基于Android 智能手机的陀螺定向测量数据处理系统

高楚天 郭 明 刘运明* 王志良 郭可才

（1、北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京102616 2、现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京100044 3、北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101 4、国家海洋局南海调查技术中心，广东 广州510300 5、北京申信达成科技有限公司，北京102444）

1 概述

经济发展使得城市土地资源愈发紧张，开发和利用地下空间势在必行[1]。习近平总书记在2016 年全国科技创新大会明确提出，向地球深部进军是我们迫切需要解决的战略科技问题[2]。在地下中长隧道建设过程中，经常需要获取边线的精确方位，过去常使用的方法是导线测量[3]，而现在通常采用陀螺全站仪来完成定向工作[4]。将全站仪与陀螺仪复合在一起所组成的测量仪器称作陀螺全站仪[5]，它具有观测简单方便、效率高、定向精度高、受环境影响小等优点[6]，广泛应用于矿山、隧道等地下工程中[7]。使用陀螺全站仪进行定向测量解决了导线测量方法误差累计大、精度较低和抗环境影响力弱的问题，在精确确定方位角方面具有决定性的优势。

然而，在使用陀螺全站仪进行测量的过程中，也存在着一些问题。陀螺定向数据一般使用纸笔来记录，但地下测量现场往往环境恶劣，用纸笔进行定向数据的记录存在诸多不便，如风吹、沙尘、光线等造成的影响。另一方面，陀螺全站仪具有仪器较为笨重、不易移动的缺点，不便反复进行测量检核，需要在每个测站点完成测量后，立即对观测数据进行精度评估[8]，而通过笔算的方法来评估数据精度繁琐复杂、耗费时间且浪费人力。再者，陀螺全站仪内置的数据处理系统只能计算出陀螺方位角[9]，获取实际应用中需要的待测边坐标方位角仍需自行笔算。针对以上问题，本文开发设计了基于Android 手机移动端的陀螺定向数据处理系统，该系统能实现在测量现场使用手机记录陀螺定向数据、对数据进行精度评估并计算待测边坐标方位角的功能，并在我国首条过海隧道建设工程中使用了本系统，验证了系统的正确性与可行性。

2 数据处理系统设计与开发

2.1 系统配置

陀螺定向数据处理系统编写语言为Java，基于Andorid studio 平台进行开发。Andorid studio 平台版本为3.5.2，Andorid SDK Tools 版本为26.1.1，Android Platform Tools 版本为29.0.6，Android Platform Version 版 本 为API 29:Android 10.0（Q）revision 4，build:gradle 版本为3.5.2。系统可在安装Android 6.0版本及以上的智能手机上运行，支持实时运算，界面简洁大方，易于操作，具有计算成果可视化的显示。在系统开发过程中，通过intent 组建保证数据的传递，在页面跳转时将数据传递过去，并使用了安卓内置的轻型数据库SQLite，保证了程序对数据的设置与使用。

2.2 开发流程

一般而言，陀螺定向过程为：首先在地面已知边上使用陀螺全站仪进行多测回定向测量，然后在地下待测边上完成多测回的正向、反向定向测量，最后回到地面已知边，再完成一次多测回的定向测量。通过这些定向测量数据及已知方位边坐标，即可计算仪器常数和子午线收敛角，并结合陀螺方位角计算待测边坐标方位角。计算过程已有很多文章进行了推导，此处不表。

为方便在实际工程使用，本系统根据陀螺全站仪定向流程开发，主要由定向数据记录、精度检核及坐标方位角计算三个模块组成。开发流程为：首先根据上述定向过程，使用陀螺全站仪获取定向数据，将定向数据输入系统；系统计算仪器常数均值及互差，判断互差是否超限，若是则重测，若否则进行坐标反算、子午线收敛角计算和仪器常数计算，再判断测站间距离是否大于10km，然后后计算待测边坐标方位角；最后上传所有数据，将其保存在笔记本或者PC 端。图1 为系统设计的算法流程图：

图1 系统算法流程图

3 实验与分析

3.1 工程概况

以厦门市海沧海底隧道工程的定向工程作为实例。海沧海底隧道长约6.4 公里，跨海域面积长约2 公里。它连接厦门本岛与岛外的海沧区，能增强厦门岛与海沧区之间的交通能力，是厦门城市交通网络极为重要的一环。由于该隧道贯通距离较长，使用导线测量的方法进行定向可能会存在较大偏差，如果偏差造成隧道不能按照设计轴线掘进，不仅损失大量人力、物力和财力，而且直接影响轨道交通工程的施工建设，所以需要通过陀螺定向来检校已经施测的6″级导线。在海沧海底隧道工程陀螺定向过程中，使用了本系统记录定向数据，对定向数据实时进行精度检核，并现场计算了待测边坐标方位角。

3.2 系统实现与分析

系统主界面分三个模块：数据记录，精度检测和坐标方位角计算，如图2a 所示。根据陀螺定向流程，首先要进行定向数据记录。图2b 是“数据记录”选项下的界面。

图2 系统操作界面

本次定向测量的定向边为GDG74→GDG12，待测边为1055→1320。在系统中输入测量边的点号，如图3a 所示。在开始陀螺定向测量之前，首先输入已知边两端点坐标及测站点经纬度。点击"计算"按钮，可直接得到已知边坐标方位角和子午线收敛角，如图3b 所示。图3c 为已知边第一次测量数据。

图3 数据记录模块内界面

在实际工程中，除上述地上定向测量外，还有待测边正向测量、反向测量和已知边第二次测量，为避免图片过多造成冗余，这里不再赘述。

在测量完成后，需要对定向数据的精度进行检核。对定向数据的精度要求为：地面已知边两次测量的陀螺方位角互差均要小于10″，均值互差要小于15″；地下待测边的正测与反侧的方位角较差应小于10″。在本系统中，点击"精度检测"，系统会通过计算来判断数据精度是否符合要求。若符合要求，则可进行坐标方位角的计算；若计算结果超限，则需要重新进行测量。本次测量过程中，两次地面观测值互差分别为6″和10″，地下待测边观测值互差各为8″和9″，均小于精度要求的10″，说明仪器内外符合精度要求。两次地面观测值均值分别为344°18'13"、344°18'05"，互差值为8"，不超过限值15″，说明数据精度符合要求。

计算坐标方位角要考虑到已知边测站点和待测边测站点之间的坐标距离。在本次工程中，两测站点之间坐标距离小于10km，选择“小于10km”选项后，系统自动运算得到仪器常数，并计算出待测边坐标方位角，结果如图4 所示。

图4 坐标方位角计算

厦门海沧海底隧道工程中，待测边1055→1320 通过导线测量得到的坐标方位角为88°47'04"，与通过本系统得到的坐标方位角进行比较，结果仅相差2"，说明通过两种方法得到的定向结果互相吻合，数据处理系统稳定可靠。

4 结论

本文设计开发了基于普通商用Android 手机的陀螺定向数据记录与处理系统，该系统能实现在Android 智能手机上记录陀螺定向数据，具有简单、方便使用的特点；可实时进行数据精度检核，避免因数据精度不合格而反复重测，减轻了实际测量中的麻烦；在获取陀螺定向数据后能立即得到坐标方位角，可以与已知数据比对，避免返工，有效提升了测量工作效率。在厦门海沧海底隧道定向工程中进行了实际应用，获得了满意效果，验证了系统的有效性与准确性。下一步将要继续研究智能手机与陀螺全站仪无线通讯技术，进一步提高系统自动化程度。本系统可在未来矿山、隧道等领域的地下工程中广泛使用，且能为在智能移动设备上开发的数据处理软件提供宝贵经验。