室外长距离基线数据的自动化计算

摘  要：野外长距离基线的校准溯源常采用基线测量的方式实现，其测量数据主要由水准测量数据、基线测量数据、温度数据及重力数据等多种数据组成，以往计算时，主要采用Excel表格整理和手工计算方式，不仅耗时费力，而且容易出错。文章介绍一种以VC++ 6.0为开发平台的自动化计算方法，该方法可有效提高基线计算的速度和准确率，具有较强的适用性。

关键词：基线测量；数据整理；VC++语言；自动化实现

中图分类号：TP39；P215  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）05-0153-04

Automatic Calculation of Outdoor Long-distance Baseline Data

ZHANG Chao

（The First Geodetic Survey Team of the Ministry of Natural Resources， Xi'an  710054， China）

Abstract： The calibration and traceability of the field long distance baseline is often achieved by means of baseline survey. The survey data is mainly composed of leveling data， baseline survey data， temperature data， gravity data and other data. In the past， Excel tabulation and manual calculation methods were mainly used， which is not only time-consuming and laborious， but also prone to errors. This paper introduces an automatic calculation method making VC++6.0 as development platform， which can effectively improve the speed and accuracy of baseline calculation and has strong applicability.

Keywords： baseline measurement; data collation; VC++ language; automatic implementation

0  引  言

在我國，一、二等基线的校准测量均是通过基线测量的方式实现的，而全国的一、二等基线的高精度距离数据直接决定全站仪、测距仪等多种测绘仪器的加乘常数、周期误差的确定修正，可见基线测量在长度量值传递中起着承上启下的重要作用。

基线测量用因瓦基线尺丈量置于基线两端点连线方向上各测段的距离，从而获得基线的长度。基线测量的主要内容有：

（1）定线并设立轴杆架，将轴杆架按基线尺长度配置在基线方向上，以作为基线尺丈量的标志。

（2）轴杆头水准测量。

（3）基线尺配置和长度测量等。

其测量数据主要有水准测量数据、基线测量数据、温度数据等多部分组成，以往主要是手工计算、Excel表格整理，在内业数据检查整理中由于涉及多种数据融合，过程烦琐带来众多的不便，且容易出错。笔者介绍了自己团队基于VC++ 6.0平台开发的自动化处理软件，能够大大提高基线计算的速度和正确度，有较强的适用性。

1  室外校准测量

目前我国的室外长度测量方式体系完备，高精度测量方式主要有空间大地测量、常规的大地测量和电磁波测距仪等多种测量方式。其中的基线测量方式融合传统测量和新型测量等方式，作为校准溯源的权威手段，目前广泛应用在室外大长度校准测量中。瑞典大地测量学家耶德林于1880年提出悬链线法测量距离，奠定了基线丈量理论基础，拓宽了学界高精度长度测量的领域；法国工程技术员纪尧姆经过了多次试验，发现了殷钢（也称为因瓦合金），并在1903年制成因瓦基线尺，其量距精度高达1/1 000 000、线膨胀系数极低（小于0.5×10-6/℃），自发现之日起便在国际大地测量领域得到了广泛使用。原苏联大地测量学家斯维杜辛于1957年联合我国原地质部测绘局（现属自然资源部）设计了西安600 m基线检定场，名称和隶属也几近更变，最终由笔者所在单位负责日常维护。正是这条基线所在的村子，为我们培养了新中国第一批基线测量人员，也初步构建了我国的室外校准测量的技术能力。

室外长度校准以国际长度单位制为依据，将国际单位制中的“米”层层传递至野外基线场长度基准，作为国家量传体系的重要组成部分，构成了我们的测绘长度计量系统。如图1所示。

野外比长基线（标准长度基线场）是高精度野外长度测量仪器的检定标准，能够直接影响到长度量值的传递，其精度作为计算参数因子直接带入到测绘/计量成果。按照国家量值传递系统表，检定具有大长度特性的测量器具是在野外标准基线场进行，标准基线场的长度量值是由24 m因瓦基线尺溯源（24 m因瓦基线尺溯源至中国计量科学研究院国家最高长度基准）。因此，要保证长度测量仪器检定的准确性和可靠性，必须首先保证比长基线场长度量值的准确性、可靠性及统一性。基线校准测量的技术路线如图2所示。

2  数据处理

测量数据处理作为基线测量/校准最核心的部分，经过了几代测量技术人员的归纳总结，目前已经形成了较为完备的数理基础，提炼出了较为完善的数据处理流程，计算之前首先以每条因瓦基线尺的三项改正（即尺长改正、倾斜改正、分划尺改正），其后分别求算各段间的长度平均数，再加入重力改正、悬链线不对称改正两项参数值即为各段的校准值，相邻距离求和则为待求算的基线长度。各项工作完成后，即可进行测量平差、精度估计以及评定测量不确定。

2.1  温度改正数和尺长改正数

此两项作为基本改正，温度改正数计算公式：?t=α（t-20）+β（t2-202），μm，式中?t表示温度改正数；α、β表示因瓦基线尺温度线膨胀系数；t表示温度，单位为摄氏度（℃）。尺长改正数：Δl值由因瓦基线尺检定时给出。

2.2  分化尺改正

每根线尺的两端有三棱分划尺，其中一个棱与线尺的中心轴一致。分划尺的刻度范围一般为8 cm，最小分划线间距为1 mm，每1 cm有一注记。前后两分划尺的分划注记方向相同，两分划尺上同名分划之间的距离即为基线尺长度：-?α（b-a）=0.215 5∑（b-a），mm。

2.3  悬链线不对称改正数

由于基线尺本身的两端不等高，引起悬链线不对称，使得同一线尺在倾斜时悬链线弦长  不等于水平时悬链线弦长l0，其差值称为悬链线不对称改正。

2.4  重力变化改正数

基线尺检定和基线丈量一般均采用同一组重锤。由于两地纬度不同，重力加速度也不同。在不同纬度将引起线尺长度的微小变化。?g=7.02×n（（g2-g1）/g1），mm，其中g1表示因瓦基线尺检定处（即中国计量科学研究院）所处位置的重力加速度；g2表示待测量基线场所在地的重力加速度。

2.5  计算方式

测量数据主要由水准测量数据、基线测量数据、温度数据及重力数据等多部分组成，以往在进行计算时，主要通过手工计算、Excel表格整理。如图3所示。

3  自动化实现

3.1  数据的整理

基于软件计算的实现依然是以数据的整理为前提，首先以理顺观测文件为基础，野外测量的基线观测数据主要由各个跨距的长度文件（*.LNW/*.LNF）和（*.SZW/*.SZF）构成，每段基线测量数据具有自己的数据结构（其节数、段数）等表头信息，为减少软件自身的多源数据的异构，有必要修订为标准格式，从而做到格式易读、逐一对应、方便检查；其次就是减少数据处理的冗余度、快速且占据内存少，要确保原始观测文件存储于标准统一的数组/指针组当中，逐次实现从冗余烦冗的野外长度测量数据计算实现流程化，（计算得到的量存储到预先设定的各项指针/数组中），这样就从设计之处便考虑到了数据的不同用户需求的调用、存储、输出等。如图4所示。

3.2  外業资料的输入

整理后的水准资料和长度观测资料采用CFileDialog类读取文件，将数据分类存储到指针多维数组中，其中观测数据中的字符串存储对象为CString类型。

对其的数据结构描述也是较为简明，其数据组织结构在软件中以：*ptr_array=new（a1， a2， a3， a4，…， an）描述，软件设计之初，认定比长基线数据中的水准的往测高差成果/*.SZW、水准的返测高差成果/*.SZF、基线测量的往测数据/*.LNW、基线测量的返测数据/*.LNF四大外业观测文件，作为一组的不同类型、属性各异但又相关的计算分量，既把数据进行了合理分类，同时保持了数据自身的明显标示，为数据的正确处理提供了基础准备。

3.3  计算过程

软件的设计构建主要流程仍以传统的基线测量步骤进行，即以前文表述的改正和计算基线全长，流程化的表示如图5所示。这样软件完成组装后，可以直接与手算结果完成比对，且过程文件的存储与历史数据保持了一致，对计量资料文件存档保了无缝对接，增加了软件自身的兼容性。

由图5的数据处理流程来看，需要对数据处理流程进行逐一呼应，结合VC++ 6.0面向对象的语言特点，确定了以24 m整跨距、测段、整段（即跨距、测段、全长）为对象来分级定义进行数据处理的框架。软件代码的标示中以P代表跨距（类型有墩标、轴杆架等）、N代表测段（以自然数逐次增加）、C代表整条基线即全长（即比长基线场的总长，m），如图6所示。

软件的处理模型可以简要地描述为Cn[Np（Pi）]：：（I1， I2， I3， I4，…， In），针对每个跨距而言，要考虑加入的改正数有读数改正数、倾斜改正、分划尺改正、测量温度等，它们就对应公式中的I1， I2， I3， I4，…， In。

基线数据中间有墩标为界，各测段的数据互相独立，但测段数N需要以此增加，直至全长C运行完毕，过程中需要包括有读数累加和、改正数累加和、倾斜改正累加和、悬链线不对称改正数、重力变化改正数等部分。以上以软件的运行进行数据计算的底层逻辑是通过跨距的累计实现的。针对于整个数据过程，目标是得到基线的全长数据，以此作为预设目标统筹各项数据，并以此作为导向，综合实现数据的汇总、整合跨距、段这两级既存数据，以及存储需要的其他数据。

依照软件的运行逻辑，计算人员要分步完成数据的下载、整理和检查，直至做到基线数据完整、理顺跨距P、测段N（往测中递增、返测递减）正确地进行计算和存储，利于各类数据的查看和处理结果的输出。最后完成软件的组装，界面如图7所示。

4  结  论

文章介绍了团队以VC++ 6.0为平台开发的室外长距离基线数据的自动化计算方法，能较快地实现比长基线数据检查和计算功能。软件利用既有的比长基线测量数据进行计算，经过多年的用户测试，软件基本实现了预期的设计要求。但还需要从以下三个方面进行完善：

（1）继续对软件进行升级，从外业数据采集，到内业计算，到校准结果出具，实现一体化完成。

（2）根据具有二次研发需要的测试单位反馈的情况，笔者所在单位提供的原始测量数据，不能体现出全长测量/校准过程中易超限测段的超限数据警示，不足以为测试单位提供参考（因最初的设计思路为读数超限则报错且不做记录，直至合限差则报错消失完成记录），后续这一模块需要完备。

（3）下一步将不局限于对基线场的平距进行记录，还要对平距、斜距和横向偏离度进行计算，据此多维度地完成对比长基线场的监测，实现对更广泛的对室外长度基线的监督效能。

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作者简介：张超（1990—），男，汉族，陕西咸阳人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：大地测量和长度计量。

收稿日期：2022-10-06