高楚天 郭 明 劉運(yùn)明* 王志良 郭可才

（1、北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京102616 2、現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044 3、北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京100101 4、國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州510300 5、北京申信達(dá)成科技有限公司，北京102444）

1 概述

經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得城市土地資源愈發(fā)緊張，開發(fā)和利用地下空間勢在必行[1]。習(xí)近平總書記在2016 年全國科技創(chuàng)新大會明確提出，向地球深部進(jìn)軍是我們迫切需要解決的戰(zhàn)略科技問題[2]。在地下中長隧道建設(shè)過程中，經(jīng)常需要獲取邊線的精確方位，過去常使用的方法是導(dǎo)線測量[3]，而現(xiàn)在通常采用陀螺全站儀來完成定向工作[4]。將全站儀與陀螺儀復(fù)合在一起所組成的測量儀器稱作陀螺全站儀[5]，它具有觀測簡單方便、效率高、定向精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[6]，廣泛應(yīng)用于礦山、隧道等地下工程中[7]。使用陀螺全站儀進(jìn)行定向測量解決了導(dǎo)線測量方法誤差累計大、精度較低和抗環(huán)境影響力弱的問題，在精確確定方位角方面具有決定性的優(yōu)勢。

然而，在使用陀螺全站儀進(jìn)行測量的過程中，也存在著一些問題。陀螺定向數(shù)據(jù)一般使用紙筆來記錄，但地下測量現(xiàn)場往往環(huán)境惡劣，用紙筆進(jìn)行定向數(shù)據(jù)的記錄存在諸多不便，如風(fēng)吹、沙塵、光線等造成的影響。另一方面，陀螺全站儀具有儀器較為笨重、不易移動的缺點(diǎn)，不便反復(fù)進(jìn)行測量檢核，需要在每個測站點(diǎn)完成測量后，立即對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估[8]，而通過筆算的方法來評估數(shù)據(jù)精度繁瑣復(fù)雜、耗費(fèi)時間且浪費(fèi)人力。再者，陀螺全站儀內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)只能計算出陀螺方位角[9]，獲取實(shí)際應(yīng)用中需要的待測邊坐標(biāo)方位角仍需自行筆算。針對以上問題，本文開發(fā)設(shè)計了基于Android 手機(jī)移動端的陀螺定向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在測量現(xiàn)場使用手機(jī)記錄陀螺定向數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評估并計算待測邊坐標(biāo)方位角的功能，并在我國首條過海隧道建設(shè)工程中使用了本系統(tǒng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性與可行性。

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)配置

陀螺定向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)編寫語言為Java，基于Andorid studio 平臺進(jìn)行開發(fā)。Andorid studio 平臺版本為3.5.2，Andorid SDK Tools 版本為26.1.1，Android Platform Tools 版本為29.0.6，Android Platform Version 版 本 為API 29:Android 10.0（Q）revision 4，build:gradle 版本為3.5.2。系統(tǒng)可在安裝Android 6.0版本及以上的智能手機(jī)上運(yùn)行，支持實(shí)時運(yùn)算，界面簡潔大方，易于操作，具有計算成果可視化的顯示。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，通過intent 組建保證數(shù)據(jù)的傳遞，在頁面跳轉(zhuǎn)時將數(shù)據(jù)傳遞過去，并使用了安卓內(nèi)置的輕型數(shù)據(jù)庫SQLite，保證了程序?qū)?shù)據(jù)的設(shè)置與使用。

2.2 開發(fā)流程

一般而言，陀螺定向過程為：首先在地面已知邊上使用陀螺全站儀進(jìn)行多測回定向測量，然后在地下待測邊上完成多測回的正向、反向定向測量，最后回到地面已知邊，再完成一次多測回的定向測量。通過這些定向測量數(shù)據(jù)及已知方位邊坐標(biāo)，即可計算儀器常數(shù)和子午線收斂角，并結(jié)合陀螺方位角計算待測邊坐標(biāo)方位角。計算過程已有很多文章進(jìn)行了推導(dǎo)，此處不表。

為方便在實(shí)際工程使用，本系統(tǒng)根據(jù)陀螺全站儀定向流程開發(fā)，主要由定向數(shù)據(jù)記錄、精度檢核及坐標(biāo)方位角計算三個模塊組成。開發(fā)流程為：首先根據(jù)上述定向過程，使用陀螺全站儀獲取定向數(shù)據(jù)，將定向數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)；系統(tǒng)計算儀器常數(shù)均值及互差，判斷互差是否超限，若是則重測，若否則進(jìn)行坐標(biāo)反算、子午線收斂角計算和儀器常數(shù)計算，再判斷測站間距離是否大于10km，然后后計算待測邊坐標(biāo)方位角；最后上傳所有數(shù)據(jù)，將其保存在筆記本或者PC 端。圖1 為系統(tǒng)設(shè)計的算法流程圖：

圖1 系統(tǒng)算法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 工程概況

以廈門市海滄海底隧道工程的定向工程作為實(shí)例。海滄海底隧道長約6.4 公里，跨海域面積長約2 公里。它連接廈門本島與島外的海滄區(qū)，能增強(qiáng)廈門島與海滄區(qū)之間的交通能力，是廈門城市交通網(wǎng)絡(luò)極為重要的一環(huán)。由于該隧道貫通距離較長，使用導(dǎo)線測量的方法進(jìn)行定向可能會存在較大偏差，如果偏差造成隧道不能按照設(shè)計軸線掘進(jìn)，不僅損失大量人力、物力和財力，而且直接影響軌道交通工程的施工建設(shè)，所以需要通過陀螺定向來檢校已經(jīng)施測的6″級導(dǎo)線。在海滄海底隧道工程陀螺定向過程中，使用了本系統(tǒng)記錄定向數(shù)據(jù)，對定向數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行精度檢核，并現(xiàn)場計算了待測邊坐標(biāo)方位角。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

系統(tǒng)主界面分三個模塊：數(shù)據(jù)記錄，精度檢測和坐標(biāo)方位角計算，如圖2a 所示。根據(jù)陀螺定向流程，首先要進(jìn)行定向數(shù)據(jù)記錄。圖2b 是“數(shù)據(jù)記錄”選項(xiàng)下的界面。

圖2 系統(tǒng)操作界面

本次定向測量的定向邊為GDG74→GDG12，待測邊為1055→1320。在系統(tǒng)中輸入測量邊的點(diǎn)號，如圖3a 所示。在開始陀螺定向測量之前，首先輸入已知邊兩端點(diǎn)坐標(biāo)及測站點(diǎn)經(jīng)緯度。點(diǎn)擊"計算"按鈕，可直接得到已知邊坐標(biāo)方位角和子午線收斂角，如圖3b 所示。圖3c 為已知邊第一次測量數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)記錄模塊內(nèi)界面

在實(shí)際工程中，除上述地上定向測量外，還有待測邊正向測量、反向測量和已知邊第二次測量，為避免圖片過多造成冗余，這里不再贅述。

在測量完成后，需要對定向數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行檢核。對定向數(shù)據(jù)的精度要求為：地面已知邊兩次測量的陀螺方位角互差均要小于10″，均值互差要小于15″；地下待測邊的正測與反側(cè)的方位角較差應(yīng)小于10″。在本系統(tǒng)中，點(diǎn)擊"精度檢測"，系統(tǒng)會通過計算來判斷數(shù)據(jù)精度是否符合要求。若符合要求，則可進(jìn)行坐標(biāo)方位角的計算；若計算結(jié)果超限，則需要重新進(jìn)行測量。本次測量過程中，兩次地面觀測值互差分別為6″和10″，地下待測邊觀測值互差各為8″和9″，均小于精度要求的10″，說明儀器內(nèi)外符合精度要求。兩次地面觀測值均值分別為344°18'13"、344°18'05"，互差值為8"，不超過限值15″，說明數(shù)據(jù)精度符合要求。

計算坐標(biāo)方位角要考慮到已知邊測站點(diǎn)和待測邊測站點(diǎn)之間的坐標(biāo)距離。在本次工程中，兩測站點(diǎn)之間坐標(biāo)距離小于10km，選擇“小于10km”選項(xiàng)后，系統(tǒng)自動運(yùn)算得到儀器常數(shù)，并計算出待測邊坐標(biāo)方位角，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 坐標(biāo)方位角計算

廈門海滄海底隧道工程中，待測邊1055→1320 通過導(dǎo)線測量得到的坐標(biāo)方位角為88°47'04"，與通過本系統(tǒng)得到的坐標(biāo)方位角進(jìn)行比較，結(jié)果僅相差2"，說明通過兩種方法得到的定向結(jié)果互相吻合，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了基于普通商用Android 手機(jī)的陀螺定向數(shù)據(jù)記錄與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在Android 智能手機(jī)上記錄陀螺定向數(shù)據(jù)，具有簡單、方便使用的特點(diǎn)；可實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)精度檢核，避免因數(shù)據(jù)精度不合格而反復(fù)重測，減輕了實(shí)際測量中的麻煩；在獲取陀螺定向數(shù)據(jù)后能立即得到坐標(biāo)方位角，可以與已知數(shù)據(jù)比對，避免返工，有效提升了測量工作效率。在廈門海滄海底隧道定向工程中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，獲得了滿意效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性與準(zhǔn)確性。下一步將要繼續(xù)研究智能手機(jī)與陀螺全站儀無線通訊技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)自動化程度。本系統(tǒng)可在未來礦山、隧道等領(lǐng)域的地下工程中廣泛使用，且能為在智能移動設(shè)備上開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。