测量实践教学管理系统设计与实现

　　中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（c）-0024-04

　　测量学是测绘工程、土木工程、建筑工程等专业的一门专业基础课程，实践教学是测量学教学的重要环节，也是培养学生实际操作能力和解决问题能力的有效途径，起着理论联系实际、巩固理论教学、深化实验教学的重要作用[1]。然而，目前许多高校的测量仪器实验室仍采用传统的纸质记录方法对仪器的借用进行管理，该方法比较落后，无法对各种仪器设备的型号、功能、使用状态等信息进行及时、全面的收集与整理，不能对仪器设备进行动态管理[2]；此外，传统的手工测量数据处理速度慢，指导教师不能及时检查测量数据计算结果是否正确。为了帮助仪器管理人员更加快捷、高效地对测量仪器进行管理，提高对学生测量成果评定的效率，利用Visual Basic编程语言开发了“测量实践教学管理系统”。该系统以高校测量实验室所担负的测量实习任务为出发点，结合仪器管理、数据处理、学生教学成绩评定等多方面的需求，对系统进行设计与实现。该系统既可以减少仪器管理人员的工作量，降低运行成本，又能帮助指导教师快速检验和管理学生实习成果。

　　1 系统的功能设计

　　Visual Basic是一种由微软公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。综合VB的上述特点，开发的系统以面向对象程序设计为原则，结构化的编程思想强调过程的模块化，每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能。模块化使整个架构更加清晰，容易理解，提高可维护性。测量实践教学管理系统的结构如图1所示，整个系统分为测量仪器室模块、测量数据处理模块和学生成绩模块。

　　1.1 测量仪器管理模块

　　该模块从数据库设计与创建入手，共包含三项功能：仪器管理、查看指导手册、调用实习表格。通过此模块，可以有效地将测量仪器的基本信息在窗体上展示出来，供学生们进行仪器的选择，并进行记录工作，实现仪器借出功能；学生实习结束后归还仪器和实验室新购入仪器，原有的文档增加相应的记录，以后再借出仪器时窗体上会自动显示添加的内容，实现归还和添加功能[3]。同时本模块也带有仪器使用说明书和外业测量表格，可供学生进行查阅，减少学生自己查找实习资料的麻烦。

　　1.2 数据处理模块

　　（1）水准及水准网测量平差模块。

　　水准测量平差模块着眼于水准测量数据平差处理，利用最小二乘法解算观测数据改正数，根据相应的近似值求和法则计算新的近似值，理论严密且结果精度较高。

　　（2）角度测量计算模块。

　　角度测量分为水平角测量和竖直角测量，一个完整的角度测量过程又分上半测回和下半测回观测两部分，角度测量计算程序综合各种算法，先分别计算上下半测回的角度，即盘左和盘右观测值，取盘左盘右所得角值的平均值即为一测回的角值。

　　（3）导线测量平差模块。

　　导线按照布设形式分为附和导线、闭合导线和支导线，不同的导线计算原理相同，但是所列?`差方程式和法方程式不同。总体说来，导线观测数据可分为转折角、导线边以及导线点的坐标，因此，文本文档也采用此种分类方式进行记录。导线测量平差系统自动判别观测数据类型然后针对不同的导线形式列出相应的误差方程式进而求出改正数、观测量的平差值以及测站点的坐标平差值。

　　1.3 学生成绩管理模块

　　学生成绩评定也是必不可少的工作之一，任课教师可以使用该模块读入学生信息、录入实习成绩，还可以打印成绩单以及再次查阅、修改学生成绩。

　　2 系统的实现

　　2.1 测量仪器管理模块

　　测量实习经常用到的仪器主要包括水准仪、经纬仪、全站仪等类型，同种类型的仪器根据其规格、观测精度等特征又可以分为不同的型号，因此，如何根据仪器的不同特点来进行有效地分类管理是尤为重要的。在实验室搜寻指定仪器时，可按照仪器名称→仪器型号→仪器编号逐级过滤的方式进行[4-5]。对于此软件来说，单击下拉式组合框“仪器名称”可以查看仪器室现有仪器的种类，点击下拉式组合框“仪器型号”能够选择待借的仪器型号，在窗体上相应文本框中可以看到总数、借出数量等信息[6]。

　　借用记录文件所记载的仪器使用情况包含下述信息：仪器名称、仪器型号、姓名、学号、联系方式、时间、借用/归还数量。借出与归还仪器之前要先输入借用者的个人信息，然后单击“借出仪器”/“归还仪器”按钮或者点击菜单栏相应的下拉菜单，输入数量后再输入要保存的文件名称。该软件为实现系统的建立利用文件的方式记录以上信息并将文件集中存储于指定的路径。在每次启动管理系统时首先读取记录文件，在关闭系统时以最新的记录保存于记录文件之中。随着使用次数的逐渐增多，以该仪器名称命名的文件中相应的记录也会增多，并以最新的记录日期显示[7]。

　　除了仪器借出与归还，查阅测量实习资料也是本模块的一个重要功能。测量实验室管理模块有很多与实习相关的资料，例如仪器使用说明书等，学生在实习过程中遇到问题时，可以及时进行资料的查阅，从而解决实际问题，保证实习的顺利进行；点击菜单栏“测量实习表格”还可以查看测量常用的一些记录表格，通过该模块直接调用测量记录用表，见图2。 　　2.2 数据处理模块

　　各测量平差模块与仪器室管理模块有所不同，其大致分为3个部分，分别是观测数据的采集输入部分、数据处理部分和结果输出部分，其中每一部分都根据实际需要进行设计。对于传统的平差方法来说，列立误差方程和条件方程是解题的关键，编制软件也不例外。首先根据误差方程：

　　导线测量平差权阵的列立会在下文中进行详细论述，接下来对每一模块的具体情况进行阐述。

　　2.3 水准测量平差模块

　　在水准平差实际计算中，存在两种条件形式：（1）附和水准条件；（2）闭合水准条件。根据最小二乘法，编写了条件平差和间接平差两种数据处理方法。由上文提到的测量平差模块的三个步骤可知，数据处理的第一步是读入观测数据。点击菜单栏“条件平差法”或者“间接平差法”选择下拉菜单“读入观测数据”，在弹出的窗口中选择要处理的数据文件。这时系统可以自动判别数据类型即附和水准或者闭合水准，并将已知点信息、观测量分别显示在窗体上相应的文本框中。然后根据平差方法列立法方程，分别点击两个菜单栏下的“组建法方程”能够组建法方程式，再单击“平差计算”，窗体上相应的文本框内可以显示改正数和平差值。观察图3相应文本框内不同平差方法解算的结果，不难发现，对同一平差问题，利用不同的平差方法进行处理，其结果是完全一样的。该系统还设有成果导出功能，可以将平差计算后的结果导出到记事本直接用于工程施工。

　　2.4 水准网测量平差模块

　　水准网是由若干条单一水准路线相互连接构成节点或网状形式，因此水准网测量平差与水准测量平差类似，只是误差方程系数阵和权阵的阶数更多。平差计算前同样是先读入观测数据，系统会自动判别已知数据和观测数据并将其分别显示在窗体上。单击菜单栏“水准网平差”下“组建法方程”为平差计算做好数据准备。然后单击“平差计算”，系统计算观测高差的改正数并根据相应的近似值求和原则计算高差和所选参数的新的近似值[11]，水准网平差算例如表1～表4所示。

　　2.5 角度测量计算模块

　　角度测量计算模块针对不同的角度测量类型编制了对应的计算程序，分别是竖直角计算、水平角计算和三角高程测量计算。这里的计算方法比较简单，是根据常规的角度计算公式编写而成。先计算半测回的角值，再利用

　　（6）

　　计算一测回的角度数值。在窗体上对应的文本框中输入观测所得的数据后，点击菜单栏下相应的“计算结果”按钮，各类计算数值就可以很快输出在窗体上，弥补传统手工算法的不足，避免小数点后取位等因素造成的精度较低问题，见表5。

　　2.6 导线测量平差模块

　　导线测量就是依次测定导线边的长度和各转折角，根据已知坐标方位角和已知坐标算出各导线点的坐标。利用全站仪虽然可以直接测得导线点的坐标，但由于多种因素影响，观测数据必然会含有误差，不能满足施工作业的要求，因此，通常将测量数据做平差处理后再投入生产使用。

　　导线测量平差是整个系统中最为复杂的一部分，观测数据包含的角度和导线长度都需要分别列立误差方程来进行分析，同时导线平差代码也必须根据观测数据类型分类编写。

　　误差方程系数阵各行列值可以根据观测类型分为角度和导线长度两类，角度按照测站点坐标是否已知又可分为控制点、与控制点临近点和其他中间点三类，控制点角度对应的行列值为：

　　组建误差方程的语句编写成功后，其他工作就可以仿照前几种平差类型编制了。待所有环节结束后，同样是先导入待处理文件，然后解算观测量平差值和所选参数点的坐标，运行情况如图4所示。

　　2.7 学生成绩管理模块

　　学生成绩评定是实习工作的最后一个环节，也可以说是学生们最为关心的部分。单击菜单栏“学生成绩管理”选项下的下拉菜单“学生信息查询”，选择要读入信息的班级。在“学生信息”文本框内会看到学生的基本信息，老师可以在成绩一列输入各个学生的成绩。成绩输入之后打印成绩单，保存本班学生成绩。

　　录入成绩后，老师还可以再次打开成绩单以了解学生的学习情况或者检查是否输错。单击菜单栏的“学生成绩管理”选项，点击 “查询学生成绩”，在弹出的输入对话框中选择要查看信息的班级。

　　3 结语

　　该文结合高等院校学生实习与实验室管理的需要，阐述了“测量实践教学管理系统”的设计与实现过程，该系统大大提高仪器的管理效率，有效地帮助仪器室的管理人员掌握测量实验室中仪器的情况，同时可以对观测数据进行数据处理，求出未知量的最佳估值并评定结果精度。系统在一定程度上已经实现了测量实验室管理的科学化与智能化，大大提高了检验测量数据精度的效率，但是仍存在不足之处。今后可以开发网络版本，实现网上预借仪器功能，也可以制作精简版供学生下载，方便学生自主检查数据处理结果。

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