（7）=（17）= （3-13） （4）+K-（7）=（9） （3-14） （3-15） 、分别为一测段黑面、红面所得高差；为高差中数。 视距部分：末站（15）=（12）-（13） （3-16）总视距=（12）+（13） （3-17） 3.水准手簿记录界面的操作方法 （1）进入界面窗体，点击水准记录手簿按钮，弹出“要开始进行输入吗？“对话框，点击是按扭进入水准手薄界面进行第一次输入，若点击否，从file2.txt文件中调用视距差累积、视距累积以及高差累积，然后在进入水准手簿进行数据输入。 （2）在text1中输入测站号，在text4和 text8分别输入前后尺所读视距 （3）在text10和 text13中分别输入后尺黑红面中丝读数，在text11和 text14中分别输入前尺的黑红面中丝读数。 （4）点击“测站计算”按钮，第一测站时会弹出输入第一站后尺尺常数的输入框，当数据不符合要求时，将出现下列情况： a前后视距限差100m，超限显示：视距超限，需重测！输入的数据清空。 b前后视距差限差5m，超限显示：视距差超限，需重测！输入的数据清空。 c视距累积差限差10m，超限显示：视距累积差超限，需重测！输入的数据清空。 d上下丝读数之和的平均值与中丝读数限差3mm，超限显示，读数错误，需重测！输入的数据清空。 e基辅分划所测高差的差的限差3mm，超限显示，黑红面所测高差超限，需重测！输入的数据清空。 如果一切合要求，进行下一步： （5）点击“保存记录”按钮，计算结果存入相应数据文件中。 （6）点击“添加记录”按钮，在文件中追加记录。 （7）重复（1）到（5）的操作。 （8）点击“完成”按钮，弹出“工程是否完成”对话框，点击“是”最后一站记录仍然存入file1.txt,若点击“否”，将视距差累积，视距累积和高差累积存入file2.txt。3.5 算例3.5.1 四等水准算例图3-4 四等水准数据检核演算数据数据检核输出结果：图3-5 四等水准数据检核输出结果 用于平差的数据图3-6 检核合格后用于平差数据3.5.2 等外数准算例图3-7 等外水准数据检核演算数据将结果放入文本文件中，如下所示：图3-8 等外水准数据检核输出结果 4 单一水准路线平差的理论与数学模型 单一水准路线的形式有三种，即：附合水准路线、闭合水准路线、支水准路线。4.1 附合水准路线图4-1 附合水准路线 附合水准路线。如图4-1中，A、B为已知高程的水准点，从A 点出发，从1,2,3各欲求高程点进行水准测量，最后附和到另一水准点B上。这种水准路线称为附合水准路线。在附合水准路线中，各段的高差总和应与A、B两点的已知高差相同，如果不等，其差值为高差闭合差，即闭合差等于观测值减理论值。 = （4-1） 或 = （4-2） 一般工程测量中，闭合差的容许值是： （4-3）或 （4-4） 式中 L-水准路线长度，以km计(适用于平坦地区) n-测站数(适用于山地) 水准测量的外业测量数据经检验后，如果满足了精度要求,就可以进行内业计算。即调整高差闭合差(将闭合差按误差理论合理分配到各测段的高差中去)。最后求出欲求点的高程。高差闭合差的计算：路线闭合差(MM) = （4-5）容许闭合差(MM) (容许闭合差采用等外水准测量) （4-6） 如果，符合精度要求,可进行调整。 闭合差调整：. 根据误差理论，闭合差的调整可按照测段的长度和测站数成正比反符号进行分配。设为第个测段的高差的改正数，分别代表测段的长度和测站数。则 =- （4-7）或 =- （4-8） 为方便计算可先算出每公里(或每站)的改正数， =-或，然后在乘以各测段的长度(或测站数)，就得到各测段的改正数，,改正数总和的绝对值应与闭合差的绝对值相等，改正后的高差代数和与理论值(相等，否则，说明计算有错。 高程计算： 从已知水准点A的高程推算1，2，3各点的高程,最后计算B点的高程，应与理论值H相等，否则，说明高程推算有误。4.2 闭合水准路线图4-2 闭合水准路线 闭合水准路线，从已知高程的水准点BM出发，沿一条环形路线进行水准测量，测定沿线若干水准点的高程，最后又回到水准点BM，如图4-2所示，称为闭合水准路线。 如图4-2中，BM为已知水准点，1，2，3为欲求高程点,在闭合水准路线中各段高差的总和应等于零。即：理=0 （4-9） 若实测高差的总和不等于零，则为闭合差，即 （4-10） 闭合差调整： 根据误差理论，闭合差的调整可按照测段的长度和测站数成正比反符号进行分配。设为第个测段的高差的改正数,分别代表测段的长度和测站数。则 =- （4-11）或 =- （4-12） 为方便计算可先算出每公里(或每站)的改正数，=-或,然后在乘以各测段的长度(或测站数)，就得到各测段的改正数，改正数总和的绝对值应与闭合差的绝对值相等，改正后的高差代数和应该为零，否则，说明计算有错。 高程计算： 从已知水准点BM的高程推算1，2，3各点的高程,最后回到已知点,应与理论值BM点高程值相等，否则，说明高程推算有误。4.3 支水准路线图4-3 支水准路线 支水准路线，在图4-3中，从一个已知水准点出发到欲求一个高程水准点，沿同一水准路线进行往测(已知高程点到欲求高程点)和返测(欲求高程点到已知高程点)，往返测高差的绝对值应相等而且符号相反。若往返测高差的代数和不等于零即为闭合差，或称校差(可看成闭合水准路线的特例)，则： （4-13） 支水准路线不能过长，一般为2KM左右，其闭合差的容许值与附合水准路线相同，但附合水准路线闭合差容许值中路线全长L或测站n只按单程计算，支水准路线闭合差调整及待定点高程的计算.因支水准路线只求一个点的高程，见图4，其闭合差见式 /2 （4-14）故只取往返高差的平均值即可，最后点的高程值即：已知点高程h，其为所求结果。5 平差程序流程图程序运行界面四等水准平差等外水准平差闭合水准路线附合水准路线支水准路线输入测站数输入测站数输入起点高程输入终点高程输入测站数输出平差结果闭合水准路线附合水准路线支水准路线输入测站数输入测站数输入起点高程输入终点高程输入测站数输出平差结果图5-1 平差程序流程图6 平差程序使用说明6.1 平差程序的基本功能（1）可对四等以下单一水准路线进行平差；（2）在过程中提取数据文件加以平差；（3）将平差结果数据存储到指定文件当中。6.2 闭合差容许差要求 闭合差限差要求 表6-1 路 线 种 类 等 级支水准路线往返测较差限差（mm）附合（闭合）路线闭合差限差（mm）四等水准测量等外水准测量 注：S为相邻两水准点间的距离，以公里为单位； L为附合路线或闭合路线的长度，以公里为单位。6.3 平差程序的具体操作方法 通过程序设计的主界面进入到平差程序中，界面如图所示：图6-1 平差计算运行界面（1） 使用前先在根目录下放入数据的文本文件； （2） 界面上设有菜单编辑器，单击其中的任何一项，Lable1的标题将变成相应的名称，如四等水准平差，并提示输入容许闭合差公式前的系数； （3） 在Frame1框架中设有三个选择按钮，选中附合水准路线按钮，系统就会提示用户输入起点高程、终点高程、测站数；选中闭合水准路线按钮，系统提示用户输入已知点高程、测站数；选中支水准路线按钮，系统提示输入已知点高程、测站数。 （4） 在进行选择按钮以后程序将自动打开根目录下的数据文件进行平差，并将平差后的结果存储在根目录下的新建文本文件中； （5） 如有超限的情况，系统将弹出对话框。6.4 算例 闭和水准路线算例：已知起始点高程值为10.000，有四个测站，各测段的高差值分别为0.450m，0.357m，-0.472m，-0.357m，各测段的视距分别为：0.82km，0.54km,1.24km,1.27km,求算各未知点的高程。 将以上数据添加到闭合水准数据的记事本中，然后运用程序便可调用其中的内容得到最后成果，如图所示： 图6-2 闭合水准路线演算数据 图6-3 闭合水准路线平差结果 附合水准路线算例：已知起始点高程值为135.279，终点高程为136.761，四等各测段的高差值分别为：-0.070，0.102，0.115，0.335，-0.345，-0.300，-0.206，0.222，0.562，1.032 各测段的视距（米）分别为90.2 ，88.3，118.9，61.8，101.8，115.5，119.0，132.3，93.2，86.4。数据文件及结果如下： 图6-4 附合水准路线演算数据 图6-5 附合水准路线平差结果 支水准路线算例：已知起始点高程值为10.000，有四个测站，往测的高差值分别为: 0.250m，0.302m，-0.472m，-0.357m，反测高差值分别为：-0.251m,-0.302m,0.471m,0.356m, 各测段的视距分别为：0.82km,0.54km,1.24km,1.40km，数据文件及结果如下所示： 图6-6 支水准路线演算数据 图6-7 支水准路线平差结果7 结论本文主要讲述了水准测量数据检核与平差计算程序的设计依据，设计思路及设计成果，通过对水准测量数据检核与平差计算程序的研究与设计，学到了许多关于程序设计方面的知识，对程序设计有了更深的了解。对于本次设计主要取得了以下成果：（1）实现了四等以下水准测量数据检核的程序化,降低劳动强度、提高生产效率；（2）实现了测段成果与平差准备数据的衔接；（3）实现了单一水准路线平差计算的程序化；（4）经算例检核，本文的设计成果可以应用于生产实践。 参考文献1 杨双旗.硕士学位论文.工程测量数据处理系统