測量實(shí)踐教學(xué)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備管理的科學(xué)化和信息化成為實(shí)驗(yàn)室管理中最需解決的問題之一。針對(duì)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(shí)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(shí)習(xí)成績管理功能，為測量實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)管理、測量成果檢驗(yàn)以及成績管理提供更好的平臺(tái)。系統(tǒng)應(yīng)用于河北工業(yè)大學(xué)的測量實(shí)驗(yàn)室管理，已經(jīng)取得了良好的實(shí)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(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)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(shí)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(shí)際、鞏固理論教學(xué)、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用[1]。然而，目前許多高校的測量儀器實(shí)驗(yàn)室仍采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄方法對(duì)儀器的借用進(jìn)行管理，該方法比較落后，無法對(duì)各種儀器設(shè)備的型號(hào)、功能、使用狀態(tài)等信息進(jìn)行及時(shí)、全面的收集與整理，不能對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行動(dòng)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(shí)檢查測量數(shù)據(jù)計(jì)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(duì)測量儀器進(jìn)行管理，提高對(duì)學(xué)生測量成果評(píng)定的效率，利用Visual Basic編程語言開發(fā)了“測量實(shí)踐教學(xué)管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以高校測量實(shí)驗(yàn)室所擔(dān)負(fù)的測量實(shí)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(píng)定等多方面的需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)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(yàn)和管理學(xué)生實(shí)習(xí)成果。

1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

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(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)模塊完成一個(gè)特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起來，成為一個(gè)整體，完成整個(gè)系統(tǒng)所要求的功能。模塊化使整個(gè)架構(gòu)更加清晰，容易理解，提高可維護(hù)性。測量實(shí)踐教學(xué)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)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(jì)與創(chuàng)建入手，共包含三項(xiàng)功能：儀器管理、查看指導(dǎo)手冊、調(diào)用實(shí)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(shí)現(xiàn)儀器借出功能；學(xué)生實(shí)習(xí)結(jié)束后歸還儀器和實(shí)驗(yàn)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(shí)窗體上會(huì)自動(dòng)顯示添加的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)歸還和添加功能[3]。同時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算模塊。

角度測量分為水平角測量和豎直角測量，一個(gè)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(jì)算程序綜合各種算法，先分別計(jì)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(jì)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(dòng)判別觀測數(shù)據(jù)類型然后針對(duì)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(píng)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(shí)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(shí)現(xiàn)

2.1 測量儀器管理模塊

測量實(shí)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(hào)，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(shí)驗(yàn)室搜尋指定儀器時(shí)，可按照儀器名稱→儀器型號(hào)→儀器編號(hào)逐級(jí)過濾的方式進(jìn)行[4-5]。對(duì)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(hào)”能夠選擇待借的儀器型號(hào)，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(hào)、姓名、學(xué)號(hào)、聯(lián)系方式、時(shí)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(gè)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(shí)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(chǔ)于指定的路徑。在每次啟動(dòng)管理系統(tǒng)時(shí)首先讀取記錄文件，在關(guān)閉系統(tǒng)時(shí)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(huì)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(shí)習(xí)資料也是本模塊的一個(gè)重要功能。測量實(shí)驗(yàn)室管理模塊有很多與實(shí)習(xí)相關(guān)的資料，例如儀器使用說明書等，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中遇到問題時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行資料的查閱，從而解決實(shí)際問題，保證實(shí)習(xí)的順利進(jìn)行；點(diǎn)擊菜單欄“測量實(shí)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(gè)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(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)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(huì)在下文中進(jìn)行詳細(xì)論述，接下來對(duì)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(shí)際計(jì)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(gè)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(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)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(gè)菜單欄下的“組建法方程”能夠組建法方程式，再單擊“平差計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)算前同樣是先讀入觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(jì)算做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。然后單擊“平差計(jì)算”，系統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jì)算模塊

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

（6）

計(jì)算一測回的角度數(shù)值。在窗體上對(duì)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(jì)算結(jié)果”按鈕，各類計(jì)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(huì)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(gè)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(shí)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(duì)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(píng)定是實(shí)習(xí)工作的最后一個(gè)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(xiàng)下的下拉菜單“學(xué)生信息查詢”，選擇要讀入信息的班級(jí)。在“學(xué)生信息”文本框內(nèi)會(huì)看到學(xué)生的基本信息，老師可以在成績一列輸入各個(gè)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(cuò)。單擊菜單欄的“學(xué)生成績管理”選項(xiàng)，點(diǎn)擊 “查詢學(xué)生成績”，在彈出的輸入對(duì)話框中選擇要查看信息的班級(jí)。

3 結(jié)語

該文結(jié)合高等院校學(xué)生實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)室管理的需要，闡述了“測量實(shí)踐教學(xué)管理系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)驗(yàn)室中儀器的情況，同時(shí)可以對(duì)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(píng)定結(jié)果精度。系統(tǒng)在一定程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了測量實(shí)驗(yàn)室管理的科學(xué)化與智能化，大大提高了檢驗(yàn)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(shí)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。

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