工程控制网数据处理软件设计教学课件 武汉大学

1 工程控制网数据处理软件设计 郭际明jmguo 课程简介 工程控制网数据处理的理论和方法控制网数据处理程序设计原理 编程思路平面网 高程网 GPS网典型软件与算例 2 面授要求 掌握工程控制网数据处理的基本理论和方法 学习工程控制网数据处理软件设计的基本方法 编写部分程序代码 结合典型软件 进行工程控制网算例的数据处理 3 第一章C 编程语言基础 1 1VC 语言概述C 结构化程序设计语言 既有高级语言的特点 又具有汇编语言的特点C 面向对象的程序设计语言 抽象性 封装性 继承性和多态性 C的进一步扩展VC 6 0 2005 2008 2010 是微软公司开发的一个集成开发环境 IDE 使用c 的一个开发平台 4 第一章C 编程语言基础 1 2控制网数据处理程序代码中VC 基本知识数组一维数组类型标识符数组名 常量表达式 例如 doubleDirection 100 定义了一个可以存放100个方向观测值的双精度一维数组 数组元素的序号是0 1 2 99 5 第一章C 编程语言基础 二维数组类型标识符数组名 常量表达式 常量表达式 例如 法方程的系数阵可以定义一个双精度二维数组表示如下为doubleN 100 100 6 第一章C 编程语言基础 工程控制网软件设计中经常采用一维和二维数组进行数据存储和组织计算 例如一维数组有 方向观测值数组 边长观测值数组 点名字符串数组 坐标数组等 二维数组主要有 法方程系数阵 7 第一章C 编程语言基础 指针基类型 指针变量名例如 FILE ResultFile ResultFile fopen XY txt wt 控制网数据处理中常采用文件指针进行数据文件的读写 采用指针进行参数的传递等 8 第一章C 编程语言基础 类类代表了某一批对象的共性和特征class类名 private 私有的数据和成员函数public 公用的数据和成员函数 9 矩阵类用面向对象的方法构造的矩阵类不但像数组一样能存贮数据 而且还能操作数据 数据和方法被封装在一起 程序员不用考虑数组的大小 因为这一切在矩阵类中都是自动处理的 矩阵类为控制测量计算提供了便利 10 第一章C 编程语言基础 classCReadGPS3dVector public CStringstrFileName intKnownPointNumber CStringArrayPointName private FILE GPS3dXYZ GPS3dVector public CReadGPS3dVector void CReadGPS3dVector void BOOLReadData 11 第一章C 编程语言基础 控制网数据处理可以基于C 类 进行软件设计 例如 可以设计如下的 类 按 类 组织数据 实现相应功能 读取已知数据和观测值 类 数据预处理 类 平差计算 类 闭合差计算 类 成果输出 类 12 第一章C 编程语言基础 文件FILE ResultFile ResultFile fopen XY txt wt fprintf ResultFile s 14 3lf 14 3lf n PointName X Y fclose ResultFile 注 printf sprintf fprintf scanf sscanf fscanf 工程控制网软件设计一般采用文本格式的数据文件进行输入和输出 主要有观测数据文件 已知数据文件 平差结果文件 13 第二章工程控制网数据处理的基本理论和方法 2 1概述建立平面控制网可采用全站仪边角观测 GPS基线向量观测 建立高程控制网可采用水准仪高差观测 全站仪三角高程测量等方法 工程控制网数据处理是对外业获得的观测值进行一系列的运算 获得各个控制点的平差坐标 两点之间的边长和方位角的平差值 精度指标 并形成成果报告 主要计算内容有观测值概算与投影 控制网平差 精度评定与成果输出 14 2 2观测值概算与投影2 2 1方向观测值概算与投影 1 方向观测值归化至椭球面 a 垂线偏差改正 15 b 标高差改正 16 c 截面差改正 2 方向观测值从椭球面改化到高斯平面 17 2 2 2边长观测值概算与投影 1 将地面电磁波测距长度归算至椭球面 a 气象改正例如 对于TPS1000系列全站仪 气象改正公式为 18 b 斜距化算至平均高程面上的平距 19 c 平均高程面至坐标系参考投影面的改正 2 边长从椭球面改化到高斯平面 20 边长从原始观测值改化到高斯平面距离的流程图气象改正斜距化算至平均高程面平距平均高程面至坐标系参考投影面的改正边长从椭球面改化到高斯平面 21 2 2 3高差观测值概算 1 电磁波测距三角高程的高差计算 22 2 水准测量高差改正计算 a 水准标尺每米真长改正 b 正常水准面不平行改正 c 重力异常改正 23 2 3近似坐标推算极坐标方法方向交会法边长交会法相似变换 24 2 4控制网平差平面控制网 1 水平方向观测值误差方程 2 方位角观测值误差方程 25 3 边长观测值误差方程 4 二维GPS基线向量误差方程 26 高程控制网三维控制网 27 2 5粗差探测巴尔达 Baarda 数据探测法 1 最小二乘平差计算 求得参数的平差值及其权逆阵 2 计算观测值的最小二乘残差 3 计算每个观测值残差的权倒数及方差 4 计算每个观测值的标准化残差 并找出绝对值最大的标准化残差 5 判断绝对值最大的标准化残差是否超出限差 若超出限差 则为粗差 28 2 6方差分量估计赫尔默特方差分量估计法 1 将观测值按等级或按不同观测来源分类 并进行验前权估计 2 进行第一次平差 求得 3 求得各类观测值单位权方差的第一次估值 4 反复进行第二项和第三项 29 2 7高斯投影正反算 30 高斯投影换带计算的流程图L0 第1带 L0 第2带 x1 y1 B L x2 y2 不同坐标系的相互转换 二维4参数 三维7参数 计算流程图 31 输入公共点坐标 计算转换参数 计算转换结果 第三章平面控制网平差软件 3 1概述随着测量技术和方法的发展变化 出现了各种各样的平面控制网网形 例如灵活的导线网 边角全测的变形监测网 自由设站的高铁CPIII控制网等 精密工程测量控制网对数据处理软件提出了更高的要求 例如国外有德国的GL Survey 荷兰的MOVE3 加拿大的Geolab 俄罗斯的ARMIG等软件 国内有武汉大学 同济大学 清华大学 西南交通大学 南方测绘等研制了各具特色的控制网数据处理软件 32 平面控制网平差软件的主要数学方法是最小二乘法 PVV min方向观测值误差方程及其定权边长观测值误差方程及其定权 33 平面控制网数据处理软件应具备的基本功能 观测值预处理控制网平差精度评定成果输出 34 3 2平面控制网平差计算主程序实例3 3平面控制网算例以武汉大学CODAPS软件为例 讲解程序使用方法和平面网算例 CODAPS是地面工程测量控制测量数据处理通用软件包的简称 具有任意导线网 边角网 自由网 高铁GPIII网和高程网的严密平差计算 网图显绘 报表打印以及模拟计算 优化设计 粗差探测定位 方差分量估计 闭合差计算 隧道贯通误差估算 叠置分析等功能 35 36 CODAPS采用控制网网名进行数据管理 文件命名规则 网名 PG0二三维网原始观测值文件网名 SV斜距改化文件网名 IN2平面观测值文件网名 OU2平差结果文件网名 OUC粗差定值定位后平差结果文件网名 OUF方差分量估计后平差结果文件网名 MAP平面网绘图文件网名 DXY叠置分析结果文件网名 CT偏心文件网名 XYH概算文件 37 网名 CLI闭合差计算输入文件网名 CLO闭合差计算输出文件网名 GTI贯通误差影响值计算输入文件网名 GTO贯通误差影响值计算输出文件网名 FA2模拟观测方案设计文件网名 OB2模拟观测方案文件网名GE INP模拟粗差文件网名 NET二义点信息文件网名 XY0二义点概略坐标文件网名 COR平差坐标文件 38 文件名 BL I BL O大地经纬度输入输出文件文件名 XY I XY O高斯平面坐标输入输出文件文件名 BLH I BLH O大地椭球坐标输入输出文件文件名 XYZ I XYZ O大地直角坐标输入输出文件文件名 XYXY I XYXY O二维坐标变换输入输出文件文件名 XYZXYZ I XYZXYZ O三维坐标变换输入输出文件 39 网名 IFI附加信息输入文件网名 IFO附加信息输出文件网名 SC2删除观测值的结果文件网名 PFM观测值报表封面文件网名 TA2观测值报表文件网名 CV2平差结果封面文件网名 RT2 DOC平差结果输出文件 40 输入数据文件结构CODAPS将观测值精度信息 已知点坐标 平面观测值组织到一个文件中 网名 IN2 是最主要的输入数据文件 其文件结构为 方向中误差 测边固定误差 比例误差已知点点号 X坐标 Y坐标 41 测站观测值测站点点号照准点点号 观测值类型 观测值 0 7 3 31 3730958 610 264342 5912 3714636 8876 276866 083212 L 03 L 27 3625576 L 83 435791 42 设置与选项 43 1 平差设置 a 观测值文件排序 b 观测值概算 网名 XYH c 近似坐标用边长交会网形信息文件 文件名为 网名 NET 概略坐标文件 文件名为 网名 XYO d 单位权选择 e 边长定权公式 f 平差迭代限值 44 概算用文件 网名 XYH 网点点名 X Y H BH N 概算算例网 XYH 13730958 6100264342 5910535 78 01 33 4 0 723714636 8876276866 0832203 98 01 14 02 543700347 1407266213 9081376 08 11 60 63 753709621 8715258215 6696182 07 91 11 01 463721646 7827254621 4564166 27 81 00 83 433718773 3604266467 5123179 67 91 52 81 4 45 网名 NET 点名1 点名2 点名3点名1 点名2 点名3为边长交会三角形的三个顶点 按逆时针方向排列 每一个三角形组合占一行 网名 XYO 点名概略坐标X0概略坐标Y0 46 2 坐标系统设置 a 坐标系统 b 中央子午线 c 投影面高程 47 3 粗差探测设置方差比1 05 1 20之间粗差倍值取值应大于3改正数倍值可取1 5 2 5 48 附加信息文件文件实例 隧道网 IFI R PREcision13 3113 2113 17121 171Qxx matrix2 3 1331 21 171L constant 49 普通控制网平差自由网平差 1 数据文件准备在IN2文件中不能输入已知点坐标 即所有点都作为未知点 需要准备近似坐标文件 网名 XY0点名 近似X值 近似Y值 拟稳点标记其中 拟稳点标记 1 表示该点为拟稳点 若为0则表示该点为非拟稳点 50 高铁CPIII网平差 1 数据文件准备 2 平差计算 51 3 3 2平面网平差算例边角网 52 附合导线 53 变形监测自由网 54 55 第四章水准网平差软件 概述水准网的观测量是高差观测值 待求参数是各点的高程 有各段水准观测值形成的闭合图形称为闭合环 环闭合差 测段往返测高差之差是水准网中的重要的质量指标 平差的目的是为了确定网中未知点的最或然高程并进行精度评定 水准网中的高差观测值是待求参数的线性函数 因此平差过程不需要迭代 56 水准测量高差观测值的权 57 距离定权 测站数定权 水准网观测数据准备采用电子水准仪观测时 仪器内部安装了相应的观测和数据记录软件 常用的数据记录格式有 徕卡GSI 天宝DAT为了进行后续的平差 需要把外业的原始记录格式的观测值转换为平差程序所需要的输入数据文件 为了存档 一般还需要把外业观测值转换为符合规范要求的打印格式的文件 可采用Excel电子表格 58 水准网平差计算的流程形成高差观测值文件平差计算精度评定成果输出 59 程序实例 以武汉大学CosaLEVEL软件为例 讲解程序使用方法和水准网算例输入数据文件格式为 已知点点号 已知点高程值 测段起点 终点 高差 距离 测站数 第一部分为高程控制网的已知数据 即已知高程点点号及其高程值 第二部分为高程控制网的观测数据 60 项目 新建项目 61 导入 导出 导入已知点数据 62 导出Excel手簿 63 64 65 导入Excel手簿 66 67 网平差 68 水准网平差算例 1 输入数据文件 IN1文件 二等水准测量观测值 BM01 25 7919G109 32 7078G110 G109 0 3420 0 505G109 G110 0 3430 0 505G110 S111 0 2845 0 126S111 G110 0 2849 0 126S111 S112 1 3655 0 146S112 S111 1 3645 0 146S112 S113 2 0557 0 189S113 S112 2 0559 0 189S113 S114 0 6754 0 242 69 S114 S113 0 6760 0 242S114 S115 0 0959 0 160S115 S114 0 0952 0 160S115 S116 1 9922 0 499S116 S115 1 9912 0 499S116 S117 0 1646 0 317S117 S116 0 1649 0 317S117 B113 0 3368 0 420B113 S117 0 3370 0 420B113 BM01 0 6060 0 127BM01 B113 0 6062 0 127 平差高差值序号起点末点平差值改正数中误差距离 1G110G1090 342590 590 190 505002G109G110 0 342590 410 190 505003G110S111 0 28472 0 220 100 126004S111G1100 28472 0 180 100 126005S111S112 1 365030 470 110 146006S112S1111 365030 530 110 146007S112S113 2 05583 0 130 130 189008S113S1122 05583 0 070 130 189009S113S114 0 67574 0 340 140 2420010S114S1130 67574 0 260 140 2420011S114S115 0 095580 320 120 1600012S115S1140 095580 380 120 1600013S115S116 1 991790 410 190 49900 70 平差高程值 序号点名高程 m 高程中误差 mm 1BM0125 791900 002G10932 707800 003G11032 365210 194S11132 080480 215S11230 715460 236S11328 659620 247S11427 983880 258S11527 888300 259S11625 896510 2310S11726 061200 2011B11326 398020 11 71 计算往返测高差观测值互差的子程序 起点终点dh1 m dh2 m delta mm 距离 km 限差 mm G110G1090 34200 0 34300 1 000 505002 84G110S111 0 284500 284900 400 126001 42S111S112 1 365501 36450 1 000 146001 53 每公里高差中数偶然中误差 0 66mm 72 第五章GPS控制网平差软件设计 5 1概述GPS网平差的目的主要有 1 消除由观测量和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何上的不一致 2 改善GPS网的质量 评定GPS网精度 3 确定GPS网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值 GPS基线向量 73 根据进行网平差时所采用观测量和已知条件的类型和数量 GPS基线向量网平差可分为 1 三维向量网平差 2 二维约束平差 3 GPS网与地面网联合平差同步时段 同步环 独立基线向量 异步环 一个时段同步向量条数 n n 1 2 独立基线向量条数 n 1 74 5 1 1函数模型 75 编号为k的基线向量误差方程为当网中有个待定点 条基线向量时 则GPS网的误差方程为 76 5 1 2随机模型 77 5 2GPS网平差程序流程图 78 5 3GPS网算例本节以CosaGPS软件为例 讲解程序使用方法和GPS网算例5 3 1程序使用说明空间直角坐标系 WGS84 进行三维向量网平差 在高斯平面坐标系进行二维联合平差 针对工程独立网的固定一点一方向的平差 高程拟合等功能 79 与工程有关的GPS文件 工程名 GPS1dKnownH已知高程文件 工程名 GPS2dKnownXY已知平面坐标文件 工程名 GPS3dKnownXYZ已知三维坐标文件 工程名 GPS2dAzimuth地面方位角 工程名 GPS2dDistance地面边长工程名 GPS3dVectorGPS三维基线向量工程名 GPS2dVectorGPS二维坐标差向量工程名 GPS3dBLHVectorGPS三维大地坐标差向量 80 工程名 GPS1dResultGPS高程拟合结果工程名 GPS2dResultGPS二维联合平差结果工程名 GPS3dResultGPS三维向量网平差结果工程名 GPS3dBLHResultGPS三维网椭球面上联合平差结果工程名 GPS3dBLHGPS三维大地坐标文件工程名 GPS3dXYHGPS平面坐标和大地高文件工程名 GPS3dXYHEFTGPS平面坐标 大地高 误差椭圆元素文件工程名 GPS2dXYEFTGPS二维联合平差高斯平面坐标及误差椭圆元素文件工程名 dxfAutoCAD的DXF格式的网图文件 81 固定一点一方向的工程网