【正文】 鐘計(jì)數(shù)。下面的VC++代碼演示了如何獲取精確的毫秒數(shù)：LARGE_INTEGER nFreq,nBegin,nEnd。QueryPerformanceFrequency(amp。nFreq)。//獲取時(shí)鐘周期QueryPerformanceCounter(amp。nBegin)。//獲取時(shí)鐘計(jì)數(shù)Sleep(100)。QueryPerformanceCounter(amp。nEnd)。int Milliseconds=()*1000/。在測量船上需要時(shí)刻了解一些信息，如：水深是多少？船在什么位置？所以必須對測量數(shù)據(jù)（GPS數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。實(shí)時(shí)處理實(shí)質(zhì)上是一種預(yù)測。以測深為例，、tt2……時(shí)刻的水深，t是觀察時(shí)刻（即計(jì)算時(shí)的時(shí)刻），此時(shí)的水深是多少？如果船速較慢，水深變化不大，可以取t時(shí)刻的水深為t0時(shí)刻的水深，該方法最簡單，被稱為“臨近值法”，如文獻(xiàn)[29]中論述的量測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。稍微復(fù)雜點(diǎn)的是“線性外推”，即認(rèn)為t~t1的水深隨時(shí)間線性變化，從而計(jì)算出t時(shí)刻的水深，如文獻(xiàn)[30]中論述的GPS船位推算。更為復(fù)雜的計(jì)算方法是時(shí)間序列的預(yù)報(bào)[31]。實(shí)時(shí)處理是一種預(yù)測、外推，其計(jì)算精確度無法保證，所以需要后處理。測量時(shí)把測量數(shù)據(jù)全部都保存到磁盤，后處理時(shí)提取這些數(shù)據(jù)，然后內(nèi)插計(jì)算出采樣時(shí)刻的GPS天線坐標(biāo)、水深。因?yàn)槭莾?nèi)插計(jì)算，所以精確度得到了保證。數(shù)據(jù)處理中，測深數(shù)據(jù)需要特別的注意。測深數(shù)據(jù)的輸出頻率比較高，一般每秒能輸出10個(gè)測深數(shù)據(jù)。但測深數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定，粗差出現(xiàn)的概率較大。為保證水下地形的準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行粗差剔除。假定軟件1秒處理一次測深數(shù)據(jù)，則剔除粗差的步驟如下[32][33]：（1）對于不合理的數(shù)值直接剔除，如：水深值為零、測深儀標(biāo)明該數(shù)據(jù)不可靠……（2）軟件兩次處理之間積累了n個(gè)測深數(shù)據(jù)，求出這些測深數(shù)據(jù)的最大值hmax、最小值hmin、平均值havg；（3）若hmax－h(huán)min6m0（m0為測深儀的標(biāo)稱精度），說明測深數(shù)據(jù)無粗差，深度值取為平均值havg，完成測深數(shù)據(jù)的處理；（4）若hmax－h(huán)min6m0且n=2，說明無有效的深度值，終止測深數(shù)據(jù)的處理；（5）若hmax－h(huán)avghavg－h(huán)min則剔除最大的測深數(shù)據(jù)，反之則剔除最小的測深數(shù)據(jù)。測深數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)要減1，即：n=n?1；（6）重復(fù)（2）至（5）步，直至所有的粗差被剔除完畢。采用上述方法能剔除大部分的粗差，但仍可能存在奇異點(diǎn)，其原因可能是：（1）有時(shí)粗差的個(gè)數(shù)多于正常數(shù)據(jù)，導(dǎo)致程序誤判，將正常觀測值剔除，保留了粗差數(shù)據(jù)；（2）水下地形、情況比較復(fù)雜，該數(shù)據(jù)可能為水下某孤立點(diǎn)的真實(shí)測深數(shù)據(jù)。雖然它是真實(shí)的，但從水下地形應(yīng)連續(xù)、光滑的角度考慮還是應(yīng)該剔除該數(shù)據(jù)。奇異點(diǎn)的剔除一般是在數(shù)據(jù)后處理時(shí)人工進(jìn)行的。也就是說并不能靠軟件完全剔除測深數(shù)據(jù)的粗差，這方面值得進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)[1][34][35]提出了更多的方法，進(jìn)一步的研究中值得借鑒。水底地形點(diǎn)的高程一般有兩種方法獲得：一是通過GPS高程傳遞到水底，這種高程被稱為無驗(yàn)潮高程；二是通過水文站觀測的水面高程傳遞到水底，這種高程被稱為驗(yàn)潮高程。無驗(yàn)潮高程計(jì)算很簡單，而且可以實(shí)時(shí)獲得，但是由于大地水準(zhǔn)面的復(fù)雜性導(dǎo)致有時(shí)推算出來的正常高精度很差，特別在山區(qū)，這種情況尤其明顯。所以，驗(yàn)潮高程的計(jì)算還是很重要的。驗(yàn)潮高程有靜態(tài)驗(yàn)潮模型和動(dòng)態(tài)驗(yàn)潮模型[36]，常用的是靜態(tài)驗(yàn)潮模型。靜態(tài)驗(yàn)潮模型中，計(jì)算驗(yàn)潮高需要多個(gè)坐標(biāo)已知的水文站，每個(gè)水文站每隔一段時(shí)間都要測量一下水面高程。計(jì)算任一時(shí)刻t、任一位置(x,y)水面高程的步驟如下：（1）根據(jù)水文站觀測資料內(nèi)插計(jì)算出時(shí)刻t各個(gè)水文站的水面高程Hi（2）根據(jù)各個(gè)水文站的坐標(biāo)(xi,yi)及水面高程Hi計(jì)算出(x,y)的水面高程H。計(jì)算方法與高程異常的計(jì)算類似，可以使用多項(xiàng)式模型、距離加權(quán)平均模型等。 第6章軟件實(shí)現(xiàn)開發(fā)這套軟件的主要目的是協(xié)助作業(yè)人員完成水下地形的測量，具體的就是獲得水底地形點(diǎn)的施工坐標(biāo)和海拔高程。主要功能有：（1）設(shè)計(jì)工作：編輯點(diǎn)、線、文本、布置計(jì)劃線；（2）圖形、圖像的顯示、實(shí)時(shí)更新及交互；（3）定位、導(dǎo)航信息的顯示；（4）記錄原始數(shù)據(jù)；（5）后處理功能，包括驗(yàn)潮站水位的輸入、原始水深數(shù)據(jù)的編輯、采樣時(shí)刻的編輯、輸出采樣時(shí)刻的水底地形點(diǎn)坐標(biāo)。目前主流的微機(jī)操作系統(tǒng)是Windows，其開發(fā)工具現(xiàn)在非常多：、VC++、VC……從效率的角度考慮應(yīng)該使用C/C++語言，因?yàn)檐浖枰_辟多線程用于串口通訊，實(shí)時(shí)計(jì)算、更新圖形顯示……，[37]，唯獨(dú)VC++能夠生成本機(jī)代碼，其效率是非常高的。從可移植性考慮也應(yīng)該使用C/C++語言。很多操作系統(tǒng)都支持C/C++語言，并有相應(yīng)的編譯器。另外，就微軟的開發(fā)工具里面，只有VC++的向下兼容做得最好。總之，在Windows平臺下開發(fā)水下地形測量軟件，VC++是個(gè)理的選擇。VC++編程一般有兩種選擇[26]，一是使用C語言直接調(diào)用API函數(shù)，該方法生成的代碼執(zhí)行效率很高，但是難度較大，開發(fā)周期不易控制；另一種是使用微軟提供的C++類庫——MFC。MFC不僅僅包裝了很多有用的類，如：字符串類CString、數(shù)組類CArray……極大的簡化了編程，更重要的是它提供了一個(gè)框架，將一些重要的工作都包辦了，如：消息映射、傳遞等。這極大的減輕了編程人員的工作量。作者開發(fā)的水下地形測量軟件HydroSurv，使用的是VC++、在Windows2000/XP下完成編碼。軟件的主界面采用了MDI形式（），即一個(gè)主窗口中有若干子窗口，每個(gè)子窗口都有相對獨(dú)立的功能。軟件的功能主要有六個(gè)（），后繼章節(jié)將逐個(gè)介紹軟件的設(shè)置功能主要有五個(gè)（），比較重要的有兩個(gè)：坐標(biāo)系統(tǒng)和船形、設(shè)備。坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置用來輸入WGS84大地經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)和海拔高程的轉(zhuǎn)換參數(shù)。軟件里，所有的參數(shù)都在一個(gè)界面內(nèi)輸入：實(shí)際工程中，將WGS84大地經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)的方法是多種多樣的，有些轉(zhuǎn)換方法是無法用上面的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置完成的。這時(shí)，可以使用外部模塊來完成這種特殊的轉(zhuǎn)換。外部模塊就是有特定接口函數(shù)的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，可以按實(shí)際工程的需要靈活定制。船形、設(shè)備需要設(shè)置船體的外形（長和寬），作業(yè)時(shí)用于顯示船體。還需要添加設(shè)備，可以添加1~2臺GPS接收機(jī)，多臺測深儀。每個(gè)設(shè)備都需要提供精確的船體坐標(biāo)，便于完成GPS坐標(biāo)的傳遞。、設(shè)備水下地形測量之前，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。其中，布設(shè)計(jì)劃線是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)[2]。所謂計(jì)劃線就是事先設(shè)計(jì)好，測圖時(shí)讓測量船行走的直線段，以保證測得的水底地形點(diǎn)在測區(qū)內(nèi)分布均勻、合理。軟件里提供了四種布線方式。平行布線垂直布線扇形布線區(qū)域布線點(diǎn)、折線段的增加參考了AutoCAD，可以使用鼠標(biāo)增加，也可以通過命令窗口增加：此外，軟件還具有撤銷、重復(fù)功能，極大的方便了用戶的設(shè)計(jì)工作。該功能的實(shí)現(xiàn)請參考文獻(xiàn)[38]。圖形顯示對用戶而言非常重要。首先要保證顯示正確、更新及時(shí)，其次要盡量簡略、美觀。BMP旋轉(zhuǎn)位圖的顯示屬于圖像變換，軟件采用了逆向映射的方法，即：將屏幕上的一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)映射到BMP位圖，然后通過圖像重采樣計(jì)算出該像素點(diǎn)的顏色值，最后將其顯示到屏幕上。圖像重采樣的方法很多，如：最鄰近插值、雙線性內(nèi)插、雙三次樣條函數(shù)內(nèi)插、三次卷積等。HydroSurv中使用了最簡單、效率最高的最鄰近插值。圖形的顯示采用了雙緩存技術(shù)：將顯示的內(nèi)容畫到內(nèi)存中，然后一次性提交到顯卡內(nèi)存中。這么做增大了軟件的內(nèi)存開銷，但是優(yōu)點(diǎn)也是很多的：首先是防止了屏幕閃動(dòng)，給用戶的感覺比較好；其次是提高了繪制效率。測量作業(yè)時(shí)，屏幕需要不斷的刷新，如果全部重新畫一遍其效率是很低的，比較好的做法是將不經(jīng)常變動(dòng)的內(nèi)容，如：DXF矢量圖、BMP位圖等緩存到內(nèi)存A中，重繪的時(shí)候?qū)?nèi)存A中的內(nèi)容緩存到內(nèi)存B中，然后以內(nèi)存B為畫板進(jìn)行重繪，如：畫船體、畫記錄點(diǎn)，最后將內(nèi)存B中的內(nèi)容提交到顯卡的內(nèi)存中。這樣，每次的重繪內(nèi)容就非常少了，將極大的提高重繪效率。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理包括兩大部分：數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)讀取在單獨(dú)的線程里，一旦獲得串口數(shù)據(jù)立即進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)保存到原始記錄文件中以便后處理。解析串口數(shù)據(jù)后，將GPS坐標(biāo)、速率、方向、衛(wèi)星信息、水深數(shù)據(jù)等保存到內(nèi)存變量中。數(shù)據(jù)處理是定時(shí)進(jìn)行的，如：1秒進(jìn)行一次。從狀態(tài)變量中獲得各種據(jù)，如：GPS坐標(biāo)、速率、方向……進(jìn)行GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、GPS坐標(biāo)傳遞（就是確定船體坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系）、水深粗差剔除、動(dòng)態(tài)吃水改正。接著計(jì)算出水底地形點(diǎn)的施工坐標(biāo)及無驗(yàn)潮高程，并輸出到實(shí)時(shí)記錄文件。實(shí)時(shí)記錄文件為文本文件，格式如下：時(shí)刻,設(shè)備號,點(diǎn)號,X,Y,H,W,深度,船速,船體抬高D,水深=深WD08032315:33:,2,1,,0,:34:,2,2,,0,:34:,2,3,,0,:34:,2,4,,0,最后，更新各子窗口的顯示。主要的子窗口顯示如下：GPS接收機(jī)該窗口顯示了GPS接收機(jī)的相關(guān)信息，如：坐標(biāo)、解狀態(tài)、衛(wèi)星分布圖等。測深儀該窗口顯示了換能器的施工坐標(biāo)及水深值，還有1分鐘內(nèi)的測深數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化圖。警告作業(yè)人員應(yīng)根據(jù)程序的警告進(jìn)行錯(cuò)誤排除，確保硬件沒有問題。導(dǎo)航該窗口以數(shù)據(jù)形式通知作業(yè)人員應(yīng)該如何調(diào)整船姿，以便到達(dá)既定目標(biāo)，或按計(jì)劃線行駛。移動(dòng)船體該窗口以圖形方式通知作業(yè)人員應(yīng)該如何調(diào)整船姿。 GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)記錄的點(diǎn)，水深數(shù)據(jù)中可能含有粗差，其高程是GPS測出來的無驗(yàn)潮高程。如果需要人工剔除水深粗差或獲取驗(yàn)潮高程，則必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，其步驟為：輸入驗(yàn)潮站的水面高程觀測記錄，即輸入n組數(shù)據(jù)(ti,Hi)表示ti時(shí)刻的水面高程為Hi；編輯原始記錄文件，將水深粗差人工剔除掉，；確定采樣時(shí)刻，如：想輸出07年05月17日15時(shí)33分22秒換能器對應(yīng)的水底地形點(diǎn)坐標(biāo)，則可以增加采樣時(shí)刻070517 15:33:22。一般采樣時(shí)刻都是測深數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)刻。，用戶可以使用鼠標(biāo)拖動(dòng)來調(diào)整、刪除采樣時(shí)刻；程序內(nèi)插計(jì)算并輸出每個(gè)采樣時(shí)刻對應(yīng)的數(shù)據(jù)。共有13項(xiàng)，分別為：（1）序號（2）時(shí)刻（3）X（4）Y（5）換能器H（6）換能器W（7）深度（8）船速(m/s)（9）船體抬高D（10）水深=深度WD（11）無驗(yàn)潮水底高程=H深度（12）驗(yàn)潮水面高（13）驗(yàn)潮水底高=驗(yàn)潮水面高水深水底地形點(diǎn)的坐標(biāo)為第11項(xiàng)數(shù)據(jù)（無驗(yàn)潮高程）或第13項(xiàng)數(shù)據(jù)（驗(yàn)潮高程）。實(shí)際應(yīng)用軟件前必須對軟件進(jìn)行大量、嚴(yán)格的測試。測試工作分為兩步：一是室內(nèi)模擬測試；二是實(shí)地聯(lián)機(jī)測試。首先需要在室內(nèi)進(jìn)行模擬測試，就是給軟件發(fā)送模擬的串口數(shù)據(jù)。測試步驟為：軟件內(nèi)部生成模擬的串口數(shù)據(jù)，不通過串口，直接發(fā)送給軟件處理。目的就是要檢測軟件能否正確完成GPS定位、GPS坐標(biāo)傳遞、更新各個(gè)子窗口的顯示，以及正確無誤的記錄實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)及原始的串口數(shù)據(jù)；使用串口通訊程序給軟件發(fā)送串口模擬數(shù)據(jù)。目的就是檢測軟件能否正確的讀取、解析串口數(shù)據(jù)。另外，軟件使用了多線程讀取串口數(shù)據(jù)，因此，需要長時(shí)間運(yùn)行測試，保證軟件的穩(wěn)定性，及實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的高效性。室內(nèi)模擬測試無需相關(guān)的人力、物力、儀器配合，因而經(jīng)濟(jì)成本非常低。同時(shí)，它考慮的情況非常全面，如：可以考慮到測量船在西半球……，所以，經(jīng)過這輪測試，軟件在正確性、穩(wěn)定性上都得到了保證。僅僅在室內(nèi)模擬測試是不夠的，因?yàn)橛行┕δ鼙仨殞?shí)際連接儀器才能測試，如：控制測深儀打標(biāo)。還有就是實(shí)際作業(yè)時(shí)的情況非常復(fù)雜，有許多意想不到的因素[40]，如：測量船上的各種連接線比較多，有可能把接口弄錯(cuò)了；測量船上的發(fā)動(dòng)機(jī)對GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈有干擾，導(dǎo)致無法差分定位；因此，必須在測量船上實(shí)際聯(lián)機(jī)測試，確保軟件能夠長時(shí)間、正確、穩(wěn)定地運(yùn)行。實(shí)地聯(lián)機(jī)測試需要大量的人力、物力、儀器配合，因而經(jīng)濟(jì)成本非常高，所以應(yīng)盡量將測試工作放在室內(nèi)完成。事實(shí)上，如果室內(nèi)測試工作做得好，實(shí)地聯(lián)機(jī)測試會相當(dāng)?shù)捻樌?，會極大地縮短測試周期、降低測試成本。實(shí)際測試?yán)樱?008年5月10日，作者在連云港某水域?qū)浖M(jìn)行了聯(lián)機(jī)測試。，它記錄了測深儀換能器的運(yùn)行軌跡，共有左右兩條。每個(gè)記錄點(diǎn)都顯示了設(shè)備號、點(diǎn)號、水底地形點(diǎn)的無驗(yàn)潮高程，如：21表示設(shè)備號為2，1表示點(diǎn)號。經(jīng)過大量的室內(nèi)測試及多次的實(shí)地測試，可以證明本文所實(shí)現(xiàn)的水下地形測量軟件是穩(wěn)定、可靠的，完全可以應(yīng)用于實(shí)際水下地形測量作業(yè)。第7章總結(jié)本文對水下地形測量中的有關(guān)理論和技術(shù)問題進(jìn)行了研究，并在研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套實(shí)用的水下地形測量軟件——HydroSurv。主要研究成果如下：系統(tǒng)研究了水下地形測量中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)傳遞、導(dǎo)航計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等方面的理論和算法；證明了由空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)的迭代公式(223)是一定會收斂的；闡述了七參數(shù)的兩種模型：布爾莎模型和DSNP+模型；研究了七參數(shù)求解時(shí)的法方程病態(tài)問題，并提供了解決方案；研究了七參數(shù)求解時(shí)的最小二乘約束問題。最后，通過一個(gè)例子說明了這些問題；對子午線弧長、底點(diǎn)緯度的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，并給出了C++代碼；高程異常的插值計(jì)算中，重點(diǎn)研究了雙三次多項(xiàng)式內(nèi)插，并推導(dǎo)出了計(jì)算公式；研究了GPS坐標(biāo)傳遞到測量船的問題，建立了船體坐標(biāo)系，就以下幾種情況進(jìn)行了描述，并給出了計(jì)算方法：（1）測量船上只有一臺GPS（2）測量船上有兩臺GPS（3）測量船上有兩臺GPS，并有傾斜儀（4）測量船上有姿態(tài)儀對導(dǎo)航計(jì)算