精密与特种工程测量.ppt

精密与特种工程测量 第一章 绪论 1. 精密工程测量的特点及其发展 1.1 精密工程测量的特点 （1）概念：所谓精密工程测量，主要是指 结合现代测绘科技的新进展，研究和解决 大型工程或特种工程对测量的高精度、可 靠性、自动测控等各个方面要求的测量科 学。 （2）特点 a. 精密工程测量是工程测量学科的一个重 要组成部分，代表着工程测量的新进展 和先进技术； b. 它仍沿用测量学的基本理论和方法，获 取测量信息；只是在精度方面有更高的 要求； c. 区别于传统工程测量的一个主要方面是 ，需要形成一套专门为高精度测量所需 的理论、方法和技术； d. 在工作内容及对象上，传统的工程测量 包含的范围广、精度低，而精密工程测 量包含的范围小、精度高； e. 显示出多学科相互结合相互补充的测量 领域； f. 仪器设备必须有很高的性能和适合于从事 服务对象的专门要求。 1.2 我国的精密工程测量情况 大亚湾等核电站 点位误差在 核反应堆堆心各构件安装的同轴度 误差 不大于 正在或即将建设的大项目： 长江三峡水电工程 南水北调工程 1.3 发展方向 （1）对经典测量理论和方法的研究 例：以极坐标测量为例 （2）减弱环境因素作用的影响 例：大气折光、温度 （3）研究合理的数据处理方法 （4）专用测量仪器的进一步研究 传感器纳入测量单元构成高精度自动测控 系统 2. 精密工程测量实施方案 2.1 方案设计的要求 （1）收集各种有关的资料及深刻理解对精 度要求的涵义 （2）找出关键问题及拟定处理方案 （3）成功经验的吸收 （4）能考虑以不同方法进行验证 （5）方案设计的基本步骤 2.2 方案设计的基本步骤 （1）对工程区的环境条件、工程及水文地质、气 候的特点等进行详细的分析及描述，并分析总 结这些条件对测量作业的影响。 （2）工程区基准的选择及确定，在详细进行精密 分析和遵循有关“规范”条款的基础上，兼顾整 个工程建设的需要，提出控制方案和施测方法 ，以及对精度进行预估等。 （3）确定出测量中的关键精度所在，并结合自己 的经验以及广泛吸收同类工程成功的实例，提 出数个实施方案。 （4）数据处理的方法。 （5）对方案可行性的论证，工作量及经费的概算 等。 第二章 数据可靠性及异常值检验 误差来源：仪器设备、观测的环境条件、 人为因素 1.1 概念 偶然误差：在相同的观测条件下作一系 列的观测，如果误差在大小和符号上都 表现出偶然性，这种误差称为偶然误差 。 例如：仪器没有严格照准目标、估读水准 尺上毫米数不准、气候变化对观测数据 产生微小变化 系统误差：在相同的观测条件下作一系 列的观测，如果误差在大小和符号上按 一定的规律变化，或者为一常数，这种 误差称为系统误差。 例如：钢尺量距、由尺长误差引起的距离 误差与所测距离的长度成正比地增加 粗差：是指比在正常观测条件下所可能 出现的最大误差还要大的误差。 例如：观测时大数读错 1.2 提高精度的措施 （1）选择合宜的仪器及设备 （2）合理处理外部环境因素的影响 （3）数据处理 1.3 粗差的检验 函数模型：数据探测法 随机模型：稳健估计法 验后方差估计法 函数模型又称为均值漂移模型，其思想 是在正式进行最小二乘平差之前探测和 定位粗差，然后剔除含粗差的观测值， 得到一组比较纯净的观测值，然后在进 行最小二乘计算； 随机模型又称为方差膨胀模型，方法是 根据逐次迭代平差的结果来不断改变观 测值的权或方差协方差，最终使粗差 观测值的权趋近于零或方差协方差趋 近于无穷大。 2.1 数据探测法（LS） 2.2 抗差最小二乘法（LH法） 3. 异常值的探测 精密工程测量中，观测值的异常包含两 个方面：粗差、观测体本身的显著变化 3.1 残差的性质和应用 为了总结变形体的变化规律以及预测其 变形量值，通常采用一定数量的监测值 作分析而建立各种形变监控模型。 统计分析模型 确定性模型 混合模型 3.2 单个异常值检验 格拉布斯ESD统计检验 狄克松统计量检验 3.3 多个异常值检验 样本分位值检验 4. 稳健估计方法 4.1 稳健估计 一个良好的稳健估计方法应该满足以下几 点： （1）找出的解是合理的，即使不为最优也 应当是十分好的。 （2）如果实际的模型有较小的偏离，则对 应的解应具有较高的稳定性。 （3）即使在样本中有小部分观测值有较大 的系统偏离，也仅归结为模型的小偏离 。 （4）即使模型有较大的偏离，也不会造成 灾难性后果。 4.2 一次范数最小平差方法 4.3 改进型一次范数最小平差 根据你对所学知识的理解，论述一下精 密测量技术在工程中有哪些应用（具体 写一个方面）。 要求：封面 （题目、学号、姓名) 字数（15002000字） 第三章 GPS在精密工程测量中的 应用 1. GPS卫星定位系统 Globle Position System 1.1 GPS组成 GPS系统由空间部分、地面控制部分和用 户部分组成。 空间部分：由21颗卫星加3颗备用卫星组成 ，均匀分布在6个轨道面上，离地面高度 2万余km，轨道倾角55度。 地面控制部分：任务是确定卫星位置，更 新卫星发布的信息，对整个系统进行维 护。 用户部分：由于GPS是一种被动式的定位系 统，GPS卫星只发射而不接收信号，系 统不管理用户，故用户可以无限多，只 要有GPS接收机，就可接受GPS卫星信号 ，而且与其他用户无关，具有很好的隐 蔽性。 1.2 原理 按定位时GPS接收机所处的状态，可将 GPS定位分为静态定位和动态定位。 静态定位：指将接收机静置于测站上连续 观测一段时间，以确定一个测站点在 WGS-84坐标系中的三维坐标（绝对定位 ）或两个测站点之间的相对位置（相对 定位）。 动态定位：至少有一台接收机处于运动状 态，测定的是各观测历元相应运动的点 位（绝对定位或相对定位）。 GPS定位的两种主要方法： 伪距码伪距单点定位（原理） 利用载波相位观测值定位（原理） 2. GPS定位中的误差 在GPS测量中，主要的误差源： 仪器误差 传播误差 星历误差 3. GPS控制网 3.1概念 GPS网：将应用GPS卫星定位技术建立的 控制网称为GPS网。 GPS网分类： 国家或区域性的高精度的GPS控制网 局部性的GPS控制网 3.2 GPS控制网的设计 GPS控制网的设计的一般原则为： （1）充分考虑建立GPS控制网的目的性 （2）采用分级布网的方案 （3）GPS测量的精度标准 （4）坐标系统和起算数据 （5）GPS点的高程 （6）GPS点的选取原则 （7）GPS网的选取原则 3.3 GPS控制网的监测 在GPS观测前，根据测区中心的概略经纬度 及高程和较新的星历进行预报，根据预 报即可选择最有利的观测时间，提高作 业效率。再根据作业的接收机台数、交 通车辆、GPS网形和星历预报编制观测 计划和调度指令，来安排GPS观测。 3.4 GPS控制网的数据处理 （1）分三个阶段： 基线解算 闭合差检验 网平差计算 （2）GPS网闭合差分为同步环和异步环闭 合差 同步环：由同步观测的基线构成的闭合 环。 异步环：有独立观测基线组成的闭合环。 4. 大气折射对GPS测量的影响 大气传播时间延迟：GPS卫星信号从卫星 传播时间到接收机要穿过一些介质，使 得传播时间要长于在真空中的传播时间 ，这称为大气传播时间延迟。 4.1 中性大气折射的影响 （1）中性大气：从地表至离地面80km高的 这一大气中，原子和分子处于中性状态 ，故该层大气称为中性大气，也称为对 流层。 （2）中性大气延迟：中性大气使得电磁波 的传播时间增加，称为中性大气延迟。 中性大气延迟： 干项 比较稳定，用合适的模型可得 到较好的改正 湿项 采用引入待估参数的方法处理 （3）经常采用的1973模型 4.2 电离层折射的影响 （1）电离层：地球表面60km1000km的这 层大气，由于太阳辐射，其中的原子被 电离层大量的正离子和电子，构成电离 层。 （2）电磁波通过电离层产生的时间延迟 （3）消除电离层折射的影响 5. 小波分析在GPS测量中的处理技术 5.1 定义 （1）消除或减弱噪声的方法：数据平滑或 Kalman滤波方法 （2）小波变化的定义 5.2 GPS测量中的信号误差 （1）信号传播误差 （2）GPS码和相位观测值的多路径效应 6. GPS在安全监测中的应用 （1）GPS定位技术的特点：精度高、没有 距离的限制、全天候作业、观测和数据 处理高度自动化。 （2）GPS在安全监测中的应用表现在： 地壳运动监测 区域性沉降监测 第四章 变形监测数据处理 变形分析的任务：对具有一定精度的观 测资料，通过合理的数学处理，寻找出 建筑物变形的时空分布情况及其发展规 律；掌握变形量与各种内外因素的关系 ，确定出建筑物变形是正常还是异常， 防止变形朝不安全的方向发展。此外， 有些变形监测的目的在于验证建筑物设 计的正确性以及反馈难以用通常方法获 得的多种有用信息。 回归分析：处理存在着统计相关的变量 与变量之间关系的一种方法，所建的模 型叫统计模型。 1.1 统计分析原理 1.2 方差分析与逐步回归 1.3 回归因子的初选 初选因子可采用三种方法确定： （1）借助于各种图表的分析确定初选因子 （2）通过初步的变形因素分析而确定因子 （3）由较完整的结构应力分析初选因子 2. 确定性模型和混合模型 2.1 确定性模型 确定性模型的特点：结合建筑物及其基 础的实际工作状态，考虑组成材料的特 性参数，以有限元方法计算荷载作用下 及其基础的应力应变效应场，然后与 实测变形值进行校正，求出计算值与实 测值之间的修正参数。 2.2 混合模型 混合模型的建立是基于以有限元法计算 水位作用分量并拟合得水位位移表达 式，以统计模型的温度分量表达式作为 温度分量因子，采用统计模型的时效表 达式描述时效分量而成。 2.3 动态平差模型 2.4 卡尔曼滤波动态模型 2.5 灰关联分析及GM模型 2.6 人工神经网络基本原理及应用 （1）人工神经网络的概念 人工神经网络是由大量简单的处理单元（ 神经元）广泛地互相连接而组成的能进行 推理的复杂系统。 其工作方式主要由两个阶段组成：其一是 学习阶段，通过对所选的学习样本的学习 过程，不断修正各有向连接途径的权值， 使学习结果十分逼近样本值；其二为推理 运行阶段，即以学习过程中不断修正后的 最终结果，对所处理的信息实施各种处理 。 （2）神经元结构 2.7 BP网络的计算 （1）BP神经网络的推理过程分为两个阶段 ：第一阶段为学习阶段，通过调整神经元 之间的连接权，使学习样本经过BP神经 网络计算逼近教师样本； 第二阶段就是以调整好的BP网络进行实 际计算。 （2）BP神经网络的应用 高程异常模型的应用 安全监控推理分析的应用 第五章 精密测量技术在工程中的应用 1. 大桥索塔变形监测 2. 顶管工程的精密导向 3. 自动全站仪在大坝位移监测中的应用 4. 相关分析推求K值 1某混凝土大坝，坝顶水平位移监