測區(qū)電子地圖支持的工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

李愛民 兀澤坤 趙佳樂 張心怡 郭振強

（鄭州大學地球科學與技術學院，河南 鄭州 450001）

工程測量數(shù)據(jù)處理中的導線測量、水準測量、坐標轉換等內容，計算工作量很大。目前測繪行業(yè)內流行幾款數(shù)據(jù)處理軟件，如南方測繪的平差易軟件（Power Adjustment）[1]、 武大的“科傻”系統(tǒng)（COSA）[2]、清華山維的平差軟件（NASEW）[3]等。這些軟件都具有概算、平差、精度評定、控制網顯示等功能，在測繪單位的測量數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮了重要作用。但是，調查發(fā)現(xiàn)，這些軟件普遍沒有顯示測區(qū)地圖的功能，而工程測量一定是在一定區(qū)域進行的，測量數(shù)據(jù)都包含坐標位置信息，控制點點之記資料也需要周圍地物地貌信息的支持，因此，把測區(qū)地圖融合到測量數(shù)據(jù)處理軟件中，研究建立基于測區(qū)電子地圖的工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)十分必要。

本文利用ArcGIS Engine 組件開發(fā)[4]、數(shù)據(jù)庫等技術研究構建基于測區(qū)地圖的測量數(shù)據(jù)計算處理系統(tǒng)，實現(xiàn)地圖和測量數(shù)據(jù)計算處理功能的無縫集成，使測量數(shù)據(jù)處理地圖化，提高測繪人員處理測量數(shù)據(jù)的可視化和便捷性。

1 系統(tǒng)分析

某本系統(tǒng)對應的用戶人群為有工程測量數(shù)據(jù)處理需求的測量人員，因此系統(tǒng)運行環(huán)境設置為PC 端，且無聯(lián)網要求，設計為單機版系統(tǒng)，不考慮網絡問題，但系統(tǒng)涉及GIS 技術和測量理論，因此開發(fā)者需要具有這方面的知識。

數(shù)據(jù)流程包括：數(shù)據(jù)錄入，將測區(qū)地圖數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)輸入；根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行平差計算，獲得測量點坐標和高程數(shù)據(jù)；在地圖窗口根據(jù)坐標數(shù)據(jù)生成測量點圖層；基于地圖制作點之記，進行空間查詢和分析等；成果輸出，輸出所需的空間數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)處理結果等。系統(tǒng)應包括地圖編輯、測量數(shù)據(jù)平差處理、空間分析、數(shù)據(jù)、圖形的檢索、查詢及數(shù)據(jù)輸出等功能。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計要遵循軟件工程建設的思想和簡潔、實用、可靠、可拓展的原則，充分利用計算機編程、GIS、空間數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)庫查詢和分析等技術，構建以電子地圖為基礎平臺的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.1 總體架構

從系統(tǒng)特點和應用角度出發(fā)，立足于整體，采用軟件工程的結構化設計模式，把系統(tǒng)功能分解為不同的模塊，包括數(shù)據(jù)操作、查詢統(tǒng)計、報表操作、圖形操作、測繪功能五個方面，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 主要功能設計

把GIS 技術和測量數(shù)據(jù)處理相結合，使得一些測量數(shù)據(jù)處理操作更加直觀地在地圖上展現(xiàn)。

（1）軟件支持mxd、Shapefile 等文件類型的導入，同時可以實時查看及更改屬性表。主菜單上有跳轉功能，通過輸入某點坐標而直接跳轉選中該點。此外，還具備打開文件、選中、平移、放大、縮小地圖、添加數(shù)據(jù)、移除圖層等地圖軟件所具有的基礎功能。

（2）主菜單上有創(chuàng)建地圖要素功能，可以進行點要素、線要素與面要素的創(chuàng)建，點擊開始編輯后，在其右側框體中選擇圖層，并使用繪圖工具進行要素的創(chuàng)建；點屬性配備有專門的要素庫，可以用于選擇點要素的樣式。

（3）鷹眼功能，用于全局顯示地圖的處理情況，便于查找所進行處理或當前展示的頁面位置。

（4）“生成測量點”功能，通過導入帶有點坐標的Excel 或TXT 文件，從而生成帶有相關點屬性的Shapefile 文件，并保存在指定路徑。

（5）“地圖注記”功能，選擇特定圖層以及該圖層內所想要顯示的字段，可以將字段內容顯示在底圖上。

（6）“地圖選擇集”和輸出功能，用于顯示和輸出所選要素的屬性表。

（7）導線平差計算。導線測量是將測點連成折線，得到折線邊的邊長和轉折角后，根據(jù)數(shù)據(jù)推算導線點的平面直角坐標的過程[9]。根據(jù)其導線布設方式，分為附合導線、閉合導線、支導線、導線網[10,11]。在選定精度等級并輸入源數(shù)據(jù)后，平差得出導線網型繪制結果、解算結果、精度核驗結果等內容。

（8）水準平差計算。水準測量是利用水平視線測定地面高差的方法，即由已知點高程推算未知點高程的過程[6-8]，在選定精度等級和已知高程后，導入觀測數(shù)據(jù)的Excel 或Shapefile 文件，得出線路總長、閉合差、限差等信息，并計算閉合差是否符合要求，且設置相應的結果導出功能。

（9）坐標轉換功能。包括大地坐標、平面坐標、空間直角坐標等多種坐標系的坐標轉換。

2.3 數(shù)據(jù)類型與組織

測量數(shù)據(jù)一般包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)是用來直觀表達位置關系的點狀、線狀、面狀要素信息，圖層的分類依據(jù)是根據(jù)其幾何形狀分為Point、Polyline、Polygon 等類型的要素圖層[12-14]；屬性數(shù)據(jù)主要是測量數(shù)據(jù)以及對空間數(shù)據(jù)的說明。以控制點為例，空間數(shù)據(jù)類型為點狀要素，其屬性數(shù)據(jù)為控制點坐標、點名、點號、控制點高程等屬性信息；以導線測量為例，導入數(shù)據(jù)后生成的空間數(shù)據(jù)類型為線狀要素，其屬性數(shù)據(jù)為點號、坐標、方位角、轉折角、邊長等屬性信息。空間數(shù)據(jù)采用圖層模式管理，使用Esri 公司的ArcGIS Engine 軟件提供的各類控件進行輸入、顯示、存儲、輸出等功能，而對于使用測量功能得到的屬性數(shù)據(jù)，則通過輕型關系型數(shù)據(jù)庫SQLite進行輸入、顯示、存儲、輸出等功能，基于ComGIS 技術實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)類型的無縫集成。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

根據(jù)ArcGIS Engine 組件式開發(fā)技術提供的地理數(shù)據(jù)可視化及空間數(shù)據(jù)處理等特點，將多種測量數(shù)據(jù)處理功能與地理信息系統(tǒng)集成，綜合利用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，在Visual Studio.NET 開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine 組件[15,16]，利用COM 組件技術開發(fā)測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)坐標值轉換、七參數(shù)解算、水準測量、導線測量等測繪數(shù)據(jù)處理的功能，并且添加相應的處理結果可視化界面，提供網型繪制、解算結果、精度核驗、起算及觀測數(shù)據(jù)顯示等功能。操作系統(tǒng)為WindowsXP/7/10，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQLite 數(shù)據(jù)庫。

3.1 系統(tǒng)主界面

主界面如圖2 所示：

①菜單欄，可實現(xiàn)文件操作、地圖注記、控制點生成、測量計算等功能。

②基礎工具條，可實現(xiàn)對電子地圖等基本操作，例如漫游、全圖顯示等。

③編輯工具條，可實現(xiàn)對地圖要素的創(chuàng)建、編輯、刪除等功能。

④圖層目錄，可實現(xiàn)對地圖圖層的管理、要素符號更改等操作。

⑤鷹眼，展示數(shù)據(jù)視圖中的地理范圍在全圖中的位置。

⑥地圖窗口，地圖交互操作的窗口。

⑦狀態(tài)欄，可顯示數(shù)據(jù)框內鼠標的位置，菜單欄功能的簡短說明。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.2 坐標轉換模塊

坐標轉換模塊包括坐標值轉換和七參數(shù)解算，坐標值轉換即選定轉換前后的坐標系，輸入單個點得到轉換后的坐標系的相應坐標值，如圖3 所示。七參數(shù)解算即輸入相應的三個公共點的坐標，得到目標坐標以及七參數(shù)的值，如圖4 所示。

以西安80 高斯投影平面坐標轉換西安80 大地坐標為例，部分代碼如下：

crd.x_XA = textBoxNum_xBX; ……//得到西安高斯投影平面坐標的X、Y、HZ

elpF.num = Ellips.Ellips75_XA80.num; ……//得到西安80所用橢球的參數(shù)

trans.XiAn80xyHgToXiAn80BLH(crd, elpF); // 調用轉換函數(shù)

圖3 坐標轉換

圖4 七參數(shù)解算界面

3.3 水準測量計算模塊

包括閉合水準測量平差、附合水準測量平差、支水準測量平差，選定精度等級及已知高程后輸入文件，得到報表窗口，顯示相應的源數(shù)據(jù)及結果，以及導出結果功能，如圖5 所示。

以閉合水準平差為例，部分代碼如下：closedDiff += Convert.ToDouble(dt.Rows[i][3]);//計算閉合差（單位：mm）

圖5 水準數(shù)據(jù)處理

3.4 導線測量計算模塊

導線測量計算模塊包括閉合導線坐標平差、附合導線坐標平差、支導線坐標計算、導線網平差（前方交會、側邊網坐標平差）功能。選定精度并輸入數(shù)據(jù)后，得到網型繪制結果、解算結果、精度核驗等信息，結果窗口右側顯示起算數(shù)據(jù)及觀測數(shù)據(jù)信息，并提供導出結果功能，如圖6 所示。

以閉合導線平差為例，部分代碼如下：cartsCrds[i].X = Convert.ToInt32(stations[i].y);//將給出的測繪坐標轉笛卡爾坐標，圖形形狀相同Increment[i].X = cartsCrds[i].X - knownedX;//求各點與已知點A的相對位置if(Increment[i].X ＜ minIncrementX)//尋找X方向最小負增量

圖6 導線數(shù)據(jù)處理

3.5 地圖操作模塊

圖層目錄：可在圖層欄中右擊圖層進行圖層的相關操作，如圖7 所示。

圖7 圖層控制目錄樹

創(chuàng)建要素：在編輯欄中選擇帶有鉛筆圖表的按鈕（Sketch Tool），即可進行要素的創(chuàng)建，其右側按鈕（Attributes）可打開所創(chuàng)建要素的屬性表，如圖8所示。

圖8 創(chuàng)建要素

生成控制點：選擇導入帶有點坐標的Excel 或Shapefile 文件，從而在指定路徑中生成帶有這些點屬性的Shapefile 格式的文件，如圖9 所示。

導入Excel 生成Shapefile 文件核心代碼如下：String fileName = openFileDialog.FileName;DataTable myTable = ExcelToDataTable(fileName,"sheet1");string Point = myTable.Rows[i][0].ToString();//獲取excel中的數(shù)據(jù)double x = Convert.ToDouble(myTable.Rows[i][1]); ……//得到xyh的值addPoint(ly, x, y, h ,Point);//添加點至shpfile文件

圖9 導入Shapefile格式的文件

圖10 點狀要素符號選擇器

符號選擇器：通過在屬性欄中雙擊點狀符號、線狀符號或面狀符號，可打開符號選擇器，選擇所需要的符號來標記點、線、面要素，如圖10 所示。pTextSymbol.Font = pFont as stdole.IFontDisp;I L i n e L a b e l P o s i t i o n p P o s i t i o n = n e w LineLabelPositionClass();……//設置注記放置格式、排放位置、擺設路徑權重，以及處理文字間沖突的處理方式等pLableEngine.Expression = "[" + sFieldName +"]";//輸入VBScript或JavaScript語言，設置要標注的字段IAnnotateLayerProperties pAnnoLayerProps=pLableEngine as IAnnotateLayerProperties;pAnnoProps.Add(pAnnoLayerProps);

圖11 注記選擇

圖12 注記效果

地圖選擇集 ：選擇底圖中的要素后，點擊“地圖選擇集”，可彈出選中圖層中所選要素的屬性表，如圖13 所示。

圖13 地圖選擇集效果圖

4 結語

本文利用GIS 組件開發(fā)技術設計了融合測區(qū)地圖的工程測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并利用C#語言編程實現(xiàn)了軟件功能。把測量數(shù)據(jù)處理與測區(qū)地圖無縫集成，實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的可視化，進而使計算更直觀、高效和便捷，提高工作效率。組件開發(fā)技術的使用有利于系統(tǒng)的可拓展性，方便后期的維護與系統(tǒng)升級。