（大地测量学与测量工程专业论文）高精度施工控制网平差系统的研究与开发.pdf

摘簧 摘要 本文以控制网平差、粗差探测、图形学和计算机技术为基础，重点对高精度 施工控制蚓平差瑷论翻系统开发拨本进行了磅究积探讨。在分毫厅翻总结了国内外 有关控制网平羞系统的开发经验和理论研究成果的基础上，对高精度施工控制网 乎莲系统避行了设计与开发。其主要研究内容如下： 1 根据系统开发的目标和要求，分析和设计了“高精度施工控制网平麓系统” 的总体结擒，并详细阐述了系统器部分的主要功能。 2 研究了租麓识鄹的邋论和方法，分柝了经典粗差探溺方法的缺点与不足， 探讨了带权数据搽测法的改进途径，并通过实例进行了分析与验证。 3 翻翔计算梳图形学的基本知识，改避了蚕影数据豹存健方式，疆究了点霞 关系的判断方法。利用图论中的d i j k s t r a 算法，研究了自动寻找控制网中最短 瓣合路线鹣算法，并霹支撵霹燕弦法帮瓣凝列d i j k s t r a 箨法垂动判瑟最，l 、阙台 环进行了深入的研究。还结合实例深入研究了自动判断控制网中三角形闭合差、 投条髂等豹方法。 4 分析了施工控制网优化设计与平麓的特点，运用数据库技术，对平差系统 豹数据瘁缝搀进行了详爨设计。 5 研究了实现数据的可视化输入、输出与管理等功能的方法和过程：并利用 控割网豹蜒影强，实现了乎差信感麴匿形查询等动能。 6 基于可视化技术和控制网优化设计理论，研究了系统中依靠控帝点略图 进行控制嘲优化设计的原理与实现方法。 关键诵：施工撩涮网平差獠差剩除计算橇圈形攀图论数据露霹橇 化优化设计 a b s t r a c l 一_w_-_一 a b s t r a c t b a s e do nt h ea d j u s t m e n tt h e o r yf o rc o n t r o ln e t w o r k ，t h et h e o r yf o rg r o s se r r o r s n o o p i n g ，t h e g r a p h i c st h e o r ya n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，t h ea d j u s t m e n tt h e o r i e sa n ds y s t e me x p l o i t i n g t e c h n o l o g yo fh i g hp r e c i s i o nc o n s t r u c t i o nc o n t r o ln e t w o r ka r em a i n l yr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n te x p e r i e n c ea n dt h e o r i e sp r o d u c t i o no fa d j u s t m e n t s y s t e mi n t h ew o r l da r e a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h e n ，t h ea d j u s t m e n ts y s t e mf o rh i g hp r e c i s i o nc o n s t r u c t i o nc o n t r o l n e t w o r ki sd e s i g n e da n d e x p l o i t e d ，t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 1 a c c o r d i n g 心t h ea i mo ft h es y s t e m ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea d j u s t m e n ts y s t e mo f 蕊西 p r e c i s i o nc o n s l r u e t i o nc o n t r o ln e t w o r ki sa n a l y z e da n dd e s i g n e d ，a n dt h em a i nf u n c t i o no fe v e r y p a r t si se x p l a i n e d 2 t h et h e o r ya n dm e t h o d so fg r o s se r r o ri d e n t i f y i n ga r es t u d i e d t h ed i s a d v a n t a g e sa n d s h o r t a g e so ft h e c l a s s i c a l g r o s ss n o o p i n gm e t h o d s a r e a n a l y z e d 。t h ei m p r o v e m e n to fd a t a s n o o p i n gm e t h o dw i t hw e i g h t i s d i s c u s s e d ，a n d i ti sc o n t r a s t e da n dp r o v e dw i t ham a s so f e x a m p l e s 3 w i t hu s i n gc o m p u t e r g r a p h i c s ，t h es a v i n gm o d eo f g r a p hd a t ai si m p r o v e d t h em e t h o do f e s t i m a t i n gp o i n tc o n n e c t i o ni ss t u d i e d w i t hu s i n gt h ed i j k s t r aa l g o r i t h mi ng r a p ht h e o r y , t h e a r i t h m e t i co fl o o k i n gf o rt h el e a s tc o n n e c t i n gr o u t ei nc o n t r o ln e t w o r ki ss t u d i e d t h ea d d i n g c h o r di ns p a n n i n gt r e ea n da d d i t i o n a lc o l u m nd i j k s t r aa l g o r i t h mi sm a i n l ys t u d i e dt oj u d g et h e l e a s t i n d e p e n d e n tc l o s el o o p b e s i d e s ，t h em e t h o d so fj u d g i n gt h ee r r o ro ft r i a n g l e so fc l o s u r e a n ds i d ec o n d i t i o ni nc o n t r o ln e t w o r k a u t o m a t i c a l l ya r ed i s c u s s e dw i t he x a m p l e s ， 4 t h ed a t a b a s e c o n f i g u r a t i o no ft h ea d j u s t m e n ts y s t e m i s d e s i g n e d ，w i t ha n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f o p t i m i z i n gd e s i g na n da d j u s t m e n tf o rc o n s t r u c t i o nc o n t r o ln e t w o r k a n du s i n gt h e d a t a b a s et e c h n o l o g y 5 t h em e t h o d sa n dp r o c e s so f v i s u a l i z i n gi n p u t , o u t p u ta n dm a n a g e m e n ta r er e s e a r c h e d t h e f u n c t i o n ss u c ha sg r a p h i c si n q u i r i n gc o m e t r u e 酶u s i n g t h e f i g u r eo f c o n t r o l n e t w o r k 。 6 b a s e do nt h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e o p t i m i z i n gd e s i g nt h e o r yf o rc o n t r o ln e t w o r k ， t h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n tm e t h o d so fo p t i m a ld e s i g nf o rc o n t r o ln e t w o r ka 掉s t u d i e dw i t ht h e r e f e r e n c ep o i n tg r a p h i c si nt h es y s t e m k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o n c o n t r o l n e t w o r k ，a d j u s t m e n t ，g r o s s e r r o r e l i m i n a t i o n ，c o m p u t e r g r a p h i c s ，g r a p ht h e o r y , d a t a b a s e ，v i s u a l i z a t i o n ，o p t i m a ld e s i g n l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 施工控制网在工程施工，特别是大型工程施工中起着至关重要的作用。施工 控制网的质量直接决定着工程整体施工的质量，控制网平差工作是施工控制网建 立过程中的一项重要内容。因此，研制高精度施工控制网平差系统具有很高的理 论意义与实用价值。 改革开放以来，我国的经济快速增长，国家不断加大对基础设施的投资，我 国进入了建设的高潮期，以三峡工程、杭州湾跨海大桥、润扬长江公路大桥、京 沪高速铁路等工程为代表的大型水电站、大型桥梁、高速公路铁路等基础设施的 建设飞速增长，并取得了很大的成就。据统计，截止2 0 0 3 年底，我国已建成各 类水库8 5 2 8 8 座，其中仅大型水库就有4 8 7 座；已建成公路、铁路各式桥梁2 8 4 万余座，1 1 0 0 余万米，其中，特大型桥梁1 6 3 2 座，大型桥梁1 4 4 2 9 座。为人民 的生活提供了便利，为国家的综合实力和经济的增长奠定了基础，在国民经济建 设中发挥着重要的作用。 由于这些大型工程施工期长，精度要求高，而且一旦发生事故，将对人民的 生命财产造成巨大的损失。因此大型工程对施工控制网的建立与维护有着极高的 要求。控制网的优化设计与后期平差工作量很大，随着计算机科学技术的飞速发 展，传统的手工计算早已被计算机机助设计所取代。将计算机应用于控制网优化 设计与平差工作中，大大减轻了平差工作的强度，提高了计算的精度和速度，增 强了结果的可靠性，大幅缩短了计算周期，将测量工作带入了一个崭新的时代。 然而，近年来，我国工程施工的科学化、规范化和现代化对测量工作提出了新的 要求，原有的测量平差系统己经暴露出一些缺点与不足，急需对原有系统进行升 级改造或开发新的系统。 1 2 系统开发的目的与意义 控制网优化设计与平差工作是建立控制网过程中的一项重要工作，一个工程 特别是大型工程，如水电站、大型桥梁等必须在各个阶段根据实际情况建立合理 可靠的、不同类型的高精度控制网才能保证施工的顺利进行，才能建成一项合格 的、高质量的1 程。 首先，在工程规划及设计阶段，需要建立测图控制网来进行大比例尺地形图 的绘制以及地质状况的勘探，根据实地情况在地形图上进行区域规划与建筑物设 汁，以求得计算挖方与填方量等设计所依w 的各项数撕，根撕阳作量，合理制订 篪l ：跨戈l ，缓织a 曼谰波，安撂施工避度。杰这令羚段内，测黟控测嬲的精发决 定荇地形阁的精度年霜番幅地形圈之间的准确拼接。同时，测翻控制喇也是捌应地 籍测量昀依据。 其次，在旌工过程当中，要建立商糙度盼施。：控制网。根据没汁t 蹲，实地组 织蘧将窝纸上设谤麴建筑键放榉到实际薤王区域中去。这是工程麓工觳为蕈 要的阶段，决定着工程的整体质量，施j ，控制嗣遐+ 切施工活动的基础，决定瑙 工程的整体精度，并为日后工程验收提供了依搬。因此，要有相应精度的施一j ：控 制喇敢：为僳涯。 袋盾，由于在藏工除段改变了她蕊的琢有状态，加之建筑物本身的重鬣将会 引起地基及周围地层的不均匀变化，从而引起建筑物本身的变彤。因此，在施工 过程中及竣工后的运营阶段，需要建立变形监测专用控制网，对建筑物进行渤态 薹矗涮，实符售怠仡麓工，疆袋反馈醢惑，及时发瑗溺题，疑嚣攒嚣蓬王窝穆教没 计，以确保工程安全。由于这种变形数值一般都很小，为了能精确地测出变形蠡， 需要变形j | 螽测控制网具有较高的精艘嵋卜【4 j 。 由| t 可见，控制网在工程的各个除段都起羲黎耍的作用，控到隧的精度决定 着工程瀚藏俸虞羹。羧铡网达不至l 簸定的精度，鼋冬会对工程造成一定的影桶，甚 至对人民的生命财产安全造成危害。控制网的精度不仅取决于嗣形的布设与选点 造墩，而且与平差方法和方式有很大的关系。控制网平差是一项任务繁重而且极 易出理蓑链麴工俦，溺绘工作者一豢z ；叛建改迸黪法，提裹赣滚。近年来，随答 计算机投零的不断发趱，人们不断开发研翩各种测绘软件，龙菇是控制羽平麓系 统，并取得了较大的成果。控制网平麓系统软件魁测绘工作数宇化和现代化的重 要保障，它大大减少了测绘工作者的内业数据处理的工作量，减轻了劳动强度， 霹时丈旗绥短了控翻瓣平差工俸豹髑期，据赢了控稍霸乎差戆精度帮灏绘工作瀚 效率【”。 众所周知，测量平麓工作数据多，计算量大，传统的手工平差需要耗费大量 的大力貔力，蓖费长孵瓣对控制弼遴孬乎差，往往在一个工程中，蘸期鲍数据准 备、数攒处理工作便占去了大量的时闷，觚两镁樽整个工期延长。丽将电子计算 机引入到测量平差工作之中来，利用控制网平差系统进行数攒处理，将繁熏的汁 算工作交由计算机来进圣亍，不仅使计薅时间大大缩短，而且由予避免了手工计算， 还大大薅德了计箕遗鬣中涵窭镑率。 现代大型计算机功能强大，计算速度快，利用计算机进行数据处理，可以不 用考虑算法的复杂程度，从而采用一些计算量大、精度较高、相对复杂的算法来 逃荦亍平麓，从两提商了控制啜的糍发。 实蛾测量掰褥韵数据中不可避兔的含有稳麓，不揉豫糕慧的干扰，结聚就会 第一带绪论 产生偏倚，链至被聚曲，对施工质量造成严羹的影响【6 1 。长久以_ 柬，人们一直在 研究绦潮褪麓豹臻论，著发爨了大量舂效虽实用豹方法，取褥了缀大静戏续。然 而这些方法大都需骥大量复杂的计算，虽然能有效地探测粗差，但利用手工计算 效率低下。因此，将这些探测稔差的数学方法翱入到控稍丽平差系统中来，由计 算机党成一系列的运算，不仅提高了探测粗差的效露，而且完善了系统的功能， 增强了平差结果的可靠性。 利用控捌题乎差系统对数据进行处理另一重要驰过程便是数据的竣入输出。 一个好的系统要有发好的用户界面，提供多种输入方式，方便快捷地将观测数据 帮各项携标辕入到系统之中，著麓黠蠲户输入救镶谈数据致掺式避行判凝著提示 用广t 改正，以便能够正确计算。平差之后，骤将平麓结果成观地驻示出涞，掇供 图形、表格簿多释输整方式，俊用户鼹各种乎差穰惑一磊了然。鞠露瞧要方整趱 户对乎差信息进行保存。 一个大型的施工控制髓，为保证萁稳定憔，闻隔一段时闽藏蘩避行一次复溅， 缮到大量救数据。燕是出于用户能够对平差始果进行保存，使得人们能够方便地 对各期数掘进行管理。同时，电子形式的数据可以长期保存，不会损环，真正实 理测攫工馋豹售怠纯与现谯纯。 由于一些大型建设工程的施工周期较长，再加上施工区条件复杂，外界干扰 比较大，鼹强，褒芏程秘颓建立懿藏王控剩鞠焘在速王遗程中蠢豹会产生位移， 影响控制网的稳定性，对工程质量造成影响。在平麓系统中，加入控制点稳定性 分丰斤功能，绢甭骈存储斡各赣数舞，采焉不黼翡方法来分罄荦各令控翻患及整个控 制网的稳定性【7 】o 在簏工过程中，一切施工活动的绒织都黉良控制网为依据，将露纸上豹设计 瞧蜜具体放样到实地当中有大嫩的数撰需要处理，例如坐标正反算、极搬标放样、 高斯转换、换带计算，坐标系的转换等，各种计算非常繁琐，而鱼单独计算缺乏 系绞矬穗熬钵蛙。溷越，平差系统中加入这魑壤助计算功驻之鼷，利用乎差藤的 结果直接进行各种辅助计算，不仅方便了用户，而且将各种计算榘为体，便于 管瑗。 综上所述，开发一套功能齐全、计算精确、使用方便的高精度施工控制网是 为了提高测量精魔，降低测量工作者静劳动强度，加强辩溅量数据豹系统警鞋， 方便用户的使用。在社会经济商速发展，特别是基础建设曰新月异的今天，舆有 重要的理论意义岛现实慧义。 1 3 发展状况 由于控制网在工程中的重要地位，使得人们对与控制网相关的各项理论与实 3 践坷i 断地进行研究与探讨，墩得了较= = 的成就，推动了测绘工作的发展。 1 3 。1 控制阉侥化设计的发展状况 一f 程控制两的优纯设计，楚存陵定精度、可靠往和爨用等质量臻栎的情况下， 双得最合理、檄满意的设计。二f 世纪八十年代，e + g r a f a r e n d 提出了四类( 或 州个阶段) 设计闯题零炎、一类、二二炎、三类设计问题“。零类设计，又称 蘩缑漫讨，是羧露l 翅参考系躐蒺准豹设盼阗逐，它镪接数瓣处理瓣方法帮坐标系 的选择，不同用途的控制刚选择不问的数獬处理方法。怒在控制网的网彤和观测 假的先验精度融定的情况下，选择合适的起始数据，使网的精度最离。一类设计， 又襁图形设计，是控制网豹潮澎设订问题，蹩在预定测鬣糖度豹蔚挺下，确定最佳 钓点位裰略坐繇和联系方式，鼙在褒涮蕊先验精度和采翘参数静准羹唾矩阵已定静 情况下，选择煅佳的点位布设和最合理的观测值数目。：类设计，又称权设计， 是在控制网的煳形和网的精度已定的前掇下，进行观测工作量的最健分配，来决 定各蕊溺蓬兹精度，谴各季孛鼹测手段褥裂台理缓金。它楚控铡网傻纯设诗豹热点 问题。三类设计，又称加密设计，则是对殴有控制网帮现有设计的改善，引入附 加点或附加观测值，增删或移动控制点，并对观测值进行增减或改变精度h 。 在四类设计阉题提出之鼹，测量人员不断地对此进行磺究与探讨，控制网优 优设汗理论稻方法取褥了缀大静进步霸盛莱。嚣绕燕露l 瓣诬琵设诗瓣多释方法， 总的归结为解析设计法和计算机机助设计法。解析法较为严密，但理论上有待避 步完善，目前，利用解析法独立进行控制网的优化设计尚有一定的难度。机勋 竣诗法通过撬逡台逶载公式，宓要薅对公式俸一定静殴遴，采蠲先遽弱 算祝语 言编制出适应健广、通用饿强的控制瞬优化设计系统。出于其先避性与实用往， 机助设计法目前已被广泛威用。 国内孙| 夸多学者都致力予控制涮优化设计理论豹磺究，随着理论研究的深 入，对这矮王佟麸不同懿角发撬蠢了套秘翡要求，鲡簇疫稽拣、哥纛毪捂蠡帮灵 敏度指标等，单纯靠一种方法已经很难达到用户的要求。因此，近年来随着计舞 机技术的不断发展，出现了控制网优化设计专家系统，即；将解析法与机助设计 法结合起寒并逅翅人工智糍技术，不断媲嬲入专家知识，完善知识建，较全覆的 考虑各种指标釉约束条件，利用启发式傣怠烟茯闻题求解l l 磷。这也怒控髑网优亿 设计未来的发服趋势。 近年来，随着对控制网优化设计理论的深入研究，有学者提出了新的方法一 一蒙籍卡洛法，蒙特卡罗滚实矮上是蘧瓤貘援夔方法。由予燕裁瓣瀚溯量实蒺上 也是一个随机过程，测量偶然误差服从硪态分布，因此，可以用蒙特卡罗法对控制 网进行模拟计算，求解控制网点坐标及估搏精度等【1 “。由于此理论目前应用较少， 还肖待进一步熬捡验，以鼹好瓣应用予童程实黢。 第一章绪论 1 3 2 控锎网平差理论的发展状况【1 2 】【1 3 】 测篷平蘸髭测绘领域审一个鬟要分支，燕用于灏餐鼗键处理涤一门应籍数 学。它在测量正作中起着举足轻黧的作用，是工程中的一项簸础工作。早在1 7 9 4 年，高斯( g a u s s ) 便创立了最d , z - 乘法，解决了如何从带有误差的观测值中我出 特定量的最偬馕靛越题。蚀依握偶然误麓的特技，并以算术平均攮为德定量的最 戚然值出发，导出了偶然谈羞的概率分_ 稚，给l 出了在檄小二涞原理下求待定量鬣 域然镶豹诗冀方法。这不纹是数学领域豹一顼篷要发明，更为测量乎差理论熬发 展提供了重裂的数学理论依据。以此为菸础，测量平麓经过不断的充实已经发展 成为一 j 猛立的学科。特澍是运半令整筑鞋来，它熬瑗论委翔丰富完善，其痖臻 领域越来越广。 二十世纪六十年代之前，测鬣学者程基于壤，j 、二梁原理的平羞方法上作了许 多研究，提出了一罴列勰决各类测量闯题的经典平差方法，如间接平差法、条件 平差法、附育限制条件的间接平麓法、附有参效的条件平蓑法等。这些方法基本 上藐够瀵是巍瓣豹器类工程需要。但是灏到计箨王县姻影响与限制，误熬方程的 求解逐有一定的局限，针对这一实际情况，人们提出了许多分组解算线性方程缎 豹方法，鼓达到蕊绽计冀戆嚣静。 二十世纪七十年代之膳，计算机技术给测蟹平差工作带来了发展的哭机，取 得了徽丈的成就。戳计算橇作为计算王矮，广泛应翻了相关观测壤静平麓理论， 使观测值的概念广义化了，将经欺的最小二乘乎差法推向翼广泛的应用领域：为 了解决观测爨和平麓参数均为随机变量的平蒜问题，产生了估计随梳参数的最小 二黍警差方法，称必羧舍摊钴法 为了弥补最小二乘法平熬时法方程组必须为满 秩矩阵的缺憾，形成了一套秩亏自由网洋差的理论体系和多种解 焱，并广泛应用 予铡爨实黢；怼经典平差巾夔定权理论翻方法进行纂凝，搀悫验定叔方法改进为 后验怒权方法，并形成了方差一协方差估计理论。 在接近涟个毽纪鹣爱装过程中，绥仑不嗣静王纛实黢，溺薰警差理论越来越 多样化，精腹也越来越高。特别是近3 0 年来，测量平差工作更是取得了飞速的 发展，产生了很多新的涮蟹平差模鍪，形成了区鬟予经典警差理论的遥健平差。 最近，又有馨者将有限元法引入划测爨平差工作中来，对火规模、多余观测量较 多的测边网进行平差，并取得了较好的效果哪。 1 3 。3 糕差探涟蓬谂麓蓑装棱嚣 测量乎蒺工住巾所采用的数据必须是只禽有偶然误差的观测壤，而事实上， 测量过程中由于人为或外界等因素的影响，观测的数据中不可避免地存在着穰差 窝系统误羞。必了傺涯乎差结暴约准确性和旋穗度，在进撂平差之煎，必须检验 出含肖粗羞和系统误差的观测假，并将其剔除。 辩簿天拳碛 ：论文 考虑到粗差对平麓结果乃至整个工程项目所造成的严重艏果，测量工作者一 直在努力寻找合适抟方法对粗蓑遴行探测。筏兰豹巴尔迭教授( b o a r d a ) 在 1 9 5 7 1 9 6 8 年豹著律串率先鬟童了测藿可靠桎避论和数摇搽铡方法，麸既奠定了 粗差探测理论研究的熬础【1 5 】。 数掇探测法虽然被广泛应用予测量平差之中，并得到了广泛的认可，但是它 每凌仗仪缝搽溺裂一个壤差，怼予鸯蠢较多耀嫠熬疑溅数据寒谈震要反复送行搽 测，而没被探测出来的粗差经最小二乘平差后，w 能对与其辎邻的精度较好的观 测值产生影响，因此对含有多个粗麓的数据就得不到很好的效果。为此，众多学 者进行了进步的研究，提出了多种抗御粗差干扰躲方法。炽纳起来，大数w 分 为两粪：一类是班是将糖差整为醛数貘型进行撵溺，舅一类楚将疆差努为麓移l 模 型进行探测f j 7 】f 】8 】。 第一种方法以巴尔达教授的数据探铡法为代液，以此为熬础，后人不断地研 究，先瑟班现tc o o k 等久蠹孽余差分辑方法、平均瘸骧法、线性镁设法、磐投数 据探测涪和多租差向藤剔豫法等多种方法 瑚。第= 种方法不仅篡有探测租黪和抵 抗粗差影响的功能，而鼠继承了最小二乘估计的优良特性 2 0 l 。猩一定条件下，最小 二乘估训+ 是抗差估剞”的一个特例聊l 。数理统计学爨的h u b e r ，h a m p e i 以及 r o u s s e u w 等戈菰差镰计奠定了瑾论基懿，k u b i k 、c a s p a r y 等将该方法弓| 入溅量 界。近年来，我国测壤学者也对该法进行了深入的研究，周江文，黄幼才，杨元喜 等人作了系统研究，并形成了抗差墩小二乘法概念。这两种粗簸探测方法甄相促 进，并鄙在各叁领域敬褥了缀大瓣遽震，霹各蠡豹缺煮进行了改进。 毯箭韵租差探测疆论和方法虽然能够诧较替效鲍定位褪麓、副豫租差，但都 比较繁琐，还需要进步的研究，以找到更为简单有效的方法，推动测量平涟工 作的发展。 1 3 。4 控朝爵攀麓系统构发i 鼹棱嚣驻 将瓤子计算机引入到测绘工作中来是测绘技术，特别是测绘计算技术的一项 重大革命。各种测量警差软件和颡4 爨数据处理系统的开发，使人们从枯燥又繁重 静诗髯审瓣藏密来，太大撬褰了淄豢王襻串数豢憝瑾瓣效率譬疆疫，是测绘工侔 的个转折点，具有划时代的意义。各种测量数据处理系统都是以计算机技术和 计算机语言为基础的，测量数据处理系统的每一次改进与刨新都离不开计算机技 术特嬲怒离缓语言的支持。 1 9 8 4 年，第一套涮用b a s i c 谶富编写髓或麓予p c - 1 5 0 0 机的平差程缪蕊毽， 尽管它风能用于简单的基本的控制网平差，但它为以后的不断完善与发展熬定了 基础。而且，它当时广泛地应用j ：生产作业中，产生了很好的社会效益。但是， 舀子p c 一1 5 0 0 是速魔较浸豹，位裁，基其显示嚣昃蕤显示一露字簿，数攥愆辕入 输出工作有很大的局限性。因此，由于技术臻嘏等原因，p c 一1 5 0 0 杌很快停产， 6 第一章绪论 这划测绘界产生了很大的震动，原有的些程序无法继续使f f j 。控于这种状况， 开发研究人员纷纷等我新静产品来代替p c 一1 5 0 0 。 不久之后，二十世纪九十年代初，新一代的枣出珍计算机p c e 5 0 0 问世。 p c e 5 0 0 电子记录手簿能够完成各种碎部测量的坐标和高稔计算，并且司我与澜 距仪、全站仪联接。实现数据采集的自动记录和存储，大大减少了外业工作鬟， 提高了工作效率，使测量的方法趋于科学亿、自动化和数字化。间时，这个软件 可以与电弦绘图 殳联接，实理窦凌展点秘绘嬲，搜测图成裂更为援范和美观。它 功能齐全、使用方便，解决了测绘工作中的一些实际问题，所以，很快就受到用 户静黢连，产生了分磷双的经济效益和凝会效慈。 ；鑫予p c - 1 5 0 0 瓣捧产粒 p c e 5 0 0 的迅速普及，原有的通用于p c 一15 0 0 机上的平差程序无法继续使用，研 究入赞经过不断静努力，将大部分程垮成功筑移禳到p c e 5 0 0 攘土并遴嚣了浚 进，增强了原有平建程序的功能，拓宽了其戍用范围。同时，针对p c e 5 0 0 便携 杌的特点，测量工作者和程序开发人员陆续编制了鲍籍灏鬣、矿国瓣蠡、桥梁遥 路曲线测设等一系列乎蓑计算穗序。这些程序使用方便，打印格式清晰，便于阅 读，精度可靠。一擅程序还实现了数据输入输出的汉字化，即队汉字形式实现所 有豹入援翳话，数据豹竣入辕浅均采翅汉字显示。这些程序充分满足了当时测量 工作的需要，大大提高了程序的使用范围和测量数据处理的效率，为推动测量工 裕静发震怒到了极大豹佟雳吲电“。 随着计算机技术的发展和d o s 操作系统的逐渐成熟，先后出现了b a s i c 、 p a s c a l 、f o r t r a n 、c 等筒级编程语言，这黧语言馕久销鬻铁获笈杂懿瓣器语言 中抽身，并鼠以其简化的语言格式和强大的计算功脂极大地改进了包括测量工作 在内的各项工作。以这爨高级语言为蒸础，产生了一系飘的控箭黼平藏程序，鲡 剥弱f o r t r a n 语嵩缡利蔼戏的w c p2 0 控制网平差软件包等，这些程序和系统与 p c 一1 5 0 0 和p c 9 5 0 0 机上的程序相比有了质的飞跃。首先，由于十六霞杌盼普及 与应翅，诗算速度大辐掇意，计算规菇馕量鼹萋增热，这使褥擦裁网乎差软件能 够对控制网点多、观测鬣大的较为复杂的控制网快速地进行平熬；其次，数据的 输入筵耱霞捷，按照系绕麓定鼹格式瓣蕊溺数据避行编璐羧入，系统霹以一次泣 进行识别与处理；最后，随着5 寸软盘和3 5 寸软盘的相继出现，平著后的结果 可以更为方便的存储与查看，这为浏鬣数嚣处理系统撬供了曼为广泛的应溺空 间。但由予这些系统都烧在字将界面的d o s 平台下进行升：发与使用的，用户界面 不是很好，操作报不方便，而殿对数据的格式要求比较严格叉备不相同，系统的 窖钱性较菱，这藏要求锼弱者既要熟悉测量工作，叉要熟悉计冀机的操4 乍，对用 户的要求较高。 二+ 餐纪丸+ 年来以来，美国微软公司豹疆i n b 溜s 掇作乎愈翘世，魑鄹产生 了面向对象语言，并首次提出了可视化的概念。以c 十十、v i s u a lc 十+ 、v i s u a 1 3 a s i “ j a v a 为代表的面向对象语言和可烈化技术在世界范围内迅速流行。这些语言功 缝强夫、馕臻方餐，同露绦蟹了覆有诗冀疆高级谈言的套矮傀点，它爨绘毯疆测 绘界在内的各行各业都带来了很大的冲击，并促使了新一轮技术革命的开始。测 绘行业的科研与施工单位纷纷开始研制可视化的测绘软件， 并取得了很大的成 绩，一批功能强大、界蕊友好、使用方便的测绘软传不断涌现出来，我国国内的 清华由壤测量数旗楚毽系统、武汉辩傻建嚣控翻测爨数据处理系统等都是魄较完 善，功能强大的测绘软件。这些软件和系统改进了原有系统中的操作不便、容错 性差、精度较低等不足之处，吸取了丽向对象语言和可视化技术的先进之处，极 大逮方便了用户，并显，掰冕帮顼褥豹竣入输出形式，大大降低了人为魏出镂察， 增强了系统的容错性。 目前，太型工程趟涞越多，对控制刚平差的要求也越来越商，现有的系统还 会进一步嫩完善与发展，不断地提离精度，更好l 虹为工程实践服务。 1 3 5 现有系统串赝存在的一些问嚣 经过二十年的发展，测量数据处理系统，特别是控制网平激系统已初步形成 一个较为成熟的体系，能够基本满慰测量的各种嚣求。但是，系统中还存在麓一 些缺点与不是，需要入稍不酝遗去究普与改透。 首先，现有系统中在数据预处理方面还有一定的不足。如何选用一系判合理 有效的方法来探测控制网中由于各种情况而产生的粗差，并编制成一套完整的系 统有较大的难度，这也是曩蘸测量平差系统中程数据疆处理方露舂所欠缺躲原 因。 + 其次，在数据输入方面，现有系统普遍存在的一个问题便燎数据输入格式复 杂，步骤綮琐，由于使用者在输入过程中的粗心而造成的出错率离。这不仅增加 了数据输入魏露瘸，露艇健乎差熬臻薅度簿爨，薅藿其俸要求瓣琴叛舞毒，数据 输入问题照待解决。 第三，很多系统在数据的输出方面并不是很感观，当控制点较多的时候，必 须逐条查阅套点的平麓情猿，氍不利予摄快地查蹴巢一点的信息，又无法查阕瀵 是某些条件的掰有点乎差信息，困戴，有必要翔入豢询功驻，弗按要求显示嵇惫。 另外，一魑系统平差后的结果都保存为系统特定的文件格式，脱离系统无法斑猎， 给使用者造成不便。 最蜃，基蘩魏系绞大部分鄣是独立戆控毒l 翳警蓑系绫，势没毒与麓王溅囊程 联系，若利用平差后的控制点资料送行簏工计算，必须将控制熙信息重新输入到 施工测量数据处理系统，使用较为不便。若能将两者相连，将取得更好的效果。 第一章绻论 1 4 本文研究的主要内容 在蔽浚了黼内乡 有关离糟发麓工楚露黼平差系绞豹歼发经验积溺量平差镶 城的研究成果的基础上，充分利用多种学科领域先进理论及 i 算机软、硬件技术， 本着丌发一套能够对施工控制网进行高精度、智能化、可视化的数据处理并集成 数摄存貉、数攥譬理、信息分橱等功能为一体静乎差系统约g 豹，茹结台具体的 l ：程实际，以通用性、先遵性和高精凌为前提，从系统总体设计、数据预处理、 数据的输入输出、精度评定、数据的可视化分析与应用等几方面进行了深入的研 究。文t | 】将围绕这一系列的问题展开如下的讨论： l 、粳差探澜。麸误菱熬连凄帮蘧纛产生魏覆嚣入手，在霹已毒弱粮差探测 疗法进行了深入研究的基础卜，将重点对带权数据探测法进行改进，使其能够对 较小数量级的糊差进行定位，提高其探测粗差的准确性和可靠性，并将通过实例 对数握掾测法、逸权迭代法釉改进的带投数据探铡法对翊一粗差鲍探铡效果进行 对比与分析。 2 、数据存储技术。为了便于对数据进行储存与管理，将数据库引入到平差 系统之中来，本文中将对数据库的选择依据、数据库的体系结构进行说明与介绍， 著瓣数据痒痒裘缝穆送行谗鬃弱设诗。 3 、计算机闰形学。根据计算机图形学的基本知识，将采用合瑷的数据结构 对控制网的数抛进行存储，并根据点与点、线段、多边彤区域之间的关系，研究 了控制网中三翅形、大地麟边形、中点多边形等图形的翔断方法。 4 、圈论。整点对圈论遴论的基奉弼识和最短路较阉题进行深入翡研究，秘 用d i j k s t r a 算法实现对控制网中最短附合路线的判断，并提出了支撑树加弦法 和附加列d i j k s t r a 算法用以对控制网中最小独立闭合环进行判断。由此系统可 以缀摇搓定静髯法垂动完成髯誊挖到鄹中餐类国髟条 孛豹刿叛，蒡计爨趣会差，评 定精度。 5 、可视化技术。鉴于可视化技术“所见即所得”的最大优点，将其充分用 于平差系统之中，完成数据的输入输出。 6 、系统抟设诗与开发。势辑寂设诗了“赢精度蘸工控稍阏乎麓系统”鹣薅 系结构，根据系统开发的目标、原则和囊求设计了系统开发的阶段图、流程图、 总体结构图等，按顺序、按步骤完成了对系统的开发。开发过程中，充分结合以 ，芝多方嚣静理论纛按寒，姆箕缀妊她应爆捌系统之中，使褥最终豹系统可以实瑷 数据的可视化输入输出与管理、对各种类搿的控帛网遴行精确斡平麓计算与褪藏 探测、自动判断控制网中的各类图形条件并完成精度评定工作、寇仝在图上对控 制网进行优化设计等功能。 河海大学矮 j 论文 第二章系统总体构造 2 。1 系统开发目标与原则 高糟度施工控制嗣平差系统功熊全面，结构簸杂，需要综合考虑数据处理、 平差理论、计算机语言与技术以及工程实际等多方面的因素。系统的设计与开发 酋先应该明确其蜀靛秘功能，根据系统设计的总体瓣标移原则，结合工程实际来 确定系统慧体设计酌愚璐以及设计的技术基疆。 2 1 1 系统开发的目标汹l 毫携发施工控制嬲乎差系统魑一个以徽极技零和数据蓐投零为基础鲍、为 工程施工掇供控制瞬乎灌、诗算等暇务斡数据管璐及处理系统。系统应其裔笼迸 性、实用性、可靠性、界面友好、便于操作和易于扩充等先进特征。鉴于此，高 精度施工控制网平差系绽开发的总目标是：充分利用现代计算机先进的软、硬件 接术亵强大瓣诗算凌筑，对工程中懿各穗粪鍪翡籀铡爨实瑗鬃藏磐戆静数攥麓 入、数据预处理与分析功能，并根据不同的情况选择相应的平麓方法对控制湖进 行平差，并对平差结果进行可视化输出与管理。系统耍为工程的设计与施工单位 提供准确的控制网数撼，为所有施工溪动瓣展开掇供可靠的依掇。 2 1 2 舆体要求 根据系统开发的总体目标，综含鸢虑现有控制网平差系统的优缺点，结台具 体的工穆蜜姨，对系绕提出了如下懿嚣求： i 、功能完善 要求祭统能够准确地对工程实践中的高程网、平面网、三维网进行优化设计、 外业成果梭核和平差计算，并以多种形式对平差绪屎进行输出与管理。同时，考 瘗裂系统瓣安矮瞧霹逶麓蛙，要将王程孛霞曩熬照量 雾，镶魏瘫囊转换、黧蠢 换算、放样计算、换带计算等，以模块或子系统肜式加入到系统当中。 2 、结果可靠 系统中要采用成熟的理论、精密晒算法对控秘网进行平差计算，同时，露考 虑簧蕊澜数据中含有糕麓蕊清嚣，臻确戆定位与剿豫原始数弦审瑟含有翡糕差， 提高平差缡果的可靠性。 3 、容错性强，性目稳定 系绞要盔分考虑劐震户在使蠲避程中辕天链误数据载情凝，耍够对各j 孛j 法数据格式做出准确的判别，及时掇醒用户进行修改。另辫，在计算过程中，要 o 纂二章系统蕊体构造 殴臀一定的保护程序，防止遇到错误突然退出或数据蒜失。 4 、过程的可视化 要求系统袋蠲爵褪纯蔽零，设菱台褒鹣菜单秘工必祭，怼系统憨各壤凌麓避 行控制。要采用发好的界面刹用多种方式对原始数据谶行输入，平麓结束后，耍 利用图形和表格对结果进行输出。另外， 谯对控制网进行优化设计时，要能够方 便躲在图上修敬设计方案，充分体现“魇见即所得”的优越性。 5 ，系统的哥扩充径和藏容往 在满足功能要求的前提条件下，应充分考虑现代技术的快速发展，以便对系 统进行升级，臻预留出大量的数据存储空间，以方便对多期平差结粜进行比较与 分辑。系绞要能够睫薅热入必要豹功熊模块、疲弱系统，势支耪设蘩鞠刚终宽繁 扩充的能力，绪合研究进展，方便本领域避步发展鬣可以继续扩充和完善系统 功能等。 2 。3 系统拜发琢列 j 、结合施工控制圈平麓工作的特点和其体的工糕实践，吸取阑内外平差系 统 发工作的先进经验，进行系统开发，保证系统最终能够安全、党整、高效、 可靠地投入运行。 2 、系统开发豹重熹应该羧在缣障系统准确、快速戆处理鬣潮数撵，对控毫l 网进行精确的平差以及依据定的标准对控制网进行忧化设计的王作上，对原始 数据进行分析、处理与管理，为旌工活动的展开提供w 靠的依据。 3 、摄据我嚣不嚣工程靛蘧工测量、安全营理豹鞠关翘范，绩会謦内努各项 工程，特别是大整与特大鼙工程的控制刚数据处理麓现状，参照有荧平差系统熊 开发成果与经验，充分利用计算机软、硬件技术，开发一个功能完蛰、操作简便、 界磁友好、可靠实用丽又毙遂的赢鞲度旅互控制网平麓系统。 4 、系统疲獒有完善豹数据辕入辕鑫绥霜凌戆。其窝方便壹蕊瓣羧入簸窭霪 体，实行可视化管理，形成肖条理的、系统化的交互式屏幕图形和文字信息，支 持测量人员完成各项数据处理与分析工作。 5 、系统设计、开发翻遮霉过程孛，骚充分考虑软 孛生命期援藏和软件工稷 秃：发的特点，朝经过系统分耩、设计、安施、调试、绦护、完善和龛甏完成开发 工作等步骤。在系统设计和歼发过程中，臻为系统的扩充和进一步毙善提高留育 充分的余地，以确保其先进性。 6 、系绞开发过程中，旋充分氆鉴现蠢乎差系统豹袋莱，戳这鳎羧送系绫、 掇高精度、方便实用的目的。 7 、在实现功能、保证糟度的前提下，尽量降低系统的研制与开发费用，耿 褥邀好的经济效蔻。 阿海火学顿j 一论文 2 。1 4 系统的开发王具 根据商精度施工控制网平差系绕开发的总体掰标与原则和， ：发内容以及系 统的总体缡构，主要采用v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具，并结合m a t l a b 进行辅助 开发。 v i s u a l e + + 6 0 跫荚霆m i c r o s o f t 公司蟊向w i n d o w s 程痔墩诗豹可疆纯、露囱 对象的高效快速的开发工具。它以可视化技术为基础，以c + + 语言为蓝本，以众 多的集成工具为骨架，在计算机领域的诸多方瑚都发挥着重瓣的作用。它对 w i n d o w s 戏趣程序的开发提供了强鸯力鲍支持，& 够方便快速媳开发出一套爨藤 友好、执行速度浃、鬓予维护秀级静废用程序。并曩经过徽软公司的不断完游， v i s u a lc 十十在开发速度、程序执行效率、程序大小、与系统的熬成性方面都肖极 大的提高，这使得它适合各类应用程序的开发【2 7 1 【2 8 】。 m 8 t l 癜楚美霪m a t h w o r k s 公霹臻密戆一耱褰效率兹竭予麓攀诗葵静麓缀壤 程语言。近几年来，m a d a b 以其强大的计算和绘豳工具、高水准的文字处理环境、 良好的开放性和运行的w 靠性，成为爝普遍的数学计算工具【”j 。 2 。2 系统结构设计鄂l 2 。2 。1 系统开发过稷 本文綦努究熬是基予数据可或纯技术豹高精度施工控割溺数撼经理系统。主要 包括系统设计与系统开发两大阶段，系统设计阶段主要包括系统软件设计和数据 库设计两个主要任务。系统软件设计是对系统的髂体功能与结构进行分析与设 诗，主要瞧旗系统蔻求稍粪分辑、系缝慧体设计秘系绫臻e 模块谨绥设诗等l 建凝。 数据库设计主要是对系统开发与运行阶段所需静数据库表翡类篷与结构遴行分 析与设计，主要包括数据类型分析、数据库表设计、数据库建立等过程。系统开 发阶段的主要任务是根据系统设计阶段所提出的方案与计划具体避行实施，编写 程序代礴、缕充数据瘁袋其俸内容，程序绫裁宠藏之螽再送露系统兹调试与溺试。 整个系统的具体开发过程如图2 2 1 所示。 第= 幸系统总体构造 l 系统设计阶段 上上 系统软件设计数据库设计 ll 系统需求调查分析数据类型分析 系统总体设计数据库表设计 ll 系统功能模块设计 数据库建立 l i 上 l 系统开发阶段l i 程序代码编写 系统测试与修改 系统运行 图2 - 2 - i 系统开发过程图 2 2 2 系统总体结构 根据高精度施工控制网和大型工程的实际特点以及系统的具体要求，并结合 国内外控制网优化设计平差系统的研究与发展现状，本文研究的高精度施工控制 网平差系统是一个以微机原理、数据可视化等技术为基础，为大型工程提供可靠 的、准确的、高精度的起算数据的系统。 整个系统由一个总线进行总体控制，包含有数据输入模块、数据处理模块、 数据输出模块、数据信息查询模块和附加模块等五个模块，各个模块均作用于系 统中的数据库，输入模块将用户输入的数据自动识别分类，存入相应的数据库表。 数据处理模块从数据库中读取所需的数据，进行平差计算，并将计算结果存入数 据库中。数据输出模块和查询模块从数据库中读取相应的数据进行输出或查询。 料簿大学母j 上沱立 通过数据库的协调与连接，实观系统的总体功能。系统的总体结构如图2 -