《工程测量学课程设计与实习》.doc

课程编号： 课程性质：必修工程测量学课程设计与实习 总 结 报 告学院： 测绘学院 专业： 测绘工程 地点： 武汉、三峡、宜昌、隔河岩 班级： 2011级1班 姓名： 张东营 学号： 2011301610031 教师： 黄声享 陈雪丰 张洪波 等 2014年10月20日 至 2014年11月14日目 录第一部分 课程设计第 1 章 附合导线和全边角网模拟计算.1第 2 章 基于观测可靠性的工程控制网优化设计.9第 3 章 隧道 GPS 网横向贯通误差模拟计算.13第 4 章 回答问题.16第5章 结束语.20第二部分 集中实习第 6 章 集中实习与专题报告的内容总结.21第7章 结束语.31第一部分 课程设计第1章 附合导线和全边角网模拟计算1.1模拟计算本次实习过程中采用的全边角网中有9个点，平均边长为1000m左右；还有一个附合导线为9个点的近似等边直伸附合导线，全长约4km，平均边长500m。模拟计算步骤如下：1.1.1生成正态标准随机数主菜单“设计”栏的下拉菜单，单击“生成正态标准随机数”，将弹出一对话框，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。1.1.2生成观测方案文件张东营+附合导线.FA2 1.8,2,2 1,0,0,0 2,0,310,400 3,1,600,8104,1,1020,11005,1,1410,14106,1,1890,17207,1,2310,20108,0,2610,24009,0,2900,2800 2 L:1,3 S:3 3 L:2,4 S:2,4 .张东营+全边角网.FA2 0.7,1,1 1,0,0,0 2,1,1000,0 3,1,1200,200, 4,1,1000,350 5,1,810,200 6,1,210,100 7,1,320,190 8,1,250,390 9,1,100,300 1,2,A,0.0 1 L:2,3,5,4,6,7,8,9 S:2,3,5,4,6,7,8,9 2 L:1,3,4,5,8,9,7,6 S:1,3,4,5,8,9,7,6 .1.1.3生成初始观测值文件单击“生成初始观测方案文件”菜单项，可由人工生成的方案文件生成平面网初始观测方案文件“张东营+附合导线.OB2”“张东营+全边角网.OB2”；再单击“生成初始观测值文件”菜单项，可自动生成平面网初始观测值文件张东营+附合导线.in21.800,2.000,2.000,1 1, 0.000000, 0.000000 2, 310.000000, 400.000000 8, 2610.000000, 2400.000000 9, 2900.000000, 2800.0000002 1,L,0.0000 3,L, 182.301227 3,S, 502.1968433 2,L,0.0000 4,L, 159.534837 2,S, 502.192713 4,S, 510.393827.张东营+全边角网.in20.700,1.000,1.000,1 1, 0.000000, 0.0000001 2,A, 0.000000,0 2,L,0.0000 3,L, 9.274456 5,L, 13.521108 4,L, 19.172490 6,L, 25.274831 7,L, 30.415819 8,L, 57.202061 9,L, 71.335448 2,S, 999.998393 3,S, 1216.550991 5,S, 834.325121 4,S, 1059.484442 6,S, 232.594930 7,S, 372.157455 8,S, 463.248961 9,S, 316.2271452 1,L,0.0000 3,L, 224.595942 4,L, 269.595945 5,L, 313.315170 8,L, 332.313292.1.1.4平面网平差对in2文件分别在主菜单“平差”栏作平面网平差，生成“张东营+附合导线.OU2” 和“张东营+全边角网.OU2”张东营+附合导线.OU2近似坐标- Name X(m) Y(m)- 1 0.000 0.000 2 310.000 400.000 8 2610.000 2400.000 9 2900.000 2800.000 3 600.000 810.002 4 1020.000 1100.006 5 1409.999 1410.005 6 1889.988 1720.014 7 2310.001 2009.998-.单位权中误差和改正数带权平方和- 先验单位权中误差:1.80 后验单位权中误差:1.61 多余观测值总数:3 平均多余观测值数:0.15 PVV1 = 7.80 PVV2 = 7.80- 张东营+附合导线控制网总体信息已知点数: 4 未知点数: 5方向角数: 0 固定边数: 0方向观测值数: 14 边长观测值数: 6方向观测先验精度:1.80 边长观测先验精度(A,B):2.00,2.00-张东营+全边角网.OU2- 近似坐标- Name X(m) Y(m)- 1 0.000 0.000 2 999.998 0.000 3 1199.940 199.992 4 999.999 350.002 5 809.996 199.999 6 209.998 100.000 7 319.997 189.997 8 249.998 389.995 9 99.998 299.997-.单位权中误差和改正数带权平方和- 先验单位权中误差:0.70 后验单位权中误差:0.63 多余观测值总数:84 平均多余观测值数:0.77 PVV1 = 33.36 PVV2 = 33.37- 张东营+全边角网控制网总体信息已知点数: 1 未知点数: 8方向角数: 1 固定边数: 0方向观测值数: 72 边长观测值数: 36方向观测先验精度:0.70 边长观测先验精度(A,B):1.00,1.00- 网图如下 1.2统计计算分别对全边角网和附合导线，用不同的正态随机数组进行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30-60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。按如下公式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 后验单位权中误差、均值和中误差之中误差组别后验单位权中误差 （附合导线先验值=1.80全边角网=0.70）均值（） （）附合导线组 1.61 0.96 0.98 1.23 1.90 1.26 0.61 1.62 2.16 1.02 2.30 1.18 1.89 1.60 1.91 1.37 0.74 1.69 0.80 2.06 1.3250.625全边角网组0.63 0.65 0.72 0.77 0.62 0.83 0.69 0.74 0.58 0.69 0.72 0.82 0.78 0.80 0.69 0.59 0.77 0.52 0.68 0.70 0.6840.1471.3假设检验1.3.1后验单位权中误差显著性检验首先作检验，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0.05，要列出公式和写出计算过程，对和构成统计量零假设： 备选假设： 当时，接受；当 时，接受，即后验单位权中误差与先验值1.80有显著性差别。其中，为分布的自由度，在这里等于19，为显著水平，取0.05，为分位值，检验结果如表所示。由表得知：附合导线中后验单位权中误差最或然值与先验值有显著性差别，且都小于先验值。说明后验单位权中误差不是的无偏估计量。而全边角网中后验单位权中误差最或然值与先验值没有显著性差别，说明其后验单位权中误差是的无偏估计量。后验单位权中误差的显著性检验组号（）（）()检验结果附合导线11.81.3250.6253.3991.729拒绝附合导线21.81.3570.7163.3881.729拒绝全边角网组0.70.6840.1470.4871.729接受1.3.2组间后验单位权中误差的中误差的显著性检验对上表计算所得的第1、2组的中误差之中误差进行F检验，零假设和备选假设为： 作统计量 其中，为分位值，和为自由度，在这里均等于19，为显著水平，取0.05。当时，接受；否则，接受。计算得：F1.328，小于分位值（2.16），接受，说明这两组的中误差之中误差无显著差别，由此推得，表1，2两组的中误差之中误差都无显著差别，说明采用统计法计算的中误差之中误差是可靠的。1.4粗差分析在附合导线的一个方向观测值中加入10粗差，后验单位权中误差增大，有时加入一个粗差后，后验单位权中误差并不显著增大，但导线点的坐标变化仍会变大。且导线观测值的粗差很难通过粗差探测方法发现，粗差也可能被探测出来，但不能准确定位。同样对全边角网(网的具体信息见第二章)在一个方向观测值中加入10粗差，平差后后验单位权中误差变化不大, 点击“平差”菜单下的“粗差探测”选项，看是否能发现所模拟的粗差：叠置分析点号 X(m) Y(m) x(m) y(m) p(m)3 0.001 -0.003 0.001 0.002 0.0024 0.000 -0.001 0.001 0.001 0.0025 0.000 -0.001 0.001 0.001 0.0026 0.000 -0.000 0.001 0.001 0.0027 0.000 -0.000 0.001 0.001 0.0028 0.000 -0.000 0.001 0.001 0.0029 0.000 -0.000 0.001 0.001 0.0021 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0002 -0.000 0.000 0.001 0.000 0.001以上结果说明，对于附合导线来说，观测值的粗差很难通过粗差探测方法发现。只有在假设已知坐标无粗差时，当一个方向（或一条边长）存在粗差时，才有可能被检测出来，而且观测值粗差对平差结果的影响较大，而对于全边角网却很容易探测出粗差，且粗差对平差结果影响不大。综合考虑原因，是由于附合导线多余观测数较小，图形强度不大，而全边角网的多余观测数则大得多，网型较强，从而其抵抗以及探测粗差的能力强。第2 章基于观测可靠性的工程控制网优化设计2.1设计一个全边角网“肥”而“密”的初始方案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“张东营+工程控制网.FA2”文件，自动生成“张东营+工程控制网.IN2”文件。部分如下所示：张东营+工程控制网.FA20.7,1,1J,0, -2500,0J1,1, -2460,-400J2,1, -3000,20J3,1, -2750,350C,1, 2500,0C1,1, 2500,-400C2,1, 2950,-20C3,1, 2250,350J,C,A,0.0JL:J3,J2,J1,C1,C2,C3,CS:J3,J2,J1,C1,C2,C3,C.张东营+工程控制网.IN20.700,1.000,1.000,1 J, -2500.000000, 0.000000J C,A, 0.000000,0 J3,L,0.0000 J2,L, 52.101837 J1,L, 150.102271 C1,L, 229.531898 C2,L, 234.150770 C3,L, 238.403459 C,L, 234.274426 J3,S, 430.117098 J2,S, 500.398869 J1,S, 401.995800 C1,S, 5015.960043 C2,S, 5450.033496 C3,S, 4762.873148 C,S, 5000.003652.平差结果 最弱边及其精度-FROM TO A(dms) MA(sec) S(m) MS(cm) S/MS E(cm) F(cm) T(dms) J3 J2 232.511213 0.38 414.00596 0.066 631000 0.076 0.066 139.2518- 单位权中误差和改正数带权平方和- 先验单位权中误差:0.70 后验单位权中误差:0.58 多余观测值总数:63 平均多余观测值数:0.74 PVV1 = 21.51 PVV2 = 21.51- 张东营+工程控制网控制网总体信息已知点数: 1 未知点数: 7方向角数: 1 固定边数: 0方向观测值数: 56 边长观测值数: 28方向观测先验精度:0.70 边长观测先验精度(A,B):1.00,1.00-2.2优化设计单击“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，将弹出如图平面网优化信息根据平均多余观测分量的初始值，给定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。2.3比较初始方案与优化方案的坐标差调用叠置分析功能，比较初始方案与优化设计方案的坐标差，结果如下点号 X(m) Y(m) x(m) y(m) p(m)C2 0.004 0.003 0.033 0.003 0.033C3 0.001 0.001 0.032 0.002 0.032J 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000J1 0.004 0.001 0.032 0.004 0.033J2 0.001 -0.003 0.002 0.040 0.040J3 -0.003 -0.002 0.028 0.020 0.035C1 0.004 0.001 0.034 0.002 0.034C 0.003 0.000 0.033 0.000 0.0332.4优化效益分析优化前后网图删除的观测值（平均多余观测分量设计值为0.50）共28个方向观测值，14个边长观测值。 1 J - C1 LRi=-0.83 2 J - C2 LRi=-0.83 3 J - C3 LRi=-0.83 4 J - C LRi=-0.83 5 J3 - C1 LRi=-0.83 6 J3 - C2 LRi=-0.83 7 J3 - C3 LRi=-0.83 8 J3 - C LRi=-0.83 9 J2 - C1 LRi=-0.83 10 J2 - C2 LRi=-0.83 11 J2 - C3 LRi=-0.83 12 J2 - C LRi=-0.83 13 J1 - C1 LRi=-0.82 14 J1 - C2 LRi=-0.82 15 J1 - C3 LRi=-0.82 16 J1 - C LRi=-0.82 17 C - J LRi=-0.83 18 C - J3 LRi=-0.83 19 C - J2 LRi=-0.83 20 C - J1 LRi=-0.83 21 C1 - J LRi=-0.83 22 C1 - J3 LRi=-0.83 23 C1 - J2 LRi=-0.83 24 C1 - J1 LRi=-0.83 25 C2 - J LRi=-0.83 26 C2 - J3 LRi=-0.83 27 C2 - J2 LRi=-0.83 28 C2 - J1 LRi=-0.83 1 J - C1 SRi=-0.90 2 J - C2 SRi=-0.92 3 J - C3 SRi=-0.89 4 J - C SRi=-0.91 5 J3 - C1 SRi=-0.90 6 J3 - C2 SRi=-0.92 7 J3 - C3 SRi=-0.89 8 J3 - C SRi=-0.91 9 J2 - C1 SRi=-0.91 10 J2 - C2 SRi=-0.93 11 J2 - C3 SRi=-0.91 12 J2 - C SRi=-0.92 13 J1 - C2 SRi=-0.91 14 J1 - C SRi=-0.90其中LRi表示方向观测值的多余观测分量，SRi 表示边长多余观测分量，被删除的都是多余观测分量为0.8以上较大的方向观测值和边长观测值，将他们结合网图进行分析，发现这些观测值都与边长和网型有关，即它们对应的边长都比较长，这说明它们精度不高，在网中地位较低。对于控制网，观测值的多余观测分量是其内部可靠性的量度，那些多余观测分量较大的可靠性较小，相应地，它们也会影响到与其邻近的、结构上紧密相关的那些观测值，造成网的各观测值没有均匀的可靠性。但是在控制网的设计中，我们必须要求在网形结构和精度配置上使各观测值有比较均匀的可靠性。为了兼顾精度和可靠性及费用问题，删除一些多余观测分量较大的、在网中地位较低的观测值是有必要的。第3 章 隧道 GPS 网横向贯通误差模拟计算3.1 GPS网模拟计算的原理与方法GPS 网的观测量是伪距、载波相位和时间，通过静态同步观测，可以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测值进行模拟无疑是很困难的。但是将基线向量投影到某一个参考椭球面上并进一步投影到高斯平面后，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的平面网，根据上述思想，可以将GPS 网按照下面两种方法进行模拟：（1）边长和方向全测的边角网，观测值为边长和方向。（2）边长及其方位角全测的全边方位角网，观测值为边长和方位角。3.2生成观测方案文件人工生成简化的方案文件张东营+GPS网.FA20.7,1,1J,0, -2500,0J1,1, -2460,-400J2,1, -3000,20J3,1, -2750,350C,1, 2500,0C1,1, 2500,-400C2,1, 2950,-20C3,1, 2250,3501,1, 0,0J,C,A,0.0JL:J3,J2,J1,C1,C2,C3,CS:J3,J2,J1,C1,C2,C3,C.自动生成初始观测值文件张东营+GPS网.in20.700,1.000,1.000,1 J, -2500.000000, 0.000000J C,A, 0.000000,0 J3,L,0.0000 J2,L, 52.101837 J1,L, 150.102271 C1,L, 229.531898 C2,L, 234.150770 C3,L, 238.403459 C,L, 234.274426 J3,S, 430.117098 J2,S, 500.398869 J1,S, 401.995800 C1,S, 5015.960043 C2,S, 5450.033496 C3,S, 4762.873148 C,S, 5000.003652.平差结果单位权中误差和改正数带权平方和- 先验单位权中误差:0.70 后验单位权中误差:0.58 多余观测值总数:63 平均多余观测值数:0.74 PVV1 = 21.51 PVV2 = 21.51- 张东营+GPS网控制网总体信息已知点数: 1 未知点数: 7方向角数: 1 固定边数: 0方向观测值数: 56 边长观测值数: 28方向观测先验精度:0.70 边长观测先验精度(A,B):1.00,1.00控制网图 3.3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引导文件，该为“张东营+GPS网.GTI”。文件如下：J,J1,C,C1,1,0,0,90.00J,J1,C,C2,G,0,0,90.00J,J1,C,C3,G,0,0,90.00J,J2,C,C1,G,0,0,90.00J,J2,C,C2,G,0,0,90.00J,J2,C,C3,G,0,0,90.00J,J3,C,C1,G,0,0,90.00J,J3,C,C2,G,0,0,90.00J,J3,C,C3,G,0,0,90.00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。在主菜单单击“工具”下面的“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“张东营+GPS网.GTO”中。注意：在计算贯通误差影响值前，除准备好引导文件外，还必须对控制网进行平差计算。3.4结果分析对于铁路山岭隧道来说，纵向误差只要不大于定测中线的误差，能够满足铺轨的要求即可，高程误差影响隧道的坡度，但其容易满足限差的要求；而横向误差如果超过了限差，就会引起隧道中线几何形状的改变，甚至洞内建筑物侵入规定限界而使已衬砌部分拆除重建，给工程造成损失。一般取两倍中误差作为各项贯通误差的限差。考虑以上因素，比较上面几组不同的组合方案，选择J J2 C C3这一组较好。第4章 回答问题4.1工程控制网的质量准则是什么？有何作用？答：网的质量准则主要是精度、可靠性、建网费用，对于变形监测网还包括灵敏度和可区分度。精度指标是描述误差分布离散程度的一种度量，精度准则常采用的有点位精度，相对点位精度（包括误差椭圆）以及特征值以及主元（或主分量）等指标。网的可靠性指标指发现和抵抗模型误差的能力大小的一种度量，建议采用平均多余观测分量ri 衡量。灵敏度是变形监测网特殊的质量准则，指监测网发现某一变形的能力大小的一种度量。表现为网点在特定方向上的精度，只有在特殊情况下才需要作灵敏度计算。一般，可以采用误差椭圆近似地进行评价，即网点在要求的方向上误差应较小，如尽量靠近误差椭圆的短轴方向。4.2工程控制网优化设计的方法有哪些？各有何优缺点？答：工程控制网优化设计有解析法和模拟法两种，它们都需要依靠程序在计算机上作大量和复杂的计算，显然都是机助法。解析法是以最优化理论为基础的严密方法，其数学模型一般表示为第一式称目标函数，第二、三式称约束条件。优化设计的实质是在给定的约束条件通过求目标函数的极值而得到最优解。目标函数可以是精度、可靠性、灵敏度或费用等指标，约束条件也可以是上述指标，目标函数和约束条件都是一种经过简化的数学模型，总不能完全反映客观实际。而且，绝大多数情况下，解析法是对观测值的权进行最佳分配，优化后还存在取整的问题，同一测站上还要划为便于操作的等权观测问题。经过取整和调整后的观测方案不再是最优的了。解析法不但存在上述缺点，同时还因优化任务不同，目标函数和约束条件的数学模型也不尽相同，故研制通用的解析法优化设计通用软件的难度较大。模拟法实际上是一种试算法。一般作法是：根据优化的任务和设计者的知识和经验，制定初始设计方案，用模拟的观测值对该方案作平差计算，对平差结果作评价，对初始方案进行修改，再计算、再修改，如此多次重复，直至认为满意为止。可见，模拟法需要一个好的平差程序，该程序还能作观测值模拟，能显示网图及各种精度指标和可靠性数值指标，能便于人机对话式操作，算法好（如采用序贯算法），速度快。模拟法的缺点是：即使有一个好的优化设计程序，但仍依赖于设计者的知识和经验，同样的要求，甚至同样的初始设计方案，不同人设计出的最终方案也有差别，甚至差别还很大。4.3简述工程控制网模拟设计计算的步骤。答：工程控制网按独立坐标系设计，如采用工程坐标系，只选一个已知点和一个已知方向。若在国家或城市网中布设 GPS 网，且已知点数大于等于 2 个，则必须保证已知点的精度应高于或至少等于所布设 GPS 网的精度，且不含粗差。因为计算的精度都是相对于基准的，所以基准的选定非常重要。按网图和文件结构生成观测方案文件“网名.FA2”或“网名.GFA”，文件“网名.FA2”是按全边角网进行模拟，文件“网名.GFA”是按全边方位角网进行模拟。在软件包 CODAPS 的主菜单“设计（D）”栏内，先后调用“生成正态标准随机数”“生成初始观测方案文件”和“生成初始观测值文件”，即可由“网名.FA2”文件，通过随机数文件 Random.DAT，生成初始观测值文件“网名.IN2”或从“网名.GFA”文件和 Random.DAT 文件直接生成“网名-GPS.IN2”文件。 “网名.IN2”是模拟的全边角网观测值文件， “网名-GPS.IN2”文件则是由模拟的全边方位角网观测值文件。在主菜单的“平差（A）”栏中调用“平面网”子菜单项，即可完成网的模拟计算，生成平差结果文件： “网名.OU2”和“网名-GPS.OU2”。由 OU2 文件可查看观测值的平差值、网点坐标平差值及其精度，以及边长和方位角的精度等，其中点位平均误差、最弱点中误差、最弱边中误差以及网的总体信息等是最重要的结果。4.4为什么附合导线的后验单位权中误差与先验值相差较大？在测设时应注意些什么？答：在间接观测平差中，后验单位权中误差按式 计算, 式中， p 为观测值的权， v 为观测值改正数， n 为观测值个数， u 为独立未