杜子濤+趙義博

摘 要：近年來，全國各高等院校測量儀器的使用規(guī)模不斷擴(kuò)大，如何實現(xiàn)儀器設(shè)備管理的科學(xué)化和信息化成為實驗室管理中最需解決的問題之一。針對高校測量儀器室科學(xué)管理以及數(shù)據(jù)處理的問題，利用Visual Basic語言開發(fā)了“測量實踐教學(xué)管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具有儀器室管理、數(shù)據(jù)處理和實習(xí)成績管理功能，為測量實驗室的科學(xué)管理、測量成果檢驗以及成績管理提供更好的平臺。系統(tǒng)應(yīng)用于河北工業(yè)大學(xué)的測量實驗室管理，已經(jīng)取得了良好的實施效果。

關(guān)鍵詞：儀器管理 VB 數(shù)據(jù)處理 最小二乘法 成績管理

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0024-04

測量學(xué)是測繪工程、土木工程、建筑工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，實踐教學(xué)是測量學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力和解決問題能力的有效途徑，起著理論聯(lián)系實際、鞏固理論教學(xué)、深化實驗教學(xué)的重要作用[1]。然而，目前許多高校的測量儀器實驗室仍采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄方法對儀器的借用進(jìn)行管理，該方法比較落后，無法對各種儀器設(shè)備的型號、功能、使用狀態(tài)等信息進(jìn)行及時、全面的收集與整理，不能對儀器設(shè)備進(jìn)行動態(tài)管理[2]；此外，傳統(tǒng)的手工測量數(shù)據(jù)處理速度慢，指導(dǎo)教師不能及時檢查測量數(shù)據(jù)計算結(jié)果是否正確。為了幫助儀器管理人員更加快捷、高效地對測量儀器進(jìn)行管理，提高對學(xué)生測量成果評定的效率，利用Visual Basic編程語言開發(fā)了“測量實踐教學(xué)管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以高校測量實驗室所擔(dān)負(fù)的測量實習(xí)任務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合儀器管理、數(shù)據(jù)處理、學(xué)生教學(xué)成績評定等多方面的需求，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)既可以減少儀器管理人員的工作量，降低運(yùn)行成本，又能幫助指導(dǎo)教師快速檢驗和管理學(xué)生實習(xí)成果。

1 系統(tǒng)的功能設(shè)計

Visual Basic是一種由微軟公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動為機(jī)制的可視化程序設(shè)計語言。綜合VB的上述特點(diǎn)，開發(fā)的系統(tǒng)以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計為原則，結(jié)構(gòu)化的編程思想強(qiáng)調(diào)過程的模塊化，每個模塊完成一個特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起來，成為一個整體，完成整個系統(tǒng)所要求的功能。模塊化使整個架構(gòu)更加清晰，容易理解，提高可維護(hù)性。測量實踐教學(xué)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)分為測量儀器室模塊、測量數(shù)據(jù)處理模塊和學(xué)生成績模塊。

1.1 測量儀器管理模塊

該模塊從數(shù)據(jù)庫設(shè)計與創(chuàng)建入手，共包含三項功能：儀器管理、查看指導(dǎo)手冊、調(diào)用實習(xí)表格。通過此模塊，可以有效地將測量儀器的基本信息在窗體上展示出來，供學(xué)生們進(jìn)行儀器的選擇，并進(jìn)行記錄工作，實現(xiàn)儀器借出功能；學(xué)生實習(xí)結(jié)束后歸還儀器和實驗室新購入儀器，原有的文檔增加相應(yīng)的記錄，以后再借出儀器時窗體上會自動顯示添加的內(nèi)容，實現(xiàn)歸還和添加功能[3]。同時本模塊也帶有儀器使用說明書和外業(yè)測量表格，可供學(xué)生進(jìn)行查閱，減少學(xué)生自己查找實習(xí)資料的麻煩。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

（1）水準(zhǔn)及水準(zhǔn)網(wǎng)測量平差模塊。

水準(zhǔn)測量平差模塊著眼于水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)平差處理，利用最小二乘法解算觀測數(shù)據(jù)改正數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的近似值求和法則計算新的近似值，理論嚴(yán)密且結(jié)果精度較高。

（2）角度測量計算模塊。

角度測量分為水平角測量和豎直角測量，一個完整的角度測量過程又分上半測回和下半測回觀測兩部分，角度測量計算程序綜合各種算法，先分別計算上下半測回的角度，即盤左和盤右觀測值，取盤左盤右所得角值的平均值即為一測回的角值。

（3）導(dǎo)線測量平差模塊。

導(dǎo)線按照布設(shè)形式分為附和導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線和支導(dǎo)線，不同的導(dǎo)線計算原理相同，但是所列誤差方程式和法方程式不同?？傮w說來，導(dǎo)線觀測數(shù)據(jù)可分為轉(zhuǎn)折角、導(dǎo)線邊以及導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)，因此，文本文檔也采用此種分類方式進(jìn)行記錄。導(dǎo)線測量平差系統(tǒng)自動判別觀測數(shù)據(jù)類型然后針對不同的導(dǎo)線形式列出相應(yīng)的誤差方程式進(jìn)而求出改正數(shù)、觀測量的平差值以及測站點(diǎn)的坐標(biāo)平差值。

1.3 學(xué)生成績管理模塊

學(xué)生成績評定也是必不可少的工作之一，任課教師可以使用該模塊讀入學(xué)生信息、錄入實習(xí)成績，還可以打印成績單以及再次查閱、修改學(xué)生成績。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 測量儀器管理模塊

測量實習(xí)經(jīng)常用到的儀器主要包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等類型，同種類型的儀器根據(jù)其規(guī)格、觀測精度等特征又可以分為不同的型號，因此，如何根據(jù)儀器的不同特點(diǎn)來進(jìn)行有效地分類管理是尤為重要的。在實驗室搜尋指定儀器時，可按照儀器名稱→儀器型號→儀器編號逐級過濾的方式進(jìn)行[4-5]。對于此軟件來說，單擊下拉式組合框“儀器名稱”可以查看儀器室現(xiàn)有儀器的種類，點(diǎn)擊下拉式組合框“儀器型號”能夠選擇待借的儀器型號，在窗體上相應(yīng)文本框中可以看到總數(shù)、借出數(shù)量等信息[6]。

借用記錄文件所記載的儀器使用情況包含下述信息：儀器名稱、儀器型號、姓名、學(xué)號、聯(lián)系方式、時間、借用/歸還數(shù)量。借出與歸還儀器之前要先輸入借用者的個人信息，然后單擊“借出儀器”/“歸還儀器”按鈕或者點(diǎn)擊菜單欄相應(yīng)的下拉菜單，輸入數(shù)量后再輸入要保存的文件名稱。該軟件為實現(xiàn)系統(tǒng)的建立利用文件的方式記錄以上信息并將文件集中存儲于指定的路徑。在每次啟動管理系統(tǒng)時首先讀取記錄文件，在關(guān)閉系統(tǒng)時以最新的記錄保存于記錄文件之中。隨著使用次數(shù)的逐漸增多，以該儀器名稱命名的文件中相應(yīng)的記錄也會增多，并以最新的記錄日期顯示[7]。

除了儀器借出與歸還，查閱測量實習(xí)資料也是本模塊的一個重要功能。測量實驗室管理模塊有很多與實習(xí)相關(guān)的資料，例如儀器使用說明書等，學(xué)生在實習(xí)過程中遇到問題時，可以及時進(jìn)行資料的查閱，從而解決實際問題，保證實習(xí)的順利進(jìn)行；點(diǎn)擊菜單欄“測量實習(xí)表格”還可以查看測量常用的一些記錄表格，通過該模塊直接調(diào)用測量記錄用表，見圖2。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

各測量平差模塊與儀器室管理模塊有所不同，其大致分為3個部分，分別是觀測數(shù)據(jù)的采集輸入部分、數(shù)據(jù)處理部分和結(jié)果輸出部分，其中每一部分都根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計。對于傳統(tǒng)的平差方法來說，列立誤差方程和條件方程是解題的關(guān)鍵，編制軟件也不例外。首先根據(jù)誤差方程：

導(dǎo)線測量平差權(quán)陣的列立會在下文中進(jìn)行詳細(xì)論述，接下來對每一模塊的具體情況進(jìn)行闡述。

2.3 水準(zhǔn)測量平差模塊

在水準(zhǔn)平差實際計算中，存在兩種條件形式：（1）附和水準(zhǔn)條件；（2）閉合水準(zhǔn)條件。根據(jù)最小二乘法，編寫了條件平差和間接平差兩種數(shù)據(jù)處理方法。由上文提到的測量平差模塊的三個步驟可知，數(shù)據(jù)處理的第一步是讀入觀測數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊菜單欄“條件平差法”或者“間接平差法”選擇下拉菜單“讀入觀測數(shù)據(jù)”，在彈出的窗口中選擇要處理的數(shù)據(jù)文件。這時系統(tǒng)可以自動判別數(shù)據(jù)類型即附和水準(zhǔn)或者閉合水準(zhǔn)，并將已知點(diǎn)信息、觀測量分別顯示在窗體上相應(yīng)的文本框中。然后根據(jù)平差方法列立法方程，分別點(diǎn)擊兩個菜單欄下的“組建法方程”能夠組建法方程式，再單擊“平差計算”，窗體上相應(yīng)的文本框內(nèi)可以顯示改正數(shù)和平差值。觀察圖3相應(yīng)文本框內(nèi)不同平差方法解算的結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，對同一平差問題，利用不同的平差方法進(jìn)行處理，其結(jié)果是完全一樣的。該系統(tǒng)還設(shè)有成果導(dǎo)出功能，可以將平差計算后的結(jié)果導(dǎo)出到記事本直接用于工程施工。

2.4 水準(zhǔn)網(wǎng)測量平差模塊

水準(zhǔn)網(wǎng)是由若干條單一水準(zhǔn)路線相互連接構(gòu)成節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)狀形式，因此水準(zhǔn)網(wǎng)測量平差與水準(zhǔn)測量平差類似，只是誤差方程系數(shù)陣和權(quán)陣的階數(shù)更多。平差計算前同樣是先讀入觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動判別已知數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)并將其分別顯示在窗體上。單擊菜單欄“水準(zhǔn)網(wǎng)平差”下“組建法方程”為平差計算做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。然后單擊“平差計算”，系統(tǒng)計算觀測高差的改正數(shù)并根據(jù)相應(yīng)的近似值求和原則計算高差和所選參數(shù)的新的近似值[11]，水準(zhǔn)網(wǎng)平差算例如表1～表4所示。

2.5 角度測量計算模塊

角度測量計算模塊針對不同的角度測量類型編制了對應(yīng)的計算程序，分別是豎直角計算、水平角計算和三角高程測量計算。這里的計算方法比較簡單，是根據(jù)常規(guī)的角度計算公式編寫而成。先計算半測回的角值，再利用

（6）

計算一測回的角度數(shù)值。在窗體上對應(yīng)的文本框中輸入觀測所得的數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊菜單欄下相應(yīng)的“計算結(jié)果”按鈕，各類計算數(shù)值就可以很快輸出在窗體上，彌補(bǔ)傳統(tǒng)手工算法的不足，避免小數(shù)點(diǎn)后取位等因素造成的精度較低問題，見表5。

2.6 導(dǎo)線測量平差模塊

導(dǎo)線測量就是依次測定導(dǎo)線邊的長度和各轉(zhuǎn)折角，根據(jù)已知坐標(biāo)方位角和已知坐標(biāo)算出各導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)。利用全站儀雖然可以直接測得導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)，但由于多種因素影響，觀測數(shù)據(jù)必然會含有誤差，不能滿足施工作業(yè)的要求，因此，通常將測量數(shù)據(jù)做平差處理后再投入生產(chǎn)使用。

導(dǎo)線測量平差是整個系統(tǒng)中最為復(fù)雜的一部分，觀測數(shù)據(jù)包含的角度和導(dǎo)線長度都需要分別列立誤差方程來進(jìn)行分析，同時導(dǎo)線平差代碼也必須根據(jù)觀測數(shù)據(jù)類型分類編寫。

誤差方程系數(shù)陣各行列值可以根據(jù)觀測類型分為角度和導(dǎo)線長度兩類，角度按照測站點(diǎn)坐標(biāo)是否已知又可分為控制點(diǎn)、與控制點(diǎn)臨近點(diǎn)和其他中間點(diǎn)三類，控制點(diǎn)角度對應(yīng)的行列值為：

組建誤差方程的語句編寫成功后，其他工作就可以仿照前幾種平差類型編制了。待所有環(huán)節(jié)結(jié)束后，同樣是先導(dǎo)入待處理文件，然后解算觀測量平差值和所選參數(shù)點(diǎn)的坐標(biāo)，運(yùn)行情況如圖4所示。

2.7 學(xué)生成績管理模塊

學(xué)生成績評定是實習(xí)工作的最后一個環(huán)節(jié)，也可以說是學(xué)生們最為關(guān)心的部分。單擊菜單欄“學(xué)生成績管理”選項下的下拉菜單“學(xué)生信息查詢”，選擇要讀入信息的班級。在“學(xué)生信息”文本框內(nèi)會看到學(xué)生的基本信息，老師可以在成績一列輸入各個學(xué)生的成績。成績輸入之后打印成績單，保存本班學(xué)生成績。

錄入成績后，老師還可以再次打開成績單以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況或者檢查是否輸錯。單擊菜單欄的“學(xué)生成績管理”選項，點(diǎn)擊 “查詢學(xué)生成績”，在彈出的輸入對話框中選擇要查看信息的班級。

3 結(jié)語

該文結(jié)合高等院校學(xué)生實習(xí)與實驗室管理的需要，闡述了“測量實踐教學(xué)管理系統(tǒng)”的設(shè)計與實現(xiàn)過程，該系統(tǒng)大大提高儀器的管理效率，有效地幫助儀器室的管理人員掌握測量實驗室中儀器的情況，同時可以對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出未知量的最佳估值并評定結(jié)果精度。系統(tǒng)在一定程度上已經(jīng)實現(xiàn)了測量實驗室管理的科學(xué)化與智能化，大大提高了檢驗測量數(shù)據(jù)精度的效率，但是仍存在不足之處。今后可以開發(fā)網(wǎng)絡(luò)版本，實現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)借儀器功能，也可以制作精簡版供學(xué)生下載，方便學(xué)生自主檢查數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜子濤，楊小明，顏樹強(qiáng)，等.測量學(xué)實踐教學(xué)的改革與實踐[J].測繪與空間地理信息，2013，36（8）：17-18.

[2] 邵改革.測繪儀器信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015，38（5）：112-114.

[3] 勾朝君.測量實驗室儀器管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014（24）：274.

[4] 任曉英.淺談設(shè)計單位測量儀器室的日常管理與維護(hù)[J].科技風(fēng)，2012（8）：277.

[5] 田晉.測繪儀器管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪地理信息，2014，39（6）：66-68.

[6] 劉亞靜，王健.基于C/S和B/S模式的測量儀器網(wǎng)絡(luò)化管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2013（10）：109-111.

[7] 羊海棠，彭采宇，王園朝，等.實驗教學(xué)示范中心儀器管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理.2015，32（7）：148-151.