PDA在水文水準測量中的應(yīng)用

聞衛(wèi)東　繆浩川　張靖

摘要：為充分利用PDA的便捷性和智能化，基于PDA應(yīng)用的4項設(shè)計原則，開發(fā)了集水文水準測量管理、記錄、計算、報表打印于一體的水文水準測量應(yīng)用軟件。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好、操作方便，可實時、智能地記錄數(shù)據(jù)，高效處理數(shù)據(jù)，提高了水文測站水準測量的效率。該系統(tǒng)可在水文站三等水準測量和水尺零高測量中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PDA;水文水準測量;水尺零高測量

中圖法分類號：P224.1

文獻標志碼：A

DOI：10. 15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.005

水文水準測量為水位觀測提供基準，是水文測站的基礎(chǔ)工作之一，主要包括水文三等水準測量和水尺零高測量。

在傳統(tǒng)水文水準測量工作中，通常采用人工觀讀數(shù)據(jù)、手工記錄的方式，現(xiàn)場測記測量數(shù)據(jù)，計算各項限差和結(jié)果，整個過程稍有差錯可能會導致返工。外業(yè)測量結(jié)束后，還需要內(nèi)業(yè)計算整理及校核，工作量較大。傳統(tǒng)水準儀觀測加掌上電腦（PDA）現(xiàn)場記錄成為目前水文站水準測量較為理想的方式[1]。

PDA在水文水準測量中，仍采用人工觀讀數(shù)據(jù)，PDA記錄數(shù)據(jù)。將讀數(shù)輸入PDA中的程序界面，即可實時得到各類限差以判斷其是否超限，并計算成果，輸出所需要的報表。該方式能極大地提高測量效率。

1 PDA應(yīng)用設(shè)計的原則

1.1 規(guī)范性

該系統(tǒng)除應(yīng)符合GB/T 12898-2009《國家三、四等水準測量規(guī)范》[2]要求外，還必須滿足SL 58-2014《水文測量規(guī)范》[3]等水文行業(yè)規(guī)范要求。例如水尺零高測量中的間視、直讀等測量方式，在水文行業(yè)普遍采用，因此在系統(tǒng)中也加入了該類功能。數(shù)據(jù)取位、限差計算、報表格式也應(yīng)符合水文行業(yè)的要求。

1.2 可靠性

水準測量費時費力，驗潮站水尺零高測量時效性較高，所以對PDA應(yīng)用的可靠性要求較高。系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)預見到各類意外情況的發(fā)生，數(shù)據(jù)應(yīng)能實時存入磁盤。PDA發(fā)生死機、斷電、誤操作等情況，均能在重新開機打開該項目后，自動從上次保存位置處重新開始記錄[4]。

1.3 唯一性

水準記錄系原始觀測資料，原始觀測記錄應(yīng)現(xiàn)場記載，不得有劃改、擦改、涂改現(xiàn)象。采用電子記錄后，極易發(fā)生數(shù)據(jù)修改現(xiàn)象。因此系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)對數(shù)據(jù)作加密處理，測量完成后，應(yīng)無法對其進行修改，以保證測量數(shù)據(jù)的唯一性。

1.4 便捷性

系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：①在數(shù)據(jù)輸入過程中，動態(tài)監(jiān)測輸人數(shù)據(jù)，屏蔽無效按鍵，實時檢查各項限差，提示超限的讀數(shù);②自動切換輸入焦點等待用戶輸入，且待輸入處應(yīng)高亮顯示，也可手工切換輸入框，操作方式實現(xiàn)靈活多變，盡最大可能減少用戶的按鍵次數(shù);③實時顯示測量的輔助信息，如高差、視距，以指導架站、置尺等測量動作。

2 PDA應(yīng)用的開發(fā)與組成

系統(tǒng)采用Visual Basic 6.0為編程語言，其編程簡單、方便、功能強大，具有良好的接口環(huán)境，并為應(yīng)用程序界面設(shè)計提供強大的功能支持，對控制數(shù)據(jù)輸入采用的文本框控件特別有效，為該系統(tǒng)輸入的便捷性提供了有力支撐。存儲數(shù)據(jù)采用ASCII編碼的文本文件格式，便于PDA與桌面電腦的數(shù)據(jù)交換;報表打印采用Excel模板定制功能[5]，用戶可預先修改軟件內(nèi)置的測量記錄表和成果表打印模板，以得到需要的報表形式。

可在安裝了Windows操作系統(tǒng)的PDA及桌面電腦上運行系統(tǒng)。PDA主要用于外業(yè)測記，桌面電腦主要用于報表打印。 水文水準測量PDA應(yīng)用系統(tǒng)由3個模塊組成，即項目管理、外業(yè)測記、報表打印，見圖1[6]。

3 主要功能的實現(xiàn)

3.1 界面設(shè)計

系統(tǒng)界面設(shè)計分為面板設(shè)計、菜單設(shè)計、標簽設(shè)計、按鈕設(shè)計和文本框設(shè)計[7]。面板設(shè)計包括系統(tǒng)主界面、項目信息界面和外業(yè)測記界面及屏幕保護界面。菜單設(shè)計為主界面所用的菜單，僅起到輔助作用，實際操作中使用不多。標簽設(shè)計主要為項目信息顯示所用。按鈕設(shè)計和文本框設(shè)計主要為外業(yè)測記界面所用，是系統(tǒng)開發(fā)的難點所在。用戶最常用的數(shù)字按鍵設(shè)計為一個方形虛擬鍵盤，鍵盤內(nèi)置數(shù)字及常用字符按鍵，配合文本框可協(xié)同輸入，自動判斷讀數(shù)長度及焦點跳轉(zhuǎn)，以提高輸入效率。

為增加用戶作業(yè)的便捷性，PDA操作全程采用觸摸方式，從項目的建立、數(shù)據(jù)的輸入、功能的選擇等操作均可觸摸完成;在桌面系統(tǒng)中使用鼠標加鍵盤操作，符合一般用戶的習慣。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

PDA要實現(xiàn)從數(shù)據(jù)記錄、高程計算到內(nèi)業(yè)成果整理全電子化，從而最大限度地提高外業(yè)測量效率，測量觀測數(shù)據(jù)的錄入、保存、計算等流程的順暢度是整個軟件開發(fā)的關(guān)鍵。考慮到數(shù)據(jù)在PDA中運算的速度問題，以及便于項目管理和數(shù)據(jù)交換，故將項目數(shù)據(jù)設(shè)計為文本文件，既無需安裝額外的數(shù)據(jù)庫，也可大大提高效率。

項目文件分為3個部分，每部分均由控制字符分隔，由程序自動判別。①項目信息。主要包括測量方式、站名、河段、儀器編號、AB尺號、AB尺常數(shù)、天氣、風力、風向、呈像、觀測人員、記錄人員、測量起始時間等。②i角檢驗數(shù)據(jù)。③測量數(shù)據(jù)。包括檢測數(shù)據(jù)、往測數(shù)據(jù)、返測數(shù)據(jù)。

測量數(shù)據(jù)的檢測、往測、返測均采用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以行列方式排列。每一行為一站數(shù)據(jù)，每行的不同列代表各字段信息，包括測站序號、后視點名、前視點名、后視的上中下絲、后視紅面、前視的上中下絲、前視紅面;計算數(shù)據(jù)包括前視距離、后視距離、視距差、累計視距差、本站高差、本站累計高差等[8]。

水尺零高測量與水文三等水準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于水尺零高測量時直接讀取前后視距，無上下絲讀數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中也體現(xiàn)了該特征。當存在間視時，本站的間視數(shù)據(jù)在下一行，采用相同的測站序號，即相同測站序號的數(shù)據(jù)首行為前后視數(shù)據(jù)，以下其他行為間視數(shù)據(jù)，一個間視點占據(jù)一行，因此一個測站的間視點數(shù)量與間視數(shù)據(jù)行數(shù)一致。

3.3 測量數(shù)據(jù)加密

為保證測量數(shù)據(jù)的唯一性，在外業(yè)完成后，不能修改現(xiàn)場測記的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)加密功能。數(shù)據(jù)加密僅對測量讀數(shù)加密，不包括測站信息和點名信息。

為防止數(shù)據(jù)違規(guī)改動，在外業(yè)測記界面中，回退按鈕只能回退一站，對最后一站的測量數(shù)據(jù)進行修改。前幾站的數(shù)據(jù)僅供瀏覽，不能予以修改。即使在電腦中修改數(shù)據(jù)文件，因測量數(shù)據(jù)加密時采用前后數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的方式，故強行解密修改會造成數(shù)據(jù)丟失，用戶破解數(shù)據(jù)十分困難。

3.4 項目管理

項目管理包括新建項目信息的錄入以及對已有項目信息的讀取及修改。項目信息的錄入包括水文測站信息（名稱、河段等）、儀器設(shè)備信息（水準儀、水準尺等）、測段信息（線路性質(zhì)、起算點等）、氣象信息（天氣、風力等）及測量人員信息。

打開項目管理后，在項目信息界面選擇測量方式，與本站有關(guān)的信息位于頁面右側(cè)，用戶可根據(jù)需要更改測量信息，但不可改變測量方式。一個項目建立后，系統(tǒng)將默認項目包含往測、返測、檢測及i角檢驗。

項目信息和測站信息均可在系統(tǒng)安裝目錄下的信息文件中預置，不同單位用戶可自行編輯該信息文件，自定義項目信息。

3.5 數(shù)據(jù)錄入和焦點切換

在水準記錄過程中，為了提升用戶使用體驗，軟件需要對錄入的數(shù)據(jù)進行分析，并輔助用戶進行輸入焦點切換和超限提醒。以水文三等水準的后視黑面讀數(shù)為例，首先為該文本框添加一個焦點切換監(jiān)聽器，并在其內(nèi)判斷讀數(shù)是否超限。限定文本框只能輸入整數(shù)，且長度為4個字符，當輸入4個字符后，判斷讀數(shù)是否合理（是否在尺長范圍內(nèi)，與上下絲關(guān)系等），若超限，則在信息框中給出紅色字體的提示;若未超限，則將焦點切換到下一個目標。當信息框中出現(xiàn)紅色字體提示時，說明存在超限數(shù)據(jù)，焦點停留在最后輸入數(shù)據(jù)的文本框中，且只能待誤差或錯誤消除后才能進行下一步測量。

焦點的跳轉(zhuǎn)順序與測量的順序相關(guān)，以水文三等水準為例，測量順序為后視上絲、后視下絲、后視中絲，前視上絲、前視下絲、前視中絲、前視紅面、后視紅面[5，9]。

3.6 特殊功能開發(fā)

根據(jù)水文行業(yè)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水尺零高測量可采用“間視”測量方式，即在某一測站觀測前后視標尺的過程中，還可采取“間視”的方式測量其他水尺。當水尺處立尺困難時，可采取“直讀”方法，利用水尺樁上的水尺板讀數(shù)（該讀數(shù)無紅黑面，讀兩次代替紅黑面）。這些方法均是水文測站多年經(jīng)驗的總結(jié)。系統(tǒng)開發(fā)時還應(yīng)充分考慮一些特殊情況，如在水尺零高測量中，間視點數(shù)量可不限;讀尺方式可為水準尺或直讀水尺板;置尺位置可直接輸入，無論單尺或雙尺均可完成測量[2-3]。

根據(jù)SL 58-2014《水文測量規(guī)范》b1規(guī)定，新測的水準點和水尺零點高程與原測高程相差不超過該次測量的允許值，或不大于10 mm時，仍采用原測高程。系統(tǒng)在項目建立時，測站一旦確定，即可從信息文件中獲取本站各支水尺及各水準點的原測高程，在計算往返測平差后制作成果表時，將本次測量高程與原測高程進行比對，以確定采用高程。

4 系統(tǒng)的測試與應(yīng)用

水文水準測量PDA應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)后，在長江口區(qū)域的潮位站水文測量中進行了多輪現(xiàn)場測試。測試所用的設(shè)備為清華紫光PDA（型號為M289-Plus 16G，屏幕尺寸8.1寸，操作系統(tǒng)為Win-dows 10），測試包括水文三等水準測量和水尺零點高程測量[10]。

為提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還進行了各類模擬測試。①在系統(tǒng)中同時打開多個軟件，測試其受干擾能力;②有意造成死機、斷電、誤操作等情況，測試其可靠性;③在使用充電寶情況下系統(tǒng)操作的便捷性及其工作時長;④在不同外界環(huán)境下，如強太陽光下、陰天、大風等，測試是否對野外記錄等功能產(chǎn)生影響。

經(jīng)多次測試和修正后，形成了系統(tǒng)的最終版本，在長江口地區(qū)的楊林等潮位站2019年汛前測量中進行了應(yīng)用，包含3個測站共計6 km的三等水準測量，3組共計14支水尺的水尺零高測量。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，報表規(guī)范，效率較傳統(tǒng)記錄方式提高了約30%;界面簡潔，人性化程度較高，新用戶在接受簡單培訓后即可正確使用[11]。

5 結(jié)語

在外業(yè)階段，水文水準測量PDA應(yīng)用系統(tǒng)可利用PDA記錄觀測數(shù)據(jù)，同時快速檢核數(shù)據(jù)質(zhì)量以及閉合差，并制作符合水文規(guī)范要求的成果表;在內(nèi)業(yè)階段，可用于資料的計算審核及成果打印。通過實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)簡化了水準測量內(nèi)、外業(yè)工作流程，降低了作業(yè)強度，且符合水文規(guī)范要求，可替代人工記錄，實用價值較高。

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（編輯：李曉漾）