第三章 工程测量学综合课程设计

1、第三章工程测量学综合课程设计-工程控制网模拟计算分析与优化设计3.1 基本要求掌握工程测量控制网模拟设计计算的基本理论和方法,对附合导线进行设计、模拟计算、统计分析和假设检验,对结果进行分析。发现附合导线存在的问题,提出相应的对策,通过与边角网模拟计算结果的比较,加深对控制网的精度、可靠性的理解。掌握基于观测值可靠性理论的控制网优化设计方法,能根据工程要求独立布设控制网并进行内业设计与计算。掌握隧道(洞GPS控制网测量误差所引起的隧道(洞横向贯通误差模拟计算基本原理和方法,通过通过对其模拟计算和分析,能依据横向贯通误差限差的要求,独立布设控制网和确定观测值的必要精度。时间:1周。课堂辅导性讲解

2、4个课时,在课堂作数据准备3个课时,上机计算和撰写课程设计报告。采用软件:COSA系列软件的CODAPS(测量控制网数据处理通用软件包教学版。3.2 网的模拟计算分析1网的基本信息网类型和点总数:附合导线、全边角网(如桥梁控制网,9 个(参见图3-1、图3-2网的基准:附合导线为4个已知点,全边角网取1点1方向已知点坐标:自定待定点近似坐标:自定(精确到10m平均边长:全边角网1000m 左右,附合导线500m左右 图3-1 附合导线图3-2 桥梁施工控制网图2计算步骤(1生成正态标准随机数主菜单“设计”栏的下拉菜单如图所示,有三项子菜单项,现说明于后。 单击“生成正态标准随机数”,将弹出一对

3、话框,要求输入生成随机数的相关参数。第一个参数用于控制生成不相同的随机数序列,其取值可取1-10的任意整数,可生成500个服从(0,1分布的正态随机数。系统对所生成的随机数按组进行检验,检验通过就存放在RANDOM.DAT文件中。该文件中的随机数用于网的模拟计算时生成在给定精度下的模拟观测值。(2平面网的模拟计算人工生成简化的方案文件“网名.FA2”,网名可以用汉字、字符或汉字与字符的任意组合。本课程设计规定:网名用学生的姓名+网型,如:徐莉+隧道网.FA2, 徐莉+导线.FA2,.。单击“生成初始观测方案文件”菜单项,可由该文件自动生成平面网初始观测方案文件“网名.OB2”;再单击“生成初始

4、观测值文件”菜单项,可自动生成平面网初始观测值文件“网名.IN2”。对该文件,可在主菜单“平差”栏作平面网平差。对于新版本,“设计”栏的菜单和功能有改变,由人工生成简化的导线或边角网方案文件“网名.FA2”,选平面网,可直接自动生成平面网初始观测值文件“网名.IN2”,不再有初始观测方案文件“网名.OB2”。 平面网观测方案文件结构:第1行(观测精度指标部分:方向中误差(,边长固定误差(mm,比例误差(ppm模拟的先验精度(自定,如:等级附合导线 mr = 1.8 " ma = 2 mm mb = 2 ppm一级附合导线 mr = 3.5 " ma = 3 mm mb =

5、2 ppm地面精密边角网 mr = 0.7 " ma = 1 mm mb = 1 ppmGPS隧道网(.GFA mr =1.0 " ma = 5 mm mb = 1 ppmGPS隧道网(.FA2 mr =0.7 " ma = 1 mm mb = 1 ppm 第2行到第K行(控制点坐标部分:点名,点类型(0-已知点,1-未知点,X坐标(m,Y坐标(m,第K+1行(已知方位角部分,有已知方位角值时才有此行:测站点,照准点,A,方位角值(单位为:度.分秒从第K+2行起(观测方案部分:测站点点号L(代表方向:照准点点号1,., 照准点点号n(按顺时针方向排序S(代表边长:

6、 照准点点号1,., 照准点点号n(按顺时针方向排序观测值方案文件示例(网名.FA20.7, 1, 11,0, 600,25002,1,1500,25003,1,1800,25001,2,A,0.01L:SW,NW,2,NE,ME,SES:SW,NW,2,NE,ME,SE2L:1,SW,NW,3,NE,ME,SES:1,SW,NW,3,NE,ME,SE说明:1全边角网已知点的位置是任意的,若只有一个已知点,已知方位角的位置也可以是任意的;2两已知点之间,不再将边长作为观测值;3任一测站上必须有两个以上观测值;4每测站的零方向要按有关注意事项确定。(3统计计算分别对全边角网和附合导线,用不同的正

7、态随机数组进行20-30次模拟计算(在程序生成的固定随机数中删除某些数据,可以得到不同的随机数组,对得到的20-30个后验单位权中误差进行统计计算:计算后验单位权中误差均值、后验单位权中误差的中误差,分析均值与先验精度的关系。如果在全边角网或附合导线中加一个粗差(参见3,结果又会发生怎样的变化,为什么?(提示:从网形、图形强度和多余观测数等方面出发考虑(4假设检验首先作t检验,检验附合导线和全边角网后验单位权中误差的最或然值是否与先验值有显著性差别。再作f检验,取他人在同样先验精度和网型下计算的一组数据,检验两0个后验单位权中误差之中误差之间是否有显著性差别。对检验结果作评价。检验时显著水平取

8、0.05,要列出公式和写出计算过程(参见10。(5粗差影响分析和定位定值用模拟粗差文件“网名GE.INP”在方向或边长观测值中加入一个粗差(参见3,进行平差,看后验单位权中误差和平差结果的变化。点击“平差”菜单下的“粗差定位定值”选项,看是否能发现所模拟的粗差,对粗差剔除后的文件进行平差,并用“工具”下的“叠置分析”作结果比较分析。3.3 隧道(洞洞外GPS平面控制网测量误差所引起的横向贯通误差模拟计算1设计思想参见文献8 ,GPS网的观测量是伪距、载波相位和时间,通过静态同步观测,可解算出基线向量及其协方差阵,GPS网的平差是将生成的基线向量作为观测值进行的。要对GPS网的原始观测值或生成观

9、测值进行模拟无疑是很困难的。但将基线向量投影到某一参考椭球面并进一步投影到高斯平面上后,该基线向量实际上是一条长度和方向都已知的边。因此,我们可以将GPS网看作是观测了边长和方向(角度的平面网。在已知网点近似坐标和GPS网设计方案的基础上,根据上述思想,可将GPS网按边长和方向全测的全边角网(观测值为边长和角度进行模拟,这时,采用“网名.FA2”的观测方案文件。我们也可以将GPS网看作是观测了边长和方位角的网,这时,应采用“网名.GFA”的观测方案文件, “网名.FA2”与“网名.GFA”的区别仅在于:方向代码是L,方位角代码是A。模拟计算步骤(同边角网:先进行方案设计,确定参考基准,再生成方

10、案文件,进行平差计算和结果分析。2网形设计,坐标系和基准的选取,独立基线及精度的确定网形见图3-3,为直伸型隧道,进、出口点间的距离大于4千米,进、出口点与相应定向点间距离为300-500米,贯通点位于隧道中央,其坐标值等于进,出口点坐标的平均值,在如图所示的隧道坐标系下进行设计计算。 图3-3 隧道洞外GPS平面控制网网图3 生成观测方案文件人工生成简化的方案文件“网名.FA2”,在“设计”菜单项中单击“生成初始观测方案文件”菜单项,可由该文件自动生成初始观测方案文件“网名.OB2”;再单击“生成初始观测值文件”菜单项,可自动生成初始观测值文件“网名.IN2”。对于新版本,“设计”栏的菜单和

11、功能有改变,由人工生成简化的隧道边角网方案文件“网名.FA2”,选平面网,可直接自动生成平面网初始观测值文件“网名.IN2”,由人工生成简化的隧道边长方位角方案文件“网名.GFA”,选GPS网,则自动生成平面GPS网初始观测值文件“网名_GPS.IN2”。 4生成贯通误差影响值计算文件根据控制网的洞口点和定向点精度、贯通点的位置以及贯通面的方向,在完成网平差之后,直接估算隧道贯通误差影响值。为此,首先人工建立一个贯通误差计算的引导文件“网名_GPS.GTI”,该文件名必须和初始观测值文件的名字完全一致。其格式为:进口点点号,进口定向点号,出口点点号,出口定向点号,贯通点点号,X坐标(m, Y坐

12、标(m,贯通面方位角(单位为:度.分秒为了选取最优的定向点方案,在一次计算中,可准备多种不同的进、出口点与定向点的组合,每一种组合占一行。贯通误差计算的引导文件示例(网名_GPS.GTI:171,8,21,12,100,69140,439260,90.00171,8,21,11,100,69140,439260,90.00171,5,21,12,100,69140,439260,90.00171,5,21,11,100,69140,439260,90.00171,9,21,12,100,69140,439260,90.00171,9,21,11,100,69140,439260,90.00准备

13、好引导文件“网名_GPS.GTI”后,单击“贯通误差影响值计算”,将自动计算贯通误差影响值,并将结果存放在文件“网名_GPS.GTO”中。注意:正确输入贯通面方位角是重点和难点。在计算贯通误差影响值之前,除准备好引导文件外,还需对该控制网进行平差计算,否则贯通误差计算失败。未建立贯通误差引导文件时,将弹出提示建立贯通误差引导文件的对话框。5模拟计算(包括网平差和贯通误差影响值计算首先,在主菜单中单击“平差”,则会弹出下拉菜单,对平面网平差时,将打开“输入平面观值”对话框，选择平面观测值文件进行平差。然后，单击菜单“工具”>“贯通误差影响值计 算”进行计算。 6 结果分析 可查看“网名_G

14、PS.OU2”和“网名_GPS.GIO” 两个文件。对“网名_GPS.OU2”和 “网名_GPS.GIO” 两个文件进行分析，主要看点位坐标与精度、最弱点、最弱边的精度 以及不同的进出口点与定向点组合下的贯通误差影响值， 思考不同组合的意义以及最小值对 应的组合表示什么？ 3.4 基于观测值可靠性的工程控制网优化设计 基于观测值 1）基本理论 参见文献9 ，重点是第 2 和 4 部分，即：2 观测值的内部可靠性及其性质；4 基于可 靠性的优化设计思想、计算步骤和特点。 观测值的内部可靠性与观测值的精度有密切关系，而观测值的精度又与建网费用有关， 而且， 变形监测网的灵敏度实际是网点在特定方向上

15、的精度， 它也取决于网的观测方案设计 和观测值的精度。此外，变形与粗差的可区分性也必然涉及到观测值的精度。因此，观测值 的内部可靠性与观测值的精度、建网费用、监测网的灵敏度和可区分性存在密切的关系。 该方法的特点是： 初始方案是一个观测精度和观测值个数都有富余的全边角网， 如果该 方案还达不到设计要求的话， 则说明或者是设计要求太高， 或者是所拥有的仪器设备精度不 够高。 整个优化设计过程的关键是删除多余观测和调整观测精度。 所谓调整观测精度是提高 （或降低）方向观测精度或和边长观测精度，即修改观测方案文件的第一行。按此法删除 的多余观测具有确定性且不致于引起形亏，这也是该法的特点和优点。 2

16、）设计一个全边角网“肥”而“密”的初始方案 设计一个全边角网“ 设计一个任意形状的全边角网，其做法同前。取 1 个已知点，一个已知方位角，它们可 在任意位置，注意网的最弱点、最弱边精度以及网点精度与已知点（基准）位置的关系。人 工生成“网名.FA2”文件，自动生成“网名.IN2”文件。 3）进行模拟优化设计计算 单击“设计”>“平面网优化设计” ，将弹出对话框，选择需要进行优化设计的控制网 对应的平面观测值文件（网名.IN2） ，然后自动对该网进行平差，平差完毕后，将弹出如图 3-4 所示的平面网优化设计信息界面。 图 3-4 平面网优化设计信息界面 根据平均多余观测分量的初始值， 给定

17、一个较小一些的平均多余观测分量设计值， 然后 单击“确认”按钮，重新平差，将自动删去多余观测分量较大的观测值。平差后，将弹出新 的平面网优化设计信息界面。 在该界面下， 平均多余观测分量的设计值与前面的给定值相等 或十分接近，这时要单击“取消”按钮退出，同时将生成“网名 Y.IN2”的优化设计观测值 文件和“网名.SC2”的含已删除观测值的结果文件,可在“网名.SC2”上查看所删除的多余 观测分量较大的那些观测值。 4）比较初始方案与优化方案的坐标差 在“平差”菜单下对“网名 Y.IN2”和“网名.IN2”分别进行平差，在“工具”菜单下 的“叠置分析”中对“网名.OU2”和“网名 Y.OU2”

18、作比较，可得到优化前后的坐标变化 量。 5）优化效益分析 删除了哪些观测值，一共删除了多少观测值，被删除的观测值有哪些特点，删除前 后的精度、可靠性有些什么变化? 由文件“网名.SC2”可看出所删除的都是哪些多余观测分量较大的观测值，分析这 些观测值与网的图形有什么关系。优化效益表现在什么地方，如何量化优化的效益？ 参考文献 1 张正禄 等编著. 工程测量学. 武汉大学出版社，2005. 2 齐民友 等编著. 概率论与数理统计. 高等教育出版社，2002. 3 张正禄 等编著. 科傻系统使用说明书，2006. 4 武汉大学测绘学院测量平差学科组著. 误差理论与测量平差基础. 武汉大学出版社. 2003. 5 潘正风,杨正尧等著. 数字测图原理与方法. 武汉大学出版社