摘  要：大地測量數(shù)據(jù)處理已向自動化處理方向發(fā)展，要求數(shù)據(jù)處理人員具有軟件設(shè)計(jì)綜合能力，各種軟件設(shè)計(jì)新技術(shù)的出現(xiàn)，使開發(fā)人員應(yīng)接不暇。從軟件開發(fā)方法、軟件重用、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和算法設(shè)計(jì)基本原則等方面對大地測量軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并初步給出了相關(guān)問題的解決策略，介紹了這些方法在高精度重力網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用實(shí)例.
關(guān)鍵字：軟件開發(fā)  數(shù)據(jù)庫  軟件重用  算法設(shè)計(jì)  大地測量數(shù)據(jù)處理

1 引言
隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，需要大地測量數(shù)據(jù)處理軟件具有強(qiáng)大的功能和方便的操作，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)快速開發(fā)的要求，各種開發(fā)工具的不斷涌現(xiàn)，使測量軟件開發(fā)人員應(yīng)接不暇。但每種工具都有其開發(fā)的強(qiáng)項(xiàng)，如MAPINFO 適合開發(fā)桌面地理信息系統(tǒng)[1]，POWER BUILDER（PB）適合開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理[2]，VISUAL C++適合開發(fā)WINDOWS應(yīng)用，F(xiàn)ORTRAN適合開發(fā)科學(xué)計(jì)算，各種數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)管理提供了強(qiáng)有力的工具。開發(fā)大地測量數(shù)據(jù)處理軟件的人員一般是測量專業(yè)人員，對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識的培訓(xùn)較少，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理算法往往憑數(shù)學(xué)公式來設(shè)計(jì)，算法穩(wěn)定性差，計(jì)算誤差比較大。另一方面，前人采用各種開發(fā)工具，完成了許多成熟的專業(yè)軟件。怎樣使測繪專業(yè)人員在最短的時間內(nèi)充分整合好這些開發(fā)工具的優(yōu)勢，利用寶貴的現(xiàn)有軟件，開發(fā)出功能強(qiáng)大、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)的軟件，在工作實(shí)踐中，我們進(jìn)行了一些探索。本文從軟件開發(fā)方法、軟件新技術(shù)和算法設(shè)計(jì)原則等方面討論了大地測量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)的方法，介紹了這些方法在高精度重力網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用實(shí)例。
2 軟件開發(fā)方法
2.1 結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法
結(jié)構(gòu)化開發(fā)方法是一種傳統(tǒng)的方法，是為廣大系統(tǒng)開發(fā)人員所熟悉的基本方法。它采用自上而下、逐步求精的思想，將系統(tǒng)功能按層次進(jìn)行分解。
在系統(tǒng)分析階段，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)能夠“做什么”；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)“如何做”，界面清晰，易于理解，采用圖示工具附加語義說明的方法闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，便于系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶的相互交流，對系統(tǒng)的一致性理解。采用的主要方法有：數(shù)據(jù)流圖法（DFD）、結(jié)構(gòu)化分析/結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法（SA/SD）、IDEF法、Jachson法等[3]。該方法的核心在于將系統(tǒng)中的功能與數(shù)據(jù)分割開來。為開發(fā)大地測量數(shù)據(jù)處理軟件，在開發(fā)之前必須詳細(xì)了解大地測量數(shù)據(jù)處理的全過程和細(xì)節(jié)，并且認(rèn)真分析，了解測量各專業(yè)的發(fā)展方向。
2.2 面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法
面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法是著重解決系統(tǒng)需求變化和維護(hù)困難等問題發(fā)展起來的一種新的軟件開發(fā)方法，基本要點(diǎn)是：
在系統(tǒng)分析階段，用問題空間中實(shí)體及其相互關(guān)系建立系統(tǒng)邏輯模型，以一種更加自然的方式描述系統(tǒng)需求和體系結(jié)構(gòu)。由于空間問題中的對象是相對穩(wěn)定的，即使有變化，通常只影響系統(tǒng)局部或系統(tǒng)需求變化的局部化，從而使系統(tǒng)具有一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是對分析階段達(dá)到的邏輯模型的細(xì)化和實(shí)例化[3]。以重力點(diǎn)為例，定義測點(diǎn)有經(jīng)度、緯度、高程等屬性，有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作；以測點(diǎn)為父類，重力點(diǎn)繼承他的屬性，增加專有屬性重力值，增加重力異常、高程異常、垂線偏差計(jì)算等操作，最終以代碼的形式出現(xiàn)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模型中，使得分析與設(shè)計(jì)具有無縫連接，如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換有問題，僅在測點(diǎn)類中修改，而不在重力點(diǎn)對象中修改，系統(tǒng)易于測試和維護(hù)。
系統(tǒng)開發(fā)過程是系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試等一系列模型的細(xì)化過程，可以有效解決系統(tǒng)復(fù)雜性問題。同時，構(gòu)成系統(tǒng)基本單元——對應(yīng)，有利于被設(shè)計(jì)成具有標(biāo)準(zhǔn)界面的軟件構(gòu)件，即把對象和操作封裝在一起，對重力點(diǎn)對象來說，就把重力點(diǎn)和它的計(jì)算——重力異常、高程異常、垂線偏差等計(jì)算的程序封裝在一起，以后要計(jì)算重力異常、高程異常、垂線偏差等，只要調(diào)用這個對象就行，使之具有一定程度的可重用性，為軟件開發(fā)的規(guī)模化奠定基礎(chǔ)。
3 軟件開發(fā)新技術(shù)
一種開發(fā)工具理論上能開發(fā)功能較多的應(yīng)用程序，同時不同的開發(fā)工具理論上能開發(fā)功能相同的應(yīng)用程序。如VC和匯編語言理論上都能開發(fā)完成一種應(yīng)用程序，但開發(fā)難度和工作量會大大不同。在進(jìn)行軟件開發(fā)時，通常采用不同的開發(fā)工具，充分利用各工具的開發(fā)優(yōu)勢，既快又好地開發(fā)出一個功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。
3.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)
在一般的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，由應(yīng)用程序自己管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不共享，數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，必須對應(yīng)用程序做相應(yīng)的修改，這樣，造成軟件的適應(yīng)范圍差。在實(shí)際應(yīng)用中需要信息資源的共享，關(guān)鍵是要有好的數(shù)據(jù)接口技術(shù)與接口標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。
采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，存取數(shù)據(jù)的方式非常靈活，可以存取數(shù)據(jù)的一個數(shù)據(jù)項(xiàng)、一組數(shù)據(jù)項(xiàng)、一條記錄等。數(shù)據(jù)共享性好，冗余度低，能夠避免數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一致性。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)總體邏輯結(jié)構(gòu)與局部邏輯結(jié)構(gòu)的對應(yīng)轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時可以保證數(shù)據(jù)局部結(jié)構(gòu)不變，應(yīng)用程序就不用修改；另外，數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)具有映射功能，當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，不影響數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)與程序間存在獨(dú)立性，簡化了程序的編制、維護(hù)和修改。此外，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)完整性、安全性等控制，能充分保證數(shù)據(jù)的安全、恢復(fù)以及多用戶同時使用等。
建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)信息模型方法主要有ER法和IDEF1X方法，用范式1NF——5NF對信息模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)數(shù)據(jù)局部邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)[7]。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD和桌面地理信息系統(tǒng)MAPINFO中就采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，才使該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的實(shí)用功能。
3.2 軟件重用技術(shù)
3.2.1  DLL模式
動態(tài)鏈接庫DLL（dynamic link library），像靜態(tài)鏈接庫一樣，是函數(shù)的集合。當(dāng)一個應(yīng)用程序使用動態(tài)鏈接庫的函數(shù)時，該函數(shù)不包含在可執(zhí)行程序中，只有當(dāng)應(yīng)用程序用到庫中的函數(shù)時才將其調(diào)入內(nèi)存中。這種鏈接方式稱為動態(tài)鏈接。
采用這種方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省時間和空間、無需要再鏈接、共享代碼和數(shù)據(jù)、維護(hù)獨(dú)立、功能擴(kuò)展，提高了程序開發(fā)的效率。
DLL的位置：DLL應(yīng)放在執(zhí)行文件目錄、當(dāng)前目錄、Windows目錄、Windowssystem目錄和在path中指定的路徑目錄下，查找順序由前到后。注意：不要在以上目錄保存多個版本的DLL，否則可能引起混亂。
目前大多數(shù)應(yīng)用程序和開發(fā)工具能提供DLL編譯能力，提供__fastcall、__pascal、__stdcall、__cdecl等參數(shù)調(diào)用約定，能實(shí)現(xiàn)多種語言的混合編程。在測繪各專業(yè)中，有許多用FORTRAN77編寫的經(jīng)典程序，對他們進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模�就能被其它語言調(diào)用，這樣就有效的保護(hù)和利用已有的成果。
3.2.2  Active X 、OCX模式
動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE（dynamic data exchange ）是使用基于消息機(jī)制來實(shí)現(xiàn)兩個不同Windows應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交換的工具。通過使用API可調(diào)用DDE動態(tài)庫DDEML，這樣使DDE服務(wù)過程簡單化，通過DDE技術(shù)，有利于應(yīng)用程序間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和命令。通過這種方法，使應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程執(zhí)行命令或檢查錯誤等。在DDE中，一個應(yīng)用作為客戶端，另一個應(yīng)用作為服務(wù)器，他們通過事務(wù)進(jìn)行通信。一個客戶端應(yīng)用向支持DDE的另一方（服務(wù)器）發(fā)出請求，請求可以是數(shù)據(jù)也可以是命令（如：打開、關(guān)閉、保存等）。一個服務(wù)方應(yīng)用是相對于客戶端的另一方，它響應(yīng)客戶端的請求，依據(jù)客戶端請求，向它提供數(shù)據(jù)和服務(wù)（可以是命令）。
OCX、ActiveX 是建立在對象連接和嵌入OLE（object linking and embedding）基礎(chǔ)上的，得到廣泛支持的面向?qū)ο蟮能浖�集成技術(shù)，用戶像用磚塊蓋房子一樣來組合軟件和應(yīng)用程序。
在許多開發(fā)工具中都提供了ActiveX能力和調(diào)用ActiveX、OCX的能力，如visual c++、visual basic、dephi等。許多專業(yè)公司提供了眾多的ActiveX、OCX控件，如MAPINFO 、ERSI 的MapObjects和MICRSOFT 的COMMON.OCX等眾多的控件可以被調(diào)用。
3.3 基于網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
分布式系統(tǒng)突出的特點(diǎn)在于構(gòu)成系統(tǒng)的各部分在地域上的分散性、自治性及各部分之間相互聯(lián)系與制約所表現(xiàn)出來的功能與性能的綜合性。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的分布性和功能分布性等特點(diǎn)。比較適合的計(jì)算模型有兩種，一種是客戶—服務(wù)器模式（client/sever,C/S）；另一種是客戶—代理—服務(wù)器模式（client/broker/server,C/B/S）[8]。
C/S模式通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用機(jī)制（RPC）和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口（API）實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)是處理能力強(qiáng)、方便的資源共享、可以預(yù)測響應(yīng)時間。缺點(diǎn)是系統(tǒng)維護(hù)困難。
C/B/S模式是指在客戶與服務(wù)器間加入代理（broker），是客戶與服務(wù)器之間具有動態(tài)的可變的關(guān)系，支持同步與異步通信。可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可重用性強(qiáng)。
充分利用好軟件發(fā)展中各種成熟的新技術(shù)，不僅能有效利用和保護(hù)早期的成果，關(guān)鍵是能有效提高開發(fā)速度，使應(yīng)用程序具有良好的可維護(hù)性，對系統(tǒng)的部分修改，不影響系統(tǒng)的正常使用。
4 大地測量數(shù)據(jù)處理軟件算法設(shè)計(jì)原則
4.1 大地測量數(shù)據(jù)處理的工作模式
用計(jì)算機(jī)來處理大地測量的各種信息，就是對獲得的觀測信息網(wǎng)絡(luò)的分析、處理、對多種成果的綜合應(yīng)用等問題進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，最后得到需要的計(jì)算結(jié)果（如概算值、平差值和其它產(chǎn)品等）。其具體的工作方式如下：
4.2 大地測量數(shù)據(jù)處理誤差來源
任何一個用計(jì)算機(jī)來處理的測量問題都必須經(jīng)過上述五步，缺一不可。數(shù)值計(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)是由掌握計(jì)算機(jī)知識較多的人員進(jìn)行，這兩步往往合為一步。因此誤差來源主要由觀測誤差、模型誤差和計(jì)算誤差組成[9-11]。
觀測誤差是由于實(shí)際問題的各種觀測方法、觀測儀器和環(huán)境等造成的，其限差都有相應(yīng)的規(guī)范。模型誤差是對實(shí)際問題的數(shù)學(xué)抽象而產(chǎn)生的誤差。實(shí)際測量問題和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理方案是幾代測繪專家多年的研究成果，其誤差有專門的研究，現(xiàn)有的誤差肯定已經(jīng)減小到最小。它們在大地測量數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)中可以不必考慮。
計(jì)算誤差是對數(shù)學(xué)處理方案的理解和對方案進(jìn)行程序設(shè)計(jì)而引起的誤差，它包括截?cái)嗾`差和舍入誤差。當(dāng)數(shù)學(xué)模型得不到精確解時，要用數(shù)值計(jì)算方法求出它得近似解，由此產(chǎn)生的誤差叫截?cái)嗾`差或方法誤差。由于任何計(jì)算機(jī)的字長都是用有限的，原始數(shù)據(jù)的輸入和浮點(diǎn)運(yùn)算過程中都可能產(chǎn)生誤差，只能用有限的數(shù)來代替無窮小的數(shù)，這樣產(chǎn)生的誤差叫舍入誤差。成千上億次計(jì)算，對精度可能有較大的影響。所以在數(shù)值計(jì)算中對截?cái)嗾`差和舍入誤差應(yīng)給予足夠的重視，我們可以通過對算法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)來進(jìn)行控制。
4.3 大地測量數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)原則
算法是對一些數(shù)據(jù)按某種規(guī)定的順序進(jìn)行運(yùn)算的序列。一個算法，如果計(jì)算結(jié)果受誤差的影響小，就稱這個算法具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。如果受誤差的影響較大，則稱這個算法的數(shù)值穩(wěn)定性差。在大地測量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)中，要設(shè)計(jì)具有數(shù)值穩(wěn)定性好的算法，必須遵守如下基本原則：
a、充分利用原始觀測數(shù)據(jù)，減少程序舍入誤差。
b、避免數(shù)值相近的兩個數(shù)相減。
c、注意調(diào)整變量計(jì)算順序，保護(hù)重要數(shù)據(jù)，防止數(shù)值較大的數(shù)“吃掉”較小的數(shù)。
例如：6378140 + 0.000001 + 0.000002 +0.000004 + 0.000003，如直接計(jì)算，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)通過對階，就可能丟掉后面的小數(shù)，而應(yīng)通過改變計(jì)算次序，變?yōu)?378140 + （0.000001 + 0.000002 +0.000004 + 0.000003）。
d、注意簡化計(jì)算步驟，減少運(yùn)算次數(shù)，利用好的算法，避免誤差積累。
在大地測量數(shù)據(jù)處理中， 這類計(jì)算是較多的，如直接計(jì)算，要進(jìn)行n(n+1)/2次加乘法和n次加法。如改變計(jì)算次序，則 ，則只進(jìn)行n次加法和n次乘法。如在程序循環(huán)中，則能顯著提高計(jì)算速度并減少誤差積累。
e、算法設(shè)計(jì)中，注意避免絕對值較小的數(shù)作除數(shù)。
f、在比較兩數(shù)是否相等時，不要用浮點(diǎn)數(shù)，而采用整型數(shù)或比較兩數(shù)的差值小于一個更小量級微小數(shù)的方法。
5 開發(fā)實(shí)例
在“高精度重力網(wǎng)數(shù)據(jù)處理” 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，充分采用了結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο箝_發(fā)方法和數(shù)據(jù)庫技術(shù)、DLL、Active X和網(wǎng)絡(luò)分布技術(shù)等新技術(shù)。采用Sybase數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來管理高精度重力網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件中所需要的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)相對獨(dú)立和安全；用FORTRAN來開發(fā)系統(tǒng)預(yù)處理和平差程序，編譯成DLL供PB調(diào)用，解決PB計(jì)算能力相對較差的問題；用PB來開發(fā)應(yīng)用程序主框架，采用了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，利用C/S模式對后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并從數(shù)據(jù)庫提取計(jì)算處理所需要的數(shù)據(jù)，再用處理后的結(jié)果更新數(shù)據(jù)庫；在用PB來開發(fā)應(yīng)用程序中插入Active X地理信息系統(tǒng)圖形控件MapX，進(jìn)行地理圖形功能開發(fā)，使整個系統(tǒng)具有簡單的GIS功能。通過應(yīng)用2000國家重力基本網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的實(shí)踐，充分說明了系統(tǒng)具有功能齊全，穩(wěn)定性強(qiáng)，計(jì)算精度高等特點(diǎn)。