导线测量内外业一体化程序设计.doc

I 论文题目 导线测量内外业一体化程序设计 专 业 地理信息系统 学 生 马刚利 签名 指导老师 黎晓 签名 摘 要 随着掌上计算机技术 GPS 定位技术和电子技术的发展与成熟 各种电子测量仪器和 GPS 接收机等成为测量工作的主要工具 由此人们提出了内外业一体化的概念 导线测量 一体化过程实质上是一个不断获取信息和处理信息的过程 从信息科学的观点出发 我们 可把导线测量一体化过程描述为由信息采集 信息传递 信息处理与管理所组成的信息 过程 本文主要阐述了外业数据记录方法 用 VB 实现全站仪与微机的数据通讯 内业 数据预处理 导线平差 坐标计算功能的实现及程序的开发 关键词 导线测量 一体化 程序设计 闭合差 II Title Title Programming of Integrative System for Indoor and Field Work of Traverse Survey MajorMajor Geographic Information System NameName gangli Ma SignatureSignature Advisor Advisor Li xiaoSignatureSignature ABSTRACT With the development and mature of palm computer technology GPS positioning technology and electronic technology a variety of electronic measuring instruments and GPS receivers have become the main tool for measurements it is thus proposed the concept of integration both within and outside the industry Traversing the integration process is essentially a continuous access to information and process information from information science point of view we can describe the integration process of traversing the grounds of information collection information transmission information processing and management components of the information process This paper described the method of recording field data using Visual Basic to achieve total station and computer data communications data pre processing within the industry traverse adjustment coordinates the realization of computing and program development KEY WORDS traverse survey integration Programming closing error III 目目 录录 第 1 章 绪 论 1 1 1 导线测量内外业一体化程序的研究现状 1 1 2 本文研究的目的意义 2 1 3 本文的研究内容 3 第 2 章 导线测量 4 2 1 导线测量的外业工作 4 2 1 1 导线的布设形式 4 2 1 2 导线测量的等级与技术要求 6 2 1 3 图根导线测量的外业工作 6 2 2 导线测量的内业计算 9 2 2 1 坐标计算的基本公式 10 2 2 2 闭合导线的坐标计算 11 2 2 3 附合导线坐标计算 16 2 2 4 支导线的坐标计算 17 第 3 章 程序总体设计 18 3 1 程序的编制目标与原则 18 3 1 1 程序的设计目标 18 3 1 2 程序的设计原则 18 3 2 程序的总体构想 19 第 4 章 具体功能的实现 22 4 1 全站仪与计算机的数据通信 22 4 1 1 使用 MSComm 控件 23 4 1 2 利用 Windows API 函数 25 IV 4 2 数据格式转换 26 4 2 1 其他类型转换为 Access 型数据 26 4 2 2 将电子表格转换为纯文本 27 4 3 数据预处理功能 28 4 4 导线平差功能 28 4 4 1 导线平差介绍 29 4 4 2 平差算法研究 29 4 4 3 导线网平差步骤 34 第 5 章 程序源代码及计算实例 35 5 1 程序源代码 35 5 2 计算实例 41 第 6 章 结束语 44 致 谢 46 参考文献 47 1 第 1 章 绪 论 1 1 导线测量内外业一体化程序的研究现状 科学技术的发展和生产力的进步把我们所处的世界推进信息时代 工程测量的生产 模式也毫不例外要适应这一变化 所谓导线测量的内外业一体化 可以这样理解 在生产 过程中 摆脱数据在一列变换过程中的人工干预 使导线测量外业数据采集 内业成果计 算和管理统一在一个系统内 并且对资料信息进行深加工 作出科学解释与管理 进行数字 地图 数字专用图生产 建立各种信息管理系统等 所以 导线测量一体化过程实质上是 一个不断获取信息和处理信息的过程 从信息科学的观点出发 我们可把导线测量一体化 过程描述为由信息采集 信息传递 信息处理与管理所组成的信息过程 如图 1 1 信息采集信息传递信息处理与管理 测量技术通讯技术计算机技术 图 1 1 导线测量的内外业一 体化化 从技术角度看 导线测量要实现一体化 必须集测量技术 通讯技术和计算机技术于一体 见图 1 目前 现代测量仪器已经与计算机技术融合 这表明现代测量技术正向信息化和 自动化过渡 电子计算机技术在工程测量中的核心作用正不断推动着测量过程的变革与 进步 现代通讯技术在测量过程中的应用 可以使测量野外作业 内业计算与管理以及应 用项目间的时空距离趋于零 从而实现内外业与管理过程间的双向控制 它预示着现代测 量模式的重大变革 从测量模式的变化情况看 导线测量一体化的发展大致经过如图 2 2 所示的几个阶段 2 人工阶段内业计算的程序化 阶段 各工序内的系统化 阶段 内外业一体化阶段 图 2 2 测量模式的发展情况 图中 程序化阶段 是以首次应用电子计算机为标志的 在内业计算中 测量电算程序 代替了繁杂的手工工作 从而大大提高了内业计算的效率 在 系统化阶段 各类计算 机已全面应用于测量过程的各个环节 计算机的小型化使野外作业中出现了电子手簿 这表明测量仪器在技术上已经与计算机技术混合在一起 计算机内存的扩大 速度的提 高使内业计算中出现了各类软件包 从而使计算项目系统化 随着通用数据库技术的成熟 在测量成果管理中也出现了各类数据库系统 由于计算机成了内外业和数据管理工作的 共同硬件平台 这使人们很自然地提出 内外业一体化 概念 在 一体化 阶段 面向 工程项目的一体化系统应运而生 如 靶场快速联测系统 大比例尺数字测图系统 坝体自动监测系统 等 在这些系统中 已看不出传统内外业工序的边界 整个过程都 在计算机系统中完成 业务主管部门从全局出发对系统进行管理 把分散的面向某一环节 的系统变成相互内聚的整体化系统 导线测量是现代测绘科学与技术的重要组成部分 导 线测量的一体化将促进测绘工程一体化的进程 1 2 本文研究的目的意义 长期以来 由于生产能力 生产工具和信息传输等技术的落后 工程测量的生产过程 都是以时空距离划分的分工序 分阶段过程 人工干预多 作业周期长 随着国民基建项 目的不断增多 工程项目不断的复杂化 计算机技术和程序设计方法的发展 以及人们 认识的提高 测绘正从传统的效率低下的手工作业阶段向高效的计算机阶段迈进 计算 机与测量仪器之间的数据通讯作为自动测量的基础已变的日益重要 编写和利用计算机 程序实现了测量数据的集中处理和存储 有利于数据的检索 查询和打印 提高了测量 数据处理的效率和准确性 工程测量成果数据中 以导线测量的外业和内业数据量最多 3 建立导线测量计算成果数据库管理系统 讲大大方便测量成果数据的计算 查询和保存 现代测绘 如大型水电站的水坝监测 边坡安全监测 建筑物变形监测 矿山采场测量 等等 都涉及到大量的数据处理 检索 管理 图形处理 输出等工作 这时传统的基 于 DOS 平台 面向过程的结构化设计方法已逐渐不能满足测量软件的开发需求 而在可 视化集成环境下采用面向对象的程序设计方法 事件驱动的编程机制开发测量软件 则 越来越普遍 采用 VB 编程进行导线计算 优点是使用方便 直观 计算速度快 采用计算 器计算某一导线 可能需要一两天时间 而采用程序计算可能只需几分钟到十几分钟时间 目前市场上 可以买到大型严密平差计算程序 但对于许多中小型日常的测量计算 还需要 技术人员自己去开发 例如 碎部测量 支导线测量 面积计算 解析交会等 对于现场 测量技术人员来说 目前仍有许多人 还在习惯使用计算器进行这些计算 麻烦费时 工作量 大 还易出错 因此 培养测量专业人员 学会使用 VB 编程解决测量计算问题是很有必要 的 研究和开发导线测量内外业一体化系统软件 将传统的测量方法与现代高科技手段 相结合 既保证了成果的高精度 又保证了作业的高精度 为国家经济建设和国防测绘事 业提供了科学可靠的保证 由于它具备良好的数据输入 输出 管理 分析等功能 能较 好的实现测量作业内外业一体化 不仅在一定程度上满足了测量施工单位的作业需要 大 大提高了他们的工作效率 而且为测绘数据成果及分发的自动化 智能化 网络化 实时 化和可视化奠定了基础 随着计算机的全面普及 高科技数字产品在今后的应用 管理 更新 维护以及资源共享等方面 具有无限的生命力 1 3 本文的研究内容 导线测量的最终目的是要获得各导线点的平面直角坐标 因此外业工作结束后就要 进行内业计算 内业计算的原始数据为观测的角度和边长 它们必须正确可靠 因此内 业计算工作应从审核整个外业资料着手 内业的主要内容有单一导线的计算 导线网的 平差 评定导线测量的精度 这其中又包含很多具体的内容 比如支导线的计算 附和 导线的计算 闭合导线的计算 严密平差 分别平差 检查导线测量错误等等 但本文 研究的最主要内容是如何使以上过程用VB程序实现 实现导线测量的内外业一体化程 序设计 4 第 2 章 导线测量 导线测量是建立国家基本平面控制方法之一 其实导线测量也是用于工程建设的平 面控制 城市建设的平面控制和地形测图的平面控制等方面 导线 就是由若干条直线 连成的折线 每条直线叫做导线边 其边长用钢卷尺或其他方法测量 相邻两直线之间 的水平角叫做转折角 通常用经纬仪观测 有了转折角的角值与导线的边长之后 即可 根据已知方向和已知坐标算出各导线点的坐标 2 1 导线测量的外业工作 导线测量是建立小地区平面控制网常用的一种方法 特别是在地物分布复杂的建筑 区 视线障碍较多的隐蔽区和带状地区 多采用导线测量的方法 用经纬仪测量转折角 用钢尺测定导线边长的导线 称为经纬仪导线 若用光电测 距仪测定导线边长 则称为光电测距导线 2 1 1 导线的布设形式 1 闭合导线 如图 2 1 所示 导线从已知控制点B和已知方向BA出发 经过 1 2 3 4 最 后仍回到起点B 形成一个闭合多边形 这样的导线称为闭合导线 闭合导线本身 存在着严密的几何条件 具有检核作用 x A B 1 2 3 4 BA 图 2 1 闭合导 线 5 2 附合导线 如图 2 2 所示 导线从已知控制点B和已知方向BA出发 经过 1 2 3 点 最 后附合到另一已知点C和已知方向CD上 这样的导线称为附合导线 这种布设形式 具有检核观测成果的作用 A C D x 1 2 3 AB CD 图 2 2 附合导线 x B 3 支导线 支导线是由一已知点和已知方向出发 既不附合到另一已知点 又不回到原起始点 的导线 称为支导线 如图 2 3 B为已知控制点 BA为已知方向 1 2 为支导线点 A B x 1 2 AB 图 2 3 支导线 6 2 1 2 导线测量的等级与技术要求 表 2 1 经纬仪导线的主要技术要求 测回数 等级 测图 比例尺 附合导线 长度 m 平均边 长 m 往返丈量 差 相对误差 测角中 误差 导线全长相 对 闭合差 DJ2DJ6 方位角闭合 差 一级 2 500250 1 20 000 5 1 10 00024 n10 二级 1 800180 1 15 000 8 1 7 00013 n16 三级 1 200120 1 10 000 12 1 5 00012 n24 1 500 50075 1 1 000 1 000110 图根 1 2 000 2 000180 1 2 0001 n60 注 n 为测站数 表 2 2 光电测距导线的主要技术要求 测回数 等级 测图 比例尺 附合导线 长度 m 平均边 长 m 测距中误 差 mm 测角中误 差 导线全长相 对 闭合差 DJ2DJ6 方位角闭合 差 一级 3 600300 15 5 1 14 00024 n10 二级 2 400200 15 8 1 10 00013 n16 三级 1 500120 15 12 1 6 00012 n24 1 500 90080 1 1 000 1 800150 图根 1 2 000 3 000250 1 4 0001 n60 注 n 为测站数 7 2 1 3 图根导线测量的外业工作 1 踏勘选点 在选点前 应先收集测区已有地形图和已有高级控制点的成果资料 将控制点展绘 在原有地形图上 然后在地形图上拟定导线布设方案 最后到野外踏勘 核对 修改 落实导线点的位置 并建立标志 选点时应注意下列事项 a 相邻点间应相互通视良好 地势平坦 便于测角和量距 b 点位应选在土质坚实 便于安置仪器和保存标志的地方 c 导线点应选在视野开阔的地方 便于碎部测量 d 导线边长应大致相等 其平均边长应符合表 6 3 所示 e 导线点应有足够的密度 分布均匀 便于控制整个测区 2 建立标志 a 临时性标志 导线点位置选定后 要在每一点位上打一个木桩 在桩顶钉一小 钉 作为点的标志 如图 2 4 所示 也可在水泥地面上用红漆划一圆 圆内点一小 点 作为临时标志 图 2 4 临时性标签 b 永久性标志 需要长期保存的导线点应埋设混凝土桩 如图 2 5 所示 桩顶 嵌入带 字的金属标志 作为永久性标志 8 注 b c 视埋设深度而定 图 2 5 永久性标签 c 点之记 导线点应统一编号 为了便于寻找 应量出导线点与附近明显地物 的距离 绘出草图 注明尺寸 该图称为 点之记 如图 2 6 所示 图 2 6 点之记 3 导线边长测量 导线边长可用钢尺直接丈量 或用光电测距仪直接测定 用钢尺丈量时 选用检定过的 30m 或 50m 的钢尺 导线边长应往返丈量各一次 往 返丈量相对误差应满足表 6 3 的要求 用光电测距仪测量时 要同时观测垂直角 供倾斜改正之用 4 转折角测量 9 导线转折角的测量一般采用测回法观测 在附合导线中一般测左角 在闭合导线中 一般测内角 对于支导线 应分别观测左 右角 不同等级导线的测角技术要求详见表 2 1 图根导线 一般用 DJ6经纬仪测一测回 当盘左 盘右两半测回角值的较差不超过 40 时 取其平均值 5 连接测量 导线与高级控制点进行连接 以取得坐标和坐标方位角的起算数据 称为连接测量 如图 2 7 所示 A B为已知点 1 5 为新布设的导线点 连接测量就是观测连接 角 B 1和连接边DB1 A BDB1 B 1 1 2 3 4 5 图 2 7 导线连测 如果附近无高级控制点 则应用罗盘仪测定导线起始边的磁方位角 并假定起始点 的坐标作为起算数据 2 2 导线测量的内业计算 导线测量内业计算的目的就是计算各导线点的平面坐标 x y 计算之前 应先全面 检查导线测量外业记录 数据是否齐全 有无记错 算错 成果是否符合精度要求 起 算数据是否准确 然后绘制计算略图 将各项数据注在图上的相应位置 如图 2 8 所示 10 2 2 1 坐标计算的基本公式 x y xA xB yA yB yAB xAB AB A B O 图 2 8 坐标增量计算 根据直线起点的坐标 直线长度及其坐标方位角计算直线终点的坐标 称为坐标正 算 如图 2 1 所示 已知直线 AB 起点 A 的坐标为 xA yA AB 边的边长及坐标方位 角分别为 DAB和 AB 需计算直线终点 B 的坐标 直线两端点 A B 的坐标值之差 称为坐标增量 用 xAB yAB表示 由图 2 8 可 看出坐标增量的计算公式为 ABABABAB ABABABAB Dyyy Dxxx sin cos 2 1 根据式 2 1 计算坐标增量时 sin 和 cos 函数值随着 角所在象限而有正负之分 因 此算得的坐标增量同样具有正 负号 坐标增量正 负号的规律如表 2 3 所示 表 2 3 坐标增量正 负号的规律 象限坐标方位角 x y 0 90 90 180 180 270 270 360 11 则 B 点坐标的计算公式为 ABABAABAB ABABAABAB Dyyyy Dxxxx sin cos 2 2 根据直线起点和终点的坐标 计算直线的边长和坐标方位角 称为坐标反算 如图 2 8 所示 已知直线 AB 两端点的坐标分别为 xA yA 和 xB yB 则直线边长 DAB和坐 标方位角 AB的计算公式为 22 ABABAB yxD 2 3 AB AB AB x y arctan 2 4 应该注意的是坐标方位角的角值范围在 0 360 间 而 arctan 函数的角值范围在 90 90 间 两者是不一致的 按式 2 4 计算坐标方位角时 计算出的是象限角 因此 应根据坐标增量 x y 的正 负号 按表 2 3 决定其所在象限 再把象限角换 算成相应的坐标方位角 2 2 2 闭合导线的坐标计算 现以图 2 9 所注的数据为例 该例为图根导线 结合 闭合导线坐标计算表 的 使用 说明闭合导线坐标计算的步骤 12 335 24 00 108 27 18 84 10 18 135 49 11 90 07 01 121 27 02 1 2 3 4 5 x1 500 00m y1 500 00m x 图 2 9 闭合导线略图 1 准备工作 将校核过的外业观测数据及起算数据填入 闭合导线坐标计算表 中 见表 2 4 起算数据用单线标明 2 角度闭合差的计算与调整 a 计算角度闭合差 如图 2 9 所示 n 边形闭合导线内角和的理论值为 180 2 th n 2 5 式中 n 导线边数或转折角数 由于观测水平角不可避免地含有误差 致使实测的内角之和 m 不等于理论值 th 两者之差 称为角度闭合差 用 f 表示 即 180 2 th nf mm 2 6 b 计算角度闭合差的容许值 角度闭合差的大小反映了水平角观测的质量 其中图根导 线角度闭合差的容许值 f p的计算公式为 13 nf06 p 2 7 如果 f p f 说明所测水平角不符合要求 应对水平角重新检查或重测 如果 f p f 说明所测水平角符合要求 可对所测水平角进行调整 c 计算水平角改正数 如角度闭合差不超过角度闭合差的容许值 则将角度闭合差反符 号平均分配到各观测水平角中 也就是每个水平角加相同的改正数v v 的计算公式 为 n f v 2 8 计算检核 水平角改正数之和应与角度闭合差大小相等符号相反 即 fv d 计算改正后的水平角 改正后的水平角 i改等于所测水平角加上水平角改正数 v ii 改 改 2 9 计算检核 改正后的闭合导线内角之和应为 n 2 180 3 推算各边的坐标方位角 根据起始边的已知坐标方位角及改正后的水平角 按式 推算其它各导线边的坐标方位角 180112观测角坐标方位角坐标方位角 计算检核 最后推算出起始边坐标方位角 它应与原有的起始边已知坐标方位角相等 否则应重新检查计算 4 坐标增量的计算及其闭合差的调整 a 计算坐标增量 根据已推算出的导线各边的坐标方位角和相应边的边长 按式 2 1 计算各边的坐标增量 用同样的方法 计算出其它各边的坐标增量值 b 计算坐标增量闭合差 如图 2 10a 所示 闭合导线 纵 横坐标增量代数和的理论值 应为零 即 14 0 0 th th y x 2 10 3 4 5 2 1 x12 x23 x34 x45 x51 y12 y23 y34 y45 y51 x y O 3 4 5 2 1 x y O 1 WD Wy Wx a b 图 2 10 坐标增量闭合差 实际上由于导线边长测量误差和角度闭合差调整后的残余误差 使得实际计算所得 的m x m y 不等于零 从而产生纵坐标增量闭合差 Wx和横坐标增量闭合差 Wy 即 my mx yW xW 2 11 c 计算导线全长闭合差 WD和导线全长相对闭合差 WK 从图 2 10b 可以看出 由于坐标 增量闭合差 Wx Wy的存在 使导线不能闭合 长度 WD称为导线全长闭合差 并用下 式计算 WD 22 yx WW 2 12 仅从 WD值的大小还不能说明导线测量的精度 衡量导线测量的精度还应该考虑到导线 的总长 将 WD与导线全长 D 相比 以分子为 1 的分数表示 称为导线全长相对闭合 差 WK 即 15 D D W D D W K 1 2 13 以导线全长相对闭合差WK来衡量导线测量的精度 WK的分母越大 精度越高 不同等级 的导线 其导线全长相对闭合差的容许值WKP参见表 2 1 和表 2 2 图根导线的WKP为 1 2 000 如果WK WKP 说明成果不合格 此时应对导线的内业计算和外业工作进行检查 必要时 须重测 如果WK WKP 说明测量成果符合精度要求 可以进行调整 d 调整坐标标增量闭合差 调整的原则是将Wx Wy反号 并按与边长成正比的原则 分配到各边对应的纵 横坐标增量中去 以vxi vyi分别表示第i边的纵 横坐标增量 改正数 即 i y yi i x xi D D W v D D W v 2 14 用同样的方法 计算出其它各导线边的纵 横坐标增量改正数 计算检核 纵 横坐标 增量改正数之和应满足下式 yy xx Wv Wv 2 15 e 计算改正后的坐标增量 各边坐标增量计算值加上相应的改正数 即得各边的改正后 的坐标增量 yiii xiii vyy vxx 改 改 改 改 2 16 用同样的方法 计算出其它各导线边的改正后坐标增量 计算检核 改正后纵 横坐 标增量之代数和应分别为零 16 5 计算各导线点的坐标 根据起始点 1 的已知坐标和改正后各导线边的坐标增量 按下式依次推算出各导线点的 坐标 改 改 改 改 11 11 iii iii yyy xxx 2 17 最后还应再次推算起始点 1 的坐标 其值应与原有的已知值相等 以作为计算检核 2 2 3 附合导线坐标计算 附合导线的坐标计算与闭合导线的坐标计算基本相同 仅在角度闭合差的计算与坐 标增量闭合差的计算方面稍有差别 1 角度闭合差的计算与调整 a 计算角度闭合差 如图 2 11 所示 根据起始边 AB 的坐标方位角AB 及观测的各右 角 推算 CD 边的坐标方位角CD 1 2 34 B A C D AB CD x x 205 36 48 290 40 54 202 47 08 167 21 56 175 31 25 214 09 33 AB 236 44 28 xB 1536 86m 图 2 11 附和导线略 图 BABB 180 1 1112 180 B 21223 180 17 32334 180 CCD 180 34 mABCD 1805 写成一般公式为 R n 180 0fin 2 18 若观测左角 则按下式计算 L n 180 0fin 2 19 附合导线的角度闭合差 f 为 finfin f 2 20 b 调整角度闭合差 当角度闭合差在容许范围内 如果观测的是左角 则将角度闭合差 反号平均分配到各左角上 如果观测的是右角 则将角度闭合差同号平均分配到各右角 上 2 坐标增量闭合差的计算 附合导线的坐标增量代数和的理论值应等于终 始两点的已知坐标值之差 即 0finth 0finth yyy xxx 2 21 纵 横坐标增量闭合差为 0finth 0finth yyyyyW xxxxxW y x 2 22 2 2 4 支导线的坐标计算 支导线中没有检核条件 因此没有闭合差产生 导线转折角和计算的坐标增量均不 需要进行改正 支导线的计算步骤为 1 根据观测的转折角推算各边的坐标方位角 2 根据各边坐标方位角和边长计算坐标增量 18 3 根据各边的坐标增量推算各点的坐标 第 3 章 程序总体设计 3 1 程序的编制目标与原则 程序选用 Visual Basic 作为程序编制的基础语言 它引入窗体和控件的概念 可以方便的进行可视化屏幕设计 大大地减少了涉及用户界面的时间 具有 可视化 面向对象 事件驱动的特点 从根本上改变了传统的程序设计模式 大大简化了 Windows应用程序设计 利用VB可以处理文本 图像 动画 声音等多媒体数据 同时 VB以图形用户界面的窗口体系反应系统结构 以时间驱动程序来执行相应任务 使所开 发的软件结构清晰 易于调试 此外 用VB开发的软件 经编译和制作安装盘后可以脱 离VB系统运行 3 1 1 程序的设计目标 导线测量内外业一体化系统设计以实现导线测量内外业一体化作业为宗旨 将外业数 据采集 内业数据预处理和水准网平差三个子系统有机结合 最大限度地降低劳动强度 提高劳动生产率 外业记录部分采用PDA作为记录器 记录程序以满足多等级 多方式测 量需要为目的 以操作简单化 运行智能化 限差控制自动化为目标进行程序设计 内业 数据预处理部分以实现对PDA记录数据的预处理和标准化记录成果表生成为目标 导线 网平差以平差数据格式简单 智能化程度高 精度指标齐全为目标 3 1 2 程序的设计原则 以原始记录数据作为内外业系统接口 在不对原始记录数据作任何编辑的情况下 达 到自动识别观测等级 自动对数据分类和自动进行温度 尺长改正的目的 同时能够实现 导线网平差接口和成果表的自动生成 3 2 程序的总体构想 总的来说 程序要实现相关平差的全部计算内容 平差计算在高斯投影平面上进行 平 19 差网具有足够的起算数据 进入平差计算的观测值是方向值和边 在导线节的中间点上使 用左角 程序的全过程可分为 5 个阶段 内容是人机对话 数据预先处理 主网间接平差 导线 节条件平差和导线节精度平定 各个段落的主要工作见图 3 1 人机对话 程序运行具体要求 读入网型结构控制信息 读入起算数据及原始数据 数据预处理 计算机相关测值及其权阵 计算定向角及坐标近似值 环线闭合差检核 主网间接平差 求结点平差值 计算相关观测值改正数 计算结点平差值协方差值 导线节条件平差 求导线及方位角平差值 计算导线点坐标平差值 导线节精度评定 计算导线点误差椭圆 计算相邻导线点相对误差 图 3 1 程序构想 开始 结束 20 开始 导线形式的判定 输入所有已知数据和所有的点号 查找并指出可能测错的角 检查输入数据是否正确 计算边长相对闭合差并判 断是否超限 计算角度闭合差并判断是 否超限 计算出控制点的坐标 打印或显示 打印显示 是否重复打印或显示 改正数据 查找并指出可能测错的边 结束 不正确 超限 超限 正确 不超限 不超限 打印显示 需要 不需要 图 3 2 程序结构图 为了使设计的程序满足生产实际的需要 要求它具有较强的通用性 即能用以平差单 一附合导线和闭合导线 具有必要起算数据的独立导线网 具有多余起算数据的附合导线 网 导线网中没有连测已知坐标方位角时 至少应有两个已知点 程序仍然能推算定向角和 21 结点坐标的近似值 并能进行后续的一切计算 即本程序能用来平差任何形式的导线网 为 了消除附合导线网起算数据的长度与观测边长度之间的系统差 可对全网的观测边设置一 个尺度比参数 对于独立导线网 若测边时使用了两台测距仪 而两台测距仪测边间存在明 显的长度系统差 可对其中一台仪器的测边设置一个尺度比参数 求得尺度比参数后 用它 修正观测边的平差值 使系统误差与偶然误差分离开来 从而改善验后单位权方差 有可能 较大地提高点位精度 无论何种形式的导线网 方向都用相同的精度观测 不同的导线节 可以使用不同的测距仪测边 对此可在准备数据时输入相应测距仪的标称精度值 程序的 输出结果采用较灵活的措施 把导线网的边长 坐标方位角以及精度平定结果写在平差文 件中 对于观测值 相关观测值及其权阵 环路闭合差 按边带宽贮存的法方程主元序号 法 方程系数及常数项 以及程序运行过程中得到的一些中间数据都通过屏幕显示 第 4 章 具体功能的实现 4 1 全站仪与计算机的数据通信 22 数据采集 实时限差检核 合格 保存数据 用户后处理系统 成果输出 图 4 1 数据采集流程 是 否 一般用VB开发串行通信程序有两种方法 一是利用Windows的API函数 另一种是采 用VB标准控件MSComm来实现 利用API函数编写串口通信程序较为复杂 其优点是可 实现更丰富 应用更广泛 更适合于编写较为复杂的低层次通信程序 MSComm控件可 用来提供简单的串口通信功能 也可以用来创建功能完备 事件驱动的高级通信工具 它 还提供了一系列标准通信命令的使用界面 通信程序简单易行 在测量中 全站仪或电子 手簿与计算机间的数据通信可利用这种方法来实现 下面就以Leica Tc2002全站仪为例 介绍如何在VB 6 0环境下利用MSComm控件和Windows API函数实现计算机与全站仪的 数据通讯 4 1 1 使用 MSComm 控件 VB 6 0提供了一个ActiveX控件Microsoft Communiacation Control 简称MSComm控件 用 户可以在自己的应用程序中嵌入MSComm控件 该控件通过串行端口传输和接收数据 为 应用程序提供串行通讯功能 选择VB 6 0 工程 菜单 打开 部件 对话框 选中 Microsoft Comm Control 6 0 即可把MSComm控件加入VB的控件箱 可能用到的 23 MSComm控件的属性有以下几个 CommPort 设置串行口号 Settings 设置串行口通讯参数 PortPopen 设置或返回串口的通讯状态 InputMode 设置从缓冲区读取数字的格式 Input 从接收缓冲区读取数据 Output 向缓冲区写入数据 InBufferSize 接收缓冲区的大小 OutBufferSize 发送缓冲区的大小 OutBufferCount 发送缓冲区的字节数 InputLen 设置或返回Input每次读出的字节数 MSComm控件提供了两种处理串口通讯的方式 查询方式和事件驱动I O方式 查询 方式直接 易于理解 但占用大量CPU时间 事件驱动方式是由Windows 98通知应用程序某 些事情什么时候发生 然后根据所发生的事情来对串口进行操作 这两种方式各有利弊和 自己适用的领域 所以在不同的通信系统中 可以根据不同的要求采用不同的技术 在监 测系统中 由于事件的偶然性和要求传送数据的实时性 计算机常采用事件驱动I O方式来 进行现场监测 其使用步骤为 1 打开需要进行通讯的端口 为通讯接受和发送数据队列分配内存区 2 对通讯端口进行初始化 如波特率 奇偶校验 数据位 停止位等 3 对通讯端口进行读写操作 4 如结束串行通讯 关闭打开的通讯端口 例如 用计算机控制Leica Tc2002全站仪自动测量时 编写下列代码能很好地实现二者 的通讯 MSComm1 COmmPort 1 设置串行通讯口 MSComm1 Settings 2400 e 7 1 设置波特率 奇偶检校 数据位数 停止位数 MSComm1 InputLen 1 设置或返回接收缓冲区内用Input属性读入的字符个数 MSComm1 InbufferSize 4096 设置缓冲区大小 MSComm1 PortOpen True 打开通讯端口 24 注意 1 当程序终止时将自动关闭打开的串行口 2 如果接收缓冲区越大 程序使 用的有效内存就越小 反之有可能接收缓冲区溢出 因此应通过实验逐渐增大其尺寸 依 据这样的设置 用RS 232型电缆将计算机 全站仪连接起来 就能实现计算机与全站仪的 串行通讯了 4 1 2 利用 Windows API 函数 在有些情况下 MSComm控件不适合我们的要求 这时我们可以用Windows API提供 的通讯函数来实现 以编写出可移植性强的串行通讯程序 Windows 98通信体系提供了 一个改进的串行应用程序接口API用来进行交互式串行通信 其中 串口和其它通信设备 是作为文件进行处理的 串口的打开 关闭 读取和写入所用的函数和操作文件的函数相 同 在调用APIA函数之前 必须先要声明变量和函数 Dim dcb As DCB Dim ofstruct1 As OFSTRUCT Dim operport As Long 在VB环境下打开API文本查看器 打开Win32 txt文件 在 声明 可选项中选中 OpenFile SetupComm SetupCommState ReadFile WriteFile CloseHandle等函数 在 类型 可选项中选中DCB OVERLAPPED等结构 在 常数 可选项中选中 ODDPARITY EVRXCHAR等常量 然后选择 复制 将它们复制到剪贴板 并粘贴到应 用程序代码中 在VB 6 0下调用API进行串行通讯 1 首先调用CreateFile对串行通讯口进行初始化 CreateFile函数为读访问或写访问 打开串口 打开成功后返回该串口句柄 然后调用SetComm函数为串行口分配缓冲区大小 供读写串口时使用 接着用DCB结构变量设置需改变缺省值的串行口的通讯参数 如波特 率 奇偶校验位 数据位 停止位 2 调用WriteFile ReadFile函数对串行口进行读写操作 用WriteFile来进行数据发 送 对于同步I O操作 它的最后一个参数可为NULL 而对异步I O操作 它的最后一个参数 必须是一个指向OVERLAPPED结构的指针 使数据的读写操作在后台进行 通过这个 OVERLAPPED结构来获得当前操作状态 用ReadFile来从串口接收缓冲区读取数据 数 25 据读取前 ClearCommError函数获得缓冲区中的字节数 3 用CloseHandle函数关闭串行通讯口此方法通讯代码如下 Dim ComDev Err Err1 bWriteState dwBytesRead dwBytesRead As Long ComDev CreateFile COM1 GENERIC READ GENERIC WRITE 0 NULL OPEN EXISTING FILE ATTRIBUTE NORMAL NULL 打开COM1if ComDev 1 Then Msgbox 不能打开串行口 Exit SubErr SetupComm hComDev 1024 512 设 置接收缓冲区和输出缓冲区的大小GetCommState hComDev 二是利用EXCEL将数据另存为 带格式文本文件 空格分隔 可生成后 缀为 PRN文件 在进行LEICA仪器数据格式导人时 选择固定格式项可方便导人 但其 它类型全站仪 如NIKON 则无法识别 该数据格式 对于徕卡仪器数据格式导人还有一种较简便的方法 在EXCEL或WORD中 打开已编制点号的纯文本表格 选择全表 Ctrl C 复制 打开玩icasurveyoffice软 件的坐标编辑器 点击Ctrl v 粘贴 三维数据即导人完成 使用此方法时 应注意表 与坐标编辑器中的X Y H值的顺序 4 3 数据预处理功能 在GPS测量中 把根据GPS接收机接受的信号数据计算基线向量的工作叫做GPS测 量数据的预处理 同理 也可以把根据导线测量的观测数据 水平方向 垂直角 倾斜 距离 仪器高和站标高 计算限差参数 2C 归零差 同一方向各测回之差 与观测成果 水平角 水平距离和高差 的工作叫做导线测量数据的预处理 也就是说 在野外用 电子手簿记录经纬仪导线测量的观测数据 用全站仪的存储器自动记录全站仪导线测量 的观测数据 回到室内后 用WINDOWS98下的超级终端将记录的观测数据传输至微机 由预处理程序计算每一站的限差参数与观测成果 用限差参数衡量每一站的观测质量 将观测成果提交平差程序进行平差 导线测量数据的预处理程序应该具有两个功能 一个是以测站为单位参照手工记录 本的方式 根据观测数据计算和显示限差参数与观测成果 另一个是为导线平差程序按 一定的格式提供所需的观测成果文件 导线测量数据预处理技术对于全站仪导线测量来说 它提高了野外测量的速度 避 免了野外记录和计算可能出现的错误 同时也减少了室内计算水平距离和高差的工作 尤其明显的是 它减少了一个记录人员的工作 充分发挥了全站仪自动记录的优势 提 高了工作质量 导线测量数据预处理技术对于经纬仪导线测量来说 它不仅提高了野外 测量的速度 还避免了野外计算可能出现的错误 同时也减少了室内计算水平距离和高 差的工作 充分利用了电子手簿的优势 提高了工作质量 导线测量数据预处理技术虽然不能在野外现场判断出观测成果是否合格 但由于目 前导线测量的等级都较低 所用的仪器也较先进 只要认真观测 导线测量的成功率都 28 是非常高的 一个导线或导线网中 只有个别测站需要返工 相比之下 导线测量数据 预处理技术的优势还是明显的 4 4 导线平差功能 包括导线网平差介绍 平差算法研究 导线网平差步骤 4 4 1 导线平差介绍 导线网 包括单一附和导线 单一闭合导线和结点导线网 是目前较为常用的控制 测量布设方式之一 其观测值有长度观测值和角度观测值 导线网是网形不受限制 可以 按需伸展的特殊边角网 通常测量网中全部的边和方向 构成自身闭合或附合在高级点上 的网形 即使如此 导线网中的多余观测相对与三角网来说是少的 由于导线网有布设灵 活的特点 故在建立三角网有困难的地区 都可以用相当等级的导线网代替 导线网的必要 起算数据是3个 即一个点的纵横坐标和一条边的坐标方位角 有多余起算数据的导线网称 为附合导线网 没有多余起算数据的导线网就是独立导线网 导线网平差时 采用条件平差 是相当普遍的 或者在全网整体平差时采用间接平差法 在单一导线平差时采用条件平差 法 导线网采用条件平差时 最基本的是建立在已知点或结点之间的单一附和导线节的条 件方程 对于较大规模的导线网 可以采用分区平差的算法 把结点的坐标和定向角作为未 知参数 这样就可以把全网按导线节分成若干分区 在分区内部组成条件方程 消去内部联 系数后即得结点尚未知参数的法方程 这就是附有未知参数的条件方程法 即全网结点的 未知参数采用间接平差 各导线节内部采用条件平差 当加密网的尺长与已知点间的尺长 存在明显系统差时 平差中可按情况设置尺度比参数 以削弱尺长系统差对平差结果的影 响 导线网采用间接平差 则设定待定点的坐标 测站点的定向角或尺度比等参数 由于这些 未知参数的个数远较多余观测数为大 实际上 导线网很少采用单纯的间接平差算法 为了 减少观测值的数量和扩大计算机的解题能力 结点或已知点之间的一个导线点 可以用两 个端点之间的3个相关观测值代替 这样 就构成了一个由已知点与结点间的长边连成的相 关观测导线网 这个相关观测网就可以采用间接平差 求得结点平差值后再返回各个导线 点 采用条件平差法求各个导线点的坐标平差值 29 4 4 2 平差算法研究 1 单一附和导线条件平差 如图4 2所示 在这个导线中有四个已知点 n 1个未知点 n 1个水平角观测值和n 条边长观测值 总观测值数为2n 1 从图中可以分析 要确定一个未知点的坐标 必须 测一条导线边和一个水平角 即需要2个观测值 要确定全部n 1个未知点 则需要观测 n 1个导线边和n 1个水平角 既需要观测数t 2n 2个 多余观测数r 2n 1 t 3 也就 是说 在单一附和导线中 只有三个条件方程 下面讨论其条件方程式和改正数条件方 程式的写法 n 1 C B 1 1 2 DA 3 4 4 n 1 n S1S2 1 n S n 1 n S S n 图 4 2 附和导线图 设AB边方位角已知值为 CD边方位角已知值为 计算值为 B点坐标的 AB T 0 T CD T 1 n T 已知值为 或者 C点坐标的已知值为 计算值为 B x B y 1 x 1 y c x c y 三个条件中 有一个方位角附和条件 两个坐标附和条件 1 n x 1 n y 方位角附和条件 从起始方位角推算至终边的方位角平差值应等于其已知值 即 4 1 01 CD nTT 横纵坐标附和条件 从起始点推算至终点所得到的坐标平差值应与终点的已知坐标值相 等 即 4 2 0 1 Cnxx 4 3 0 1 Cn yy 30 a 方位角条件式 18011801 1 1 0 1 1 01 nTnTT n i n in i 则式 4 1 可写为 018011801 1 1 0 1 1 0 1 CD n i n iCD nTnTnTTT i 整理得 4 4 0 1 1 T n w i 其中 CD n iT TnTw 1801 1 1 0 b 纵坐标附和条件式 终点C坐标平差值表示为 4 5 n iBnxxx 1 1 而第i边的坐标增量为 4 6 i iiTSx cos 式中 i Si iSS i i i j i i j i j i T iT iTiTT j j j 1 0 1 1 1 0 1 0 180 180180 其中是第i边的近似坐标方位角 i T 4 7 180 0 1 iTT i ji 则式 4 6 可写为 i i Si iTSx ji 1 cos 上式按泰勒级数展开 取至一次项 得 31 4 8 i n i sii i ji y Txx 1 cos 其中 为由观测值计算出的近似坐标增量 iii TSxcos 将式 4 8 带入式 4 5 并按合并同类项得 j n n n n sin n i n i sii Bc ji ji yyTx y Txxx 1 1 1 1 1 1 1 cos cos 上式带入式 4 2 整理得 0 1 cos 1 1 1 1 cn n n n n si xxyyT ji 上式即为纵坐标条件方程式 也可写为统一形式 4 9 0 1 cos 1 1 1 x n n n n si wyyT ji 4 10 c nx xxw 1 c 横坐标附和条件式 可以仿照纵坐标条件推导过