PDA在水文水准测量中的应用

闻卫东　缪浩川　张靖

摘要：为充分利用PDA的便捷性和智能化，基于PDA应用的4项设计原则，开发了集水文水准测量管理、记录、计算、报表打印于一体的水文水准测量应用软件。应用结果表明，该系统界面友好、操作方便，可实时、智能地记录数据，高效处理数据，提高了水文测站水准测量的效率。该系统可在水文站三等水准测量和水尺零高测量中推广应用。

关键词：PDA;水文水准测量;水尺零高测量

中图法分类号：P224.1

文献标志码：A

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

水文水准测量为水位观测提供基准，是水文测站的基础工作之一，主要包括水文三等水准测量和水尺零高测量。

在传统水文水准测量工作中，通常采用人工观读数据、手工记录的方式，现场测记测量数据，计算各项限差和结果，整个过程稍有差错可能会导致返工。外业测量结束后，还需要内业计算整理及校核，工作量较大。传统水准仪观测加掌上电脑（PDA）现场记录成为目前水文站水准测量较为理想的方式[1]。

PDA在水文水准测量中，仍采用人工观读数据，PDA记录数据。将读数输入PDA中的程序界面，即可实时得到各类限差以判断其是否超限，并计算成果，输出所需要的报表。该方式能极大地提高测量效率。

1 PDA应用设计的原则

1.1 规范性

该系统除应符合GB/T 12898-2009《国家三、四等水准测量规范》[2]要求外，还必须满足SL 58-2014《水文测量规范》[3]等水文行业规范要求。例如水尺零高测量中的间视、直读等测量方式，在水文行业普遍采用，因此在系统中也加入了该类功能。数据取位、限差计算、报表格式也应符合水文行业的要求。

1.2 可靠性

水準测量费时费力，验潮站水尺零高测量时效性较高，所以对PDA应用的可靠性要求较高。系统设计时，应预见到各类意外情况的发生，数据应能实时存入磁盘。PDA发生死机、断电、误操作等情况，均能在重新开机打开该项目后，自动从上次保存位置处重新开始记录[4]。

1.3 唯一性

水准记录系原始观测资料，原始观测记录应现场记载，不得有划改、擦改、涂改现象。采用电子记录后，极易发生数据修改现象。因此系统设计时，应对数据作加密处理，测量完成后，应无法对其进行修改，以保证测量数据的唯一性。

1.4 便捷性

系统应具有如下功能：①在数据输入过程中，动态监测输人数据，屏蔽无效按键，实时检查各项限差，提示超限的读数;②自动切换输入焦点等待用户输入，且待输入处应高亮显示，也可手工切换输入框，操作方式实现灵活多变，尽最大可能减少用户的按键次数;③实时显示测量的辅助信息，如高差、视距，以指导架站、置尺等测量动作。

2 PDA应用的开发与组成

系统采用Visual Basic 6.0为编程语言，其编程简单、方便、功能强大，具有良好的接口环境，并为应用程序界面设计提供强大的功能支持，对控制数据输入采用的文本框控件特别有效，为该系统输入的便捷性提供了有力支撑。存储数据采用ASCII编码的文本文件格式，便于PDA与桌面电脑的数据交换;报表打印采用Excel模板定制功能[5]，用户可预先修改软件内置的测量记录表和成果表打印模板，以得到需要的报表形式。

可在安装了Windows操作系统的PDA及桌面电脑上运行系统。PDA主要用于外业测记，桌面电脑主要用于报表打印。 水文水准测量PDA应用系统由3个模块组成，即项目管理、外业测记、报表打印，见图1[6]。

3 主要功能的实现

3.1 界面设计

系统界面设计分为面板设计、菜单设计、标签设计、按钮设计和文本框设计[7]。面板设计包括系统主界面、项目信息界面和外业测记界面及屏幕保护界面。菜单设计为主界面所用的菜单，仅起到辅助作用，实际操作中使用不多。标签设计主要为项目信息显示所用。按钮设计和文本框设计主要为外业测记界面所用，是系统开发的难点所在。用户最常用的数字按键设计为一个方形虚拟键盘，键盘内置数字及常用字符按键，配合文本框可协同输入，自动判断读数长度及焦点跳转，以提高输入效率。

为增加用户作业的便捷性，PDA操作全程采用触摸方式，从项目的建立、数据的输入、功能的选择等操作均可触摸完成;在桌面系统中使用鼠标加键盘操作，符合一般用户的习惯。

3.2 数据结构

PDA要实现从数据记录、高程计算到内业成果整理全电子化，从而最大限度地提高外业测量效率，测量观测数据的录入、保存、计算等流程的顺畅度是整个软件开发的关键。考虑到数据在PDA中运算的速度问题，以及便于项目管理和数据交换，故将项目数据设计为文本文件，既无需安装额外的数据库，也可大大提高效率。

项目文件分为3个部分，每部分均由控制字符分隔，由程序自动判别。①项目信息。主要包括测量方式、站名、河段、仪器编号、AB尺号、AB尺常数、天气、风力、风向、呈像、观测人员、记录人员、测量起始时间等。②i角检验数据。③测量数据。包括检测数据、往测数据、返测数据。

测量数据的检测、往测、返测均采用相同的数据结构，以行列方式排列。每一行为一站数据，每行的不同列代表各字段信息，包括测站序号、后视点名、前视点名、后视的上中下丝、后视红面、前视的上中下丝、前视红面;计算数据包括前视距离、后视距离、视距差、累计视距差、本站高差、本站累计高差等[8]。

水尺零高测量与水文三等水准数据结构基本相同，不同之处在于水尺零高测量时直接读取前后视距，无上下丝读数，数据结构中也体现了该特征。当存在间视时，本站的间视数据在下一行，采用相同的测站序号，即相同测站序号的数据首行为前后视数据，以下其他行为间视数据，一个间视点占据一行，因此一个测站的间视点数量与间视数据行数一致。

3.3 测量数据加密

为保证测量数据的唯一性，在外业完成后，不能修改现场测记的数据，系统设计了数据加密功能。数据加密仅对测量读数加密，不包括测站信息和点名信息。

为防止数据违规改动，在外业测记界面中，回退按钮只能回退一站，对最后一站的测量数据进行修改。前几站的数据仅供浏览，不能予以修改。即使在电脑中修改数据文件，因测量数据加密时采用前后数据关联的方式，故强行解密修改会造成数据丢失，用户破解数据十分困难。

3.4 项目管理

项目管理包括新建项目信息的录入以及对已有项目信息的读取及修改。项目信息的录入包括水文测站信息（名称、河段等）、仪器设备信息（水准仪、水准尺等）、测段信息（线路性质、起算点等）、气象信息（天气、风力等）及测量人员信息。

打开项目管理后，在项目信息界面选择测量方式，与本站有关的信息位于页面右侧，用户可根据需要更改测量信息，但不可改变测量方式。一个项目建立后，系统将默认项目包含往测、返测、检测及i角检验。

项目信息和测站信息均可在系统安装目录下的信息文件中预置，不同单位用户可自行编辑该信息文件，自定义项目信息。

3.5 数据录入和焦点切换

在水准记录过程中，为了提升用户使用体验，软件需要对录入的数据进行分析，并辅助用户进行输入焦点切换和超限提醒。以水文三等水准的后视黑面读数为例，首先为该文本框添加一个焦点切换监听器，并在其内判断读数是否超限。限定文本框只能输入整数，且长度为4个字符，当输入4个字符后，判断读数是否合理（是否在尺长范围内，与上下丝关系等），若超限，则在信息框中给出红色字体的提示;若未超限，则将焦点切换到下一个目标。当信息框中出现红色字体提示时，说明存在超限数据，焦点停留在最后输入数据的文本框中，且只能待误差或错误消除后才能进行下一步测量。

焦点的跳转顺序与测量的顺序相关，以水文三等水准为例，测量顺序为后视上丝、后视下丝、后视中丝，前视上丝、前视下丝、前视中丝、前视红面、后视红面[5，9]。

3.6 特殊功能开发

根据水文行业相关规范规定，水尺零高测量可采用“间视”测量方式，即在某一测站观测前后视标尺的过程中，还可采取“间视”的方式测量其他水尺。当水尺处立尺困难时，可采取“直读”方法，利用水尺桩上的水尺板读数（该读数无红黑面，读两次代替红黑面）。这些方法均是水文测站多年经验的总结。系统开发时还应充分考虑一些特殊情况，如在水尺零高测量中，间视点数量可不限;读尺方式可为水准尺或直读水尺板;置尺位置可直接输入，无论单尺或双尺均可完成测量[2-3]。

根据SL 58-2014《水文测量规范》b1规定，新测的水准点和水尺零点高程与原测高程相差不超过该次测量的允许值，或不大于10 mm时，仍采用原测高程。系统在项目建立时，测站一旦确定，即可从信息文件中获取本站各支水尺及各水准点的原测高程，在计算往返测平差后制作成果表时，将本次测量高程与原测高程进行比對，以确定采用高程。

4 系统的测试与应用

水文水准测量PDA应用系统开发后，在长江口区域的潮位站水文测量中进行了多轮现场测试。测试所用的设备为清华紫光PDA（型号为M289-Plus 16G，屏幕尺寸8.1寸，操作系统为Win-dows 10），测试包括水文三等水准测量和水尺零点高程测量[10]。

为提高该系统的稳定性，还进行了各类模拟测试。①在系统中同时打开多个软件，测试其受干扰能力;②有意造成死机、断电、误操作等情况，测试其可靠性;③在使用充电宝情况下系统操作的便捷性及其工作时长;④在不同外界环境下，如强太阳光下、阴天、大风等，测试是否对野外记录等功能产生影响。

经多次测试和修正后，形成了系统的最终版本，在长江口地区的杨林等潮位站2019年汛前测量中进行了应用，包含3个测站共计6 km的三等水准测量，3组共计14支水尺的水尺零高测量。应用结果表明，该系统稳定可靠，报表规范，效率较传统记录方式提高了约30%;界面简洁，人性化程度较高，新用户在接受简单培训后即可正确使用[11]。

5 结语

在外业阶段，水文水准测量PDA应用系统可利用PDA记录观测数据，同时快速检核数据质量以及闭合差，并制作符合水文规范要求的成果表;在内业阶段，可用于资料的计算审核及成果打印。通过实际应用证明，该系统简化了水准测量内、外业工作流程，降低了作业强度，且符合水文规范要求，可替代人工记录，实用价值较高。

参考文献：

[1]郭忠良，闻卫东，唐明炯.Trimble—Dini12电子水准仪数据处理软件开发和应用[J].现代测绘，2011，34（6）：29-30.

[2] GB/T12898-2009国家三、四等水准测量规范[S].

[3]SL 58-2014水文测量规范[S].

[4] 张晓章，郑岘，喻成，等，基于Android手机和PC平台的水准测量内外业一体化系统开发[J]城市勘测，2017，137（2）：137-138.

[5]周奕君，童小华.基于掌上电脑（PDA）的水准测量电子手簿研究与关键技术开发[J].测绘与空间地理信息，2008，31（1）：17-20.

[6]张振军，杨建，胡祖平，等，基于Windows Mobile的水准测量记录软件的开发与应用[J].地理空间信息，2014，12（5）：140-142.

[7]邹进贵，潘正风，李军，等，基于Windows CE的掌上电脑在数字测图中的开发与应用[J]测绘工程，2001 （4）：30-32.

[8] 杨晓明，赵岩岩.基于兰德掌上电脑的水准测量电子手簿系统的开发[J'.华北水利水电学院学报.2011，32（2）：129-131.

[9]郑桂成.电子记簿程序在精密水准测量中的应用[J].工程技术与应用，2017（5）：72-74.

[10] 张飞，严慧君，刘琴.Android平台下跨河水准测量记录程序的开发[J].矿山测量，2018，46（5）：98-101.

[11]卢祥，张军.基于PDA的水准测量软件开发[J].城市勘测，2011（2）：123-126.

（编辑：李晓漾）