工程控制网平差软件介绍
工程控制网平差软件(Engineering Control Network Adjustment Software，简称：ECNAS)是一套针对常见工程控制网，带有多种数据处理功能并提供多种定权方案，能进行方差一致性检验以及具有较高运算效率的控制网数据处理软件，能实现常见工程施工控制测量和建（构）筑物变形监测数据的精准化、自动化处理。下文将从软件的主要架构与功能、软件的对比测试、软件的主要优势和与软件相关的学术论文等方便进行详细介绍。
1 主要架构和功能
ECNAS包括“项目设置”、“水准网数据处理”、“平面网数据处理”、“全站仪三维网数据处理”、“GPS网数据处理”、“坐标转换”和“工具”等七部分，其中四大类常见工程控制网（水准网、平面网、全站仪三维网和GPS网）的数据预处理和平差计算是本软件的核心内容。见下图1所示。
图1 ECNAS的核心架构
1.1 项目设置
（1）新建工程：根据用户指定位置新建工程集合，集合内部自动分成若干子集。
（2）打开工程：方便用户对上次建立的工程项目进行查看、修改和另存。
（3）参数设置：对控制网的验前精度、仪器的标称精度、控制网的等级、工程椭球、投影面、中央子午线和显著性水平等进行设置，如下图2所示。
图2 ECNAS参数设置对话框
1.2 水准网数据处理
（1）导入观测文件：读取主流电子水准仪（Trimble DINI型或Leica DNA 型）的各种观测形式（BF、aBF、BFFB和aBFFB）的原始文件，如图3所示。
图3 导入数据对话框
（2）生成高差文件：根据软件提示，自动执行用户指令，处理转点，生成高差文件（如下图4所示），并自动生成“按测站数定权”、“按距离定权”和“分类定权”这三种定权方法的高程网平差文件。
图4 高差显示
（3）输出Excel观测手薄：根据相应规范要求，自动生成Excel外业电子
观测手薄，保存外业数据采集的原始记录，如下图5所示。
图5 水准测量Excel电子手薄
（4）往返测高差计算：对于有往返测高差的测段，统计往返测高差较差，
并按规范要求判断各往返测段的高差较差是否超限，并根据高差较差自动计算每
公里水准测量的偶然中误差，如下图6所示。
图6 往返测高差计算示意图
（5）闭合差计算：根据“间接平差转条件平差”的算法，自动搜索水准控制网内的附合和闭合路线的闭合差，根据相应规范要求，判断闭合环的观测质量，当水准路线的环闭合差达到20个以上，还能自动计算每公里水准测量的全中误差，如下图7所示。
图7 高差闭合差计算示意图
（6）水准网平差计算：根据“最小二乘”原理实现水准网的严密约束网平差，输出高程和高差的平差结果及其精度信息，如下图8所示。
图8 高程网平差示意图
（7）方差一致性检验：根据假设检验判断高程网平差的随机模型的优劣性，
如下图9所示。
图9 高差控制网的方差一致性检验
1.3 平面网数据处理
（1）导入观测文件：读取测量机器人机载数据采集软件的原始文件
（*.SUC），如图10所示，并自动生成平面网通用平差文件。
图10 打开采集软件原始文件
（2）输出Excel电子观测手薄：完整记录全站仪测量的各观测数据，并自动
计算2C、水平方向偏差、i角、天顶距偏差、平距偏差等，如下图11所示。
图11 全站仪外业测量Excel电子手薄
（3）读取平差文件：读取平面网通用格式的平差文件，自动统计往返测边
长较差，并自动计算规范要求的“一次测距中误差”，如下图12所示。
图12往返测边长较差统计结果
（4）闭合环搜索：根据“深度优先和广度优先”相结合的算法，搜索平面网内的附合与闭合路线闭合差，并根据菲列罗公式自动计算控制网的实际测角中误差，如下图13和14所示。
图13 闭合路线闭合差
图14 附合路线闭合差
（5）近似坐标计算：可以自动推算常规平面控制网的近似坐标，对于不能计算近似坐标的特殊网，提供用户自动输入近似坐标对话框，为后续平差计算提供便利。ECNAS不会出现“武大科傻”软件由于无法推算近似坐标，不能进行下一步平差计算的问题，也不会出现推算错误的近似坐标，而导致平差错误的问题。
（6）经验定权平差：根据用户输入的仪器测边测方向的先验精度定边长和方向的权，按“最小二乘”原理进行平面控制网的严密平差计算，并自动将平差结果生成Word文档，极大方便用户的数据使用，如下图15所示。
图15 平面网平差结果的Word输出文档
（7）方差分量估计：为解决经验定权中不同类观测值权的匹配不合理的问题，根据赫尔默特方差分量估计原理，迭代计算观测值的合理权，并平差计算。
（8）网图显示：ECNAS具有精致的图形界面，不仅提供控制网图的显示功能，还提供缩放、平移、量距和基本属性查询等功能，如下图16所示。
图16 网图显绘
（9）平差结果的统计与方差一致性检验：对平面控制网的总体信息、坐标中误差、点位中误差、方向改正数、方向中误差、边长改正数、边长中误差和相对中误差进行系统的统计；此外ECNAS还具有方差一致性检验功能，方便用户选择最优的定权方案，如下图17所示。
图17 平差结果的统计及方差一致性检验
1.4 全站仪三维网数据处理
能进行全站仪三维网的严密平差计算，提供控制点可靠的三维坐标平差结果及其精度。经多次实验可以证明在小范围内对测量机器人所采集的斜距、天顶距和水平方向等观测量进行三维平差，其平面精度可以达到变形观测二级以上精度要求；高程精度可以到达二等水准测量的要求。因此，在保证测量精度的情况下，用三维测量技术代替“平面测量+水准测量”的传统“2+1”模式，大大的节约测量成本、提高测量效率。如下图18所示。
图18 全站仪三维网平差
1.5 工程GPS网数据处理
（1）读取同步基线：读取主流软件（如：Trimble TBC和Leica LGO）所解算的基线文件。
（2）重复基线较差统计：统计控制网内重复基线较差，并根据相应规范要求判定基线质量，如下图19所示。
图19 重复基线较差
（3）异（同）步环搜索：搜索控制网的环闭合差，并根据相应规范的技术指标
要求判定基线质量，如图20所示。
图20 GPS网闭合环搜索
（4）三维无约束平差：在WGS-84空间直角坐标系下，进行三维无约束平差，
如下图21所示。
图21 三维无约束平差
（5）工程GPS网一点一方向平差：对于带状独立控制网的建立，工程GPS 网一点一方向平差具有高精度性、灵活性、实用性等诸多优点，如下图22所示。
图22 GPS网一点一方向平差
（6）工程GPS网二维约束平差：将空间三维基线转换为平面二维基线，在
平面独立坐标系下进行GPS网二维约束严密平差计算，如下图23所示。
图23 GPS网二维约束平差
1.6 坐标转换
ECNAS提供大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换、空间三维坐标系间的相互转换、高斯正算、高斯反算、平面三参数和四参数坐标转换等功能，如下图24所示。
图24 坐标转换示意图
2 软件的对比测试
借助计算机平台，将人工脑力劳动从复杂的数据计算中解放出来，并能在较短的时间内得到理想的计算结果是数据处理软件的最大贡献。因此，可从软件的稳定性、准确性、高效性等方面对ECNAS进行测试。
2.1 软件的稳定性测试
ECNAS能在装有.Net 3.5框架下的Windows XP/Vista/7/8等32位(或64位)操作系统下流畅运行。对计算机硬件的要求是：内存≥512MB，CPU主频≥1GHz。笔者任意选择76套数据(包括水准网26套、边角网23套、全站仪三维网6套和GPS网21套)分别重复进行3次完整的数据处理，出现异常的情况如表1所示。
表1 ECNAS使用异常情况统计表
异常类型文件读取数据预处理平差计算成果输出未知异常出现次数0 0 0 0 1 由此可见程序出现异常的情况不到0.5%，说明ECNAS具有良好的稳定性，能满足一般工程的应用要求。
2.2 计算结果准确性验证
为了验证ECNAS平差计算结果的准确性，下文选择成熟的商用软件CPIII DAS和COSA GPS分别对ECNAS的传统定权方法的计算结果进行对比测试。
（1）水准网平差准确性的验证
选取某客运专线包含1469个未知点的CPIII高程网实测数据，分别采用CPIII DAS和ECNAS平差，比较高程平差值、高差平差值、高程中误差、高差中误差和验后单位权中误差如下表2～表4所示。
表2 高程、高差平差结果差异统计表(单位：mm)
项目
高程平差值差异高差平差值差异
测站数定权距离定权测站数定权距离定权
最大值0.01 0.01 0.01 0.01 平均值0.00 0.00 0.00 0.00 注：表中差异均为绝对值，后表亦同。
表3 高程中误差、高差中误差对比统计表(单位：mm)
项目
高程中误差差异高差中误差差异
测站数定权距离定权测站数定权距离定权
最大值0.00 0.00 0.00 0.00 平均值0.00 0.00 0.00 0.00
表4 水准网平差验后单位权中误差比较表(单位：mm)
软件名称
验后单位权中误差
测站数定权距离定权
CPIII DAS 0.63 0.14
ECNAS 0.63 0.14
由此可见，在水准网平差中，ECNAS和CPIII DAS的计算结果几乎完全一致。CPIII DAS是西南交通大学专门为高速铁路CPIII控制网数据处理而研制的应用软件，能对任意水准网、CPIII平面网和常规导线网进行平差计算，现已广泛应用于高铁建设、隧道工程建设与监测和基坑监测等领域，是一款成熟的数据
处理软件，通过以上对比计算结果可证明ECNAS水准平差计算的准确性。
（2）边角网平差准确性的验证
对包含535个未知点的CPIII平面网实测数据和包含196个未知点的隧道洞内导线网实测数据，并分别采用CPIII DAS和ECNAS进行约束平差，二者在坐标平差值、方向平差值、边长平差值、点位中误差和后验单位权中误差的差异如下表5～表9所示。
表5 坐标平差值差异统计表
较差区间(mm) [0.00,0.01] (0.01,0.02] (0.02, +∞)
经验公式法X坐标较差比例98.23% 1.77% 0.00% Y坐标较差比例98.75% 1.25% 0.00%
赫尔默特法X坐标较差比例99.10% 0.90% 0.00% Y坐标较差比例99.27% 0.73% 0.00% 表6 边长平差值差异统计表
较差区间(mm) [0.00,0.01] (0.01,0.02] (0.02, +∞)经验公式法-边长平差值较差比例99.45% 0.55% 0.00% 赫尔默特法-边长平差值较差比例99.67% 0.33% 0.00%
表7 方向平差值差异统计表
较差区间(″)[0.00,0.01] (0.01,0.02] (0.02, +∞)经验公式法-方向平差值较差比例100.00% 0.00% 0.00%
表8点位中误差差异统计表
较差区间(mm) [0.00,0.01] (0.01,0.02] (0.02, +∞)经验公式法-点位中误差较差比例100.00% 0.00% 0.00% 赫尔默特法-点位中误差较差比例99.98% 0.02% 0.00%
表9 验后单位权中误差比较表
软件名称
经验公式法(″)赫尔默特法(″) CPIII网导线网CPIII网导线网
CPIII DAS 1.21 0.59 1.07 0.99
ECNAS 1.21 0.59 1.07 0.99
由此可见，在平面网平差中，ECNAS和CPIII DAS的计算结果也几乎完全
一致，验证了ECNAS的平面网平差计算结果的准确性。
（3）工程GPS网平差准确性的验证
选择3套隧道洞外GPS控制网实测数据和7套桥梁变形观测首级GPS控制网实测数据(共96个未知点)，并分别采用COSA GPS和ECNAS平差计算，并从以下几方面进行对比：
1、三维无约束平差后的空间三维坐标平差值；
2、三维无约束平差后基线分量改正数的绝对值；
3、在工程独立坐标系下二维约束平差的坐标；
4、“一点一方向”平差后的平面坐标；
5、二维约束平差后的点位中误差及单位权中误差；
6、“一点一方向”平差后的点位中误差和单位权中误差。
上述对比计算的统计结果如下表2-10～表2-15所示。
表10 三维无约束平差的坐标平差值较差统计表较差区间(mm) [0.0,0.1] (0.1,0.2] (0.2, +∞)
X坐标较差比例99.97% 0.03% 0.00%
Y坐标较差比例99.89% 0.11% 0.00%
Z坐标较差比例100.00% 0.00% 0.00%
需要说明的是，由于COSA GPS数值取位到0.1mm，关于GPS网平差的对比差异也仅取位到0.1mm。
表11 三维无约束平差后基线分量改正数的绝对值较差统计表较差区间(mm) [0.0,0.1] (0.1,0.3] (0.3, +∞)
X坐标残差较差比例98.12% 1.88% 0.00%
Y坐标残差较差比例98.37% 1.63% 0.00%
Z坐标残差较差比例97.69% 2.31% 0.00%
表12 二维无约束平差的坐标较差统计表
较差区间(mm) [0.0,0.1] (0.1,0.2] (0.2, +∞)
X坐标较差比例98.34% 1.66% 0.00%
Y坐标较差比例99.69% 0.31% 0.00%
表13 一点一方向平差的坐标较差统计表
较差区间(mm) [0.0,0.1] (0.1,0.2] (0.2, +∞)
X坐标较差比例99.71% 0.29% 0.00%
Y坐标较差比例99.57% 0.43% 0.00% 表14 二维约束平差后点位中误差较差和单位权中误差较差统计表
软件名称点位中误差单位权中误差最大差异(mm) 0.1 0.0
平均差异(mm) 0.0 0.0 表15 一点一方向平差后点位中误差较差和单位权中误差较差统计表
软件名称点位中误差单位权中误差最大差异(mm) 0.1 0.0
平均差异(mm) 0.0 0.0
通过以上对比测试，在工程GPS网平差中，ECNAS和COSA GPS的计算结果的差异极小，是数据取位和舍入造成的。而COSA GPS是由武汉大学研制的一款非常成熟的GPS网平差的商用软件，广泛应用于各种工程GPS网的数据处理中。由对比结果可验证ECNAS的GPS网平差计算结果是准确的。
3 软件的主要优势
3.1 水准网数据处理的优势
（1）能读取主流电子水准仪的原始数据，并自动生成excel观测手簿，并
能同时生成按测站数和按路线长度两种格式的平差文件。
（2）能自动统计平差文件的往返测高差较差，并按相应的规范要求进行数据质量判定，并能根据高差较差计算每千米（测站）水准测量偶然中误差。
（3）能自动搜索附合与闭合路线闭合差，并能根据闭合路线闭合差自动计算每千米水准测量全中误差。
（4）水准网的平差成果除了用文本文档自动保存外，还可以自动以excel 的形式进行保存，方便用户进行数据提取。
（5）提供方差一致性检验模块，方便用户对定权方法的选择。
3.2 平面网数据处理的优势
（1）根据平面网的平差文件，自动统计往返测边长较差，并根据相应的规范要求，判定边长质量，并计算“一次距离测量中误差”。
（2）能进行平面网的闭合环搜索，并根据角度闭合差，由菲列罗公式自动计算实际的测角中误差。
（3）经验定权平差和方差分量估计平差的平差结果均分别按文本文档形式和Word形式保存，方便数据提取。
（4）提供方差一致性检验模块，方便用户对平差方法的选择。
（5）数据输出清晰可见，工整对齐。
（6）网图显示清晰，可对控制网图进行任意的放大、缩小、平移、量距、量方位角，这都是传统软件不具有的。
（7）本软件的平面控制网平差模块计算准确，结果可靠，计算速率优于CPIII DAS和优于COSA。
3.3 全站仪三维网数据处理的优势
在保证测量精度的情况下，用三维测量技术代替“平面测量+水准测量”的传统“2+1”模式，大大的节约测量成本、提高测量效率。常见工程控制网平差软件均无此功能。
3.4 工程GPS网数据处理的优势
（1）能实现真正的同步环和异步环搜索。
（2）能根据常见GPS测量规范要求，判定基线解算质量。
（3）网平差功能完备，GPS三维平差既能在地心坐标系下进行，又能在参心坐标系下进行；工程GPS网二维平差包括约束平差和“一点一方向”两种平差模式。
3.5 友好的人机交互界面
人性化的图形显示和量测功能；数据显示界面规范、整洁、富有层次感，如下图25所示。
图25 ECNAS人机对话界面
3.6 程式化的文件管理设计
为了有序存储和管理各类控制网数据处理成果，本文把对ECNAS的所有操作设计在固定的工程项目集里。ECNAS启动后，用户必须首先建立和打开相应
的“工程”，然后才能进行其他操作，数据处理的成果将会自动保存到对应“工程”所在的目录下，如图26所示。
图26 ECNAS新建或打开工程示意图
执行“新建工程”或“打开工程”后，ECNAS将在项目文件的主目录下自动生成“水准网数据处理”、“平面网数据处理”、“三维网数据处理”、“工程GPS 网数据处理”和“坐标转换”等文件夹(如图27所示)，并在每个文件夹内，继续按数据处理的类别分别建立子文件夹，用户可通过单击主界面右侧的树状目录就能自动链接到对应的位置。这样将数据处理的各项结果分门别类的存储到对应的文件夹中，极大的方便用户对处理结果的存储、查看、对比和分析。
图27 ECNAS工程文件示意图