淺談Excel在礦山測量數(shù)據(jù)處理和分析中的應(yīng)用

吳 燕

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

Excel是微軟辦公軟件中的重要組成部分，可以進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理、分析和輔助決策等，并能夠按照需求進(jìn)行各種數(shù)據(jù)圖形的輸出。Excel通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)表格處理功能、豐富的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)、強(qiáng)大的繪圖和圖形處理功能、多種數(shù)學(xué)分析模型以及外部數(shù)據(jù)功能，實(shí)現(xiàn)了源數(shù)據(jù)多種形式的展現(xiàn)和結(jié)果分析，在諸多行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而Excel提供的VB編程模塊，更是提高了Excel應(yīng)用靈活性[1]。礦山測量工作的主要任務(wù)是利用測量儀器設(shè)備獲取應(yīng)用所需的觀測數(shù)據(jù)，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以此獲取相應(yīng)的目標(biāo)信息[2]。利用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)表格處理功能和函數(shù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的快速處理，既能保證觀測成果的準(zhǔn)確度，又方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和應(yīng)用。

1 礦山測量中的數(shù)據(jù)處理和分析

礦山測量是礦山建設(shè)的基礎(chǔ)工作，同時(shí)也是礦山建設(shè)和生產(chǎn)時(shí)期的重要一環(huán)，工作范圍涉及地面和井下，主要包括礦區(qū)地面控制網(wǎng)、礦區(qū)地形圖測繪、礦山施工測量、地表巖移觀測和礦圖繪制等工作[2]。礦山測量數(shù)據(jù)或觀測數(shù)據(jù)是指利用一定的儀器設(shè)備或其他手段反映礦山地理信息或者其他實(shí)體空間分布有關(guān)信息的數(shù)據(jù)。礦山測量數(shù)據(jù)處理和分析，是基于獲取的相關(guān)空間數(shù)據(jù)信息，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、平差、坐標(biāo)正算、坐標(biāo)反算、高程計(jì)算等進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，并借助數(shù)據(jù)分析和成圖軟件，進(jìn)行地理信息輸入，以便獲取礦山建設(shè)所需專題數(shù)據(jù)和圖紙[2]。

最為基礎(chǔ)的礦山測量數(shù)據(jù)為角度、距離和高差，所以最本質(zhì)的礦山測量數(shù)據(jù)處理就是利用獲取的角度、距離和高差等求取未知點(diǎn)的空間信息數(shù)據(jù)，或者利用已知的空間信息數(shù)據(jù)獲取角度、距離和高差等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而任何數(shù)據(jù)都存在一定的誤差，影響結(jié)果精度，就必須對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理[3]。與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)獲取過程中選擇的參考基準(zhǔn)不同，致使結(jié)果信息存在于不同的坐標(biāo)系下，為了統(tǒng)一進(jìn)行空間信息數(shù)據(jù)的管理和分析，必須進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，主要包括大地坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，任意兩空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換等。

2 Excel應(yīng)用于礦山測量數(shù)據(jù)處理的基本原理

Excel中提供了豐富的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析統(tǒng)計(jì)公式，并且可以進(jìn)行VB編程，這樣就為礦山測量數(shù)據(jù)計(jì)算提供了優(yōu)勢條件，而Excel中可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)單元格的數(shù)據(jù)、公式進(jìn)行擴(kuò)展計(jì)算，其操作方法是利用Excel的單元格絕對引用、相對引用或混合引用，向下或向右拖動(dòng)單元格[1]。礦山測量獲取的數(shù)據(jù)資料往往很多，包括大量的空間信息，但礦山測量數(shù)據(jù)計(jì)算所選用的計(jì)算方法和公式相同，礦山測量數(shù)據(jù)計(jì)算過程往往就是機(jī)械化的重復(fù)過程，即可以使用Excel提供的公式引用功能，直接拖動(dòng)單元格，就可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算。在礦山測量中，應(yīng)用最多的是Excel的相對引用功能，即引用過程中的相對引用單元格都會(huì)根據(jù)單元格拖動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)改變，這樣便于導(dǎo)線計(jì)算，連續(xù)坐標(biāo)點(diǎn)間的方位角、距離反算。如果數(shù)據(jù)計(jì)算，相對引用單元格不需要或部分不需要發(fā)生改變，則需要應(yīng)用Excel中的絕對引用和混合引用[4-5]。

3 Excel在礦山測量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

3.1 Excel在數(shù)據(jù)計(jì)算中的應(yīng)用

礦山測量數(shù)據(jù)的計(jì)算，主要包括坐標(biāo)正算、坐標(biāo)反算與高程傳遞計(jì)算。坐標(biāo)正算即利用已知點(diǎn)與未知點(diǎn)之間的距離及方位角關(guān)系求取未知點(diǎn)坐標(biāo)；坐標(biāo)反算是已知兩點(diǎn)坐標(biāo)，反算兩點(diǎn)間的距離及方位角；高程傳遞是利用已知點(diǎn)高程、已知點(diǎn)與未知點(diǎn)間高差、儀器高、前視高等數(shù)據(jù)求取未知點(diǎn)高程信息。本文以某次礦山測量工作為例，探討Excel在坐標(biāo)正算與坐標(biāo)反算中的應(yīng)用，見圖1。

圖1 Excel中測量數(shù)據(jù)的計(jì)算方法

例1：已知點(diǎn)P坐標(biāo)(x=5 000，y=8 000)，距離l=29.690 m，方位角α=180°37′27″，求未知點(diǎn)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)、D(x4,y4)。

1) 將已知點(diǎn)P坐標(biāo)及已有方位角和距離信息輸入Excel表格中，見圖1，坐標(biāo)正算公式為x1=x+l·cosα，y1=y+l·sinα；

2) 在Excel中實(shí)現(xiàn)三角函數(shù)的計(jì)算，必須將方位角度數(shù)表示轉(zhuǎn)換為弧度表示，在單元格J3中輸入公式為：fx=RADIANS(G3+(H3+I3/60)/60)，得到PA方向的方位角弧度為3.152 5；

3) 則在Excel中，未知點(diǎn)A(x1,y1)表示：在單元格B3輸入“=B2+D3×cos(J3)”，單元格C3中輸入“=C2+D3×sin(J3)”，得到A點(diǎn)坐標(biāo)(4 970.312，7 999.677)；

4) 利用Excel相對引用功能，向下拖動(dòng)單元格，即可利用已有單元格計(jì)算公式求得未知點(diǎn)B、C、D點(diǎn)的坐標(biāo)信息。

例2：已知點(diǎn)P和點(diǎn)A的坐標(biāo)(5 000，8 000)、(4 970.312，7 999.677)，反算距離l、PA方向方位角α。

2) 坐標(biāo)反算方位角。在平面直角坐標(biāo)系中，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)象限，四個(gè)象限的坐標(biāo)方位角分別表示為：

Ⅰ：α=β,Δx>0,Δy>0；

Ⅱ：α=180°-β，Δx>0,Δy<0；

Ⅲ：α=180°+β，Δx<0,Δy<0；

Ⅳ：α=360°-β，Δx<0,Δy>0；

其中β表示象限夾角，β=arctan|y-y1|/|x-x1|。

3) 在Excel中實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算。在單元格D3中輸入“=SQRT((B2-B3)2+(C2-C3)2)”，得到距離l=29.690 m。

4) 在Excel中實(shí)現(xiàn)方位角計(jì)算，必須讓Excel系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算象限夾角β，并識(shí)別Δx和Δy處于哪個(gè)象限，所以使用到編程模塊IF語句，即實(shí)現(xiàn)：

α=IF(AND(B3-B2>0,C3-C2>0),ATAN((C3-C2)/(B3-B2))×180/PI(),

IF(AND(B3-B2<0,C3-C2>0),ATAN((C3-C2)/(B3-B2))×180/PI()+180,

IF(AND(B3-B2<0,C3-C2<0),ATAN((C3-C2)/(B3-B2))×180/PI()+180,

ATAN((C3-C2)/(B3-B2))×180/PI()+360)))

5) 在Excel中計(jì)算的方位角為數(shù)學(xué)表示，即方位角α計(jì)算結(jié)果為180.624°，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換為度分秒表示，計(jì)算公式為：

fx=INT(E3)&"°"&INT((E3-INT(E3))×60)&"′"

ROUND((60×(E3-INT(E3))-INT(60×(E3-INT(E3))))×60，2)&"″"

6) 通過向下拖動(dòng)單元格，就可利用沿用單元格公式進(jìn)行坐標(biāo)反算。

3.2 Excel中空間信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件

礦山測量中應(yīng)用到的繪圖軟件主要以AutoCAD和龍軟地測空間管理信息系統(tǒng)(LRGIS)為主，LRGIS是專門針對礦山特點(diǎn)設(shè)計(jì)的礦山圖形繪制和分析軟件，內(nèi)部建立了完善的符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的專業(yè)數(shù)據(jù)庫，為用戶提供了方便的圖形編輯、數(shù)據(jù)管理、查詢和空間分析功能。本文以LRGIS軟件為例，介紹Excel中坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件的具體方法。已知Excel數(shù)據(jù)包括5個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)信息和高程信息，見圖2。具體方法如下：

圖2 Excel中建立的空間信息及結(jié)果顯示

1) 將Excel中已有的空間信息以(點(diǎn)號，x，y，高程)形式在一個(gè)單元格中顯示，在單元格E2中輸入“=A2&“，”&B2&“，”&C2&“，”&D2”，見圖2。

2) 新建文本文檔，在界面中第一行按照順序輸入點(diǎn)號，x，y，高程，利用復(fù)制命令將Excel中E2-E6數(shù)據(jù)復(fù)制到文檔中，見圖3。

圖3 構(gòu)建的空間信息文檔

3)打開LRGIS軟件，菜單欄選擇[平面圖形]，通過提示按照以下步驟進(jìn)行操作：[平面圖形]—[讀數(shù)據(jù)]—[離散點(diǎn)數(shù)據(jù)]—[選擇文檔文件]—[分隔符“逗號”]—[字段關(guān)聯(lián)]—[選取點(diǎn)位標(biāo)記符號]—[比例尺]—[確定]，圖形結(jié)果見圖4。

圖4 在LRGIS中導(dǎo)入的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)

4)Excel坐標(biāo)文件導(dǎo)入LRGIS中，關(guān)鍵在于空間數(shù)據(jù)格式要統(tǒng)一，即都設(shè)定為“點(diǎn)號，x，y，高程”順序，分隔符選擇要相同，本文中都選擇的為“,”。

4 結(jié) 語

Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析處理能力，具有實(shí)時(shí)、可視化等特點(diǎn)，不僅可以極大提高數(shù)據(jù)計(jì)算效率，保證數(shù)據(jù)計(jì)算精度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正數(shù)據(jù)計(jì)算錯(cuò)誤，還能夠與礦山測量制圖軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，Excel數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于圖形繪制，縮短了成圖時(shí)間，提高了成圖精度。而Excel-VBL可以開發(fā)出較復(fù)雜和規(guī)模較大的數(shù)據(jù)處理分析程序，與其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析能力結(jié)合可以覆蓋礦山測量常用的數(shù)據(jù)處理功能，這是其他數(shù)據(jù)處理軟件無法比擬的。