20060408-工程测量学习题和实习指导书(无图).doc
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4、 基本要求名称:工程控制网模拟计算分析与优化设计时数:8个课时,课堂辅导性讲解2个课时,在课堂作数据准备1个课时。上机计算3个课时。撰写课程设计报告2个课时。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)。2.1.2目的掌握工程测量控制网模拟法优化设计计算的基本理论和方法,通过对若干典型工程控制网的计算机辅助模拟计算设计和结果分析,能根据工程要求独立布设控制网并进行内业设计计算。掌握隧道(隧洞)GPS控制网测量误差所应起的隧道(隧洞)横向贯通误差模拟计算基有空格本原理和方法。通过对隧道(隧洞)GPS控制网测量误差所应起的隧道(隧洞)横向贯通误差模拟计算和结果分析,能依
5、据横向贯通误差限差的要求,独立布设控制网、独立进行内业设计计算和确定必要观测精度等。2.1.3课程设计任务书一、全边角网与附合导线的模拟计算与分析1)网的基本信息:网点总数: 8 个 已知点数:附合导线为4个;全边角网1 2个(若只有1个点,还必须有一个已知方向)观测值总数: 全边角网(自定) 已知点坐标: 自定 待定点近似坐标: 自定平均边长: 全边角网 800m 左右,附合导线 300m左右 图1-1:桥梁全边角网 图1-2:附合导线网 2)计算步骤字体(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”,将弹出一对话框,要求
6、您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。第二个参数即“随机数个数”只能选200,400或500三个值,即最多可生成500个服从(0、逗号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,检验通过且就存放在RANDOM.DAT文件中.该文件中的随机数用于网的优化设计,籍此可生成不同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观测方案文件“网名.FA2”(只含一组精度),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“生成初始观测值文件”菜单项,可自动生成平面网初始观
7、测值文件“网名.IN2”。由“网名.IN2” 文件,可在“平差”栏作平面网平差计算与分析。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,加单位边长固定误差(mm),比例误差(ppm)模拟的先验精度: mr = ma = mb = 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),坐标,坐标,第K+1行(已知方位角部分,有已知方位角值时才有次此行):测站点,照准点,方位角值从第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): 照准点点号1,., 照准点点号n(按顺时针方向排序)观测
8、值方案文件示例(网名.FA2)1.77 3,2,m1与前面的第一行内容不一致1,0, 600,25002,1,1500,25003,1,1800,25001,2,A,0.01L:SW NW 2 NE ME SE没有逗号S: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)统计分析模拟的先验精度:mr = 2.5 ma = 3
9、 mm mb = 2 ppm分别对全边角网和附合导线,用程序生成的30个不同的正态随机数组进行模拟计算,对得到的30个验后单位权中误差进行统计、检验和分析:包括计算子样均值中误差,分析均值与先验精度的关系。如果在全边角网和附合导线中加一个粗差,结果又会发生怎样的变化,为什么?(提示:从网形、图形强度和多于观测数等方面出发考虑。)二、 隧道(洞)GPS网测量误差所引起的横向贯通误差模拟计算1)计算原理与方法l 思想:GPS网的观测量是伪矩、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测值进行模拟
10、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的平面网。根据上述思想,可将GPS网按下述两种方法进行模拟:(1)边长和方向全测的全边角网,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。l 问题:1)GPS网的观测量是什么?2)能否对GPS网的原始观测值或生成观测值进行模拟?3)基线向量实际上是什么?4)能否将GPS网看作是与全边角网相似的地面网?5)可用什么样的地面网来模拟GPS网?l 已知:网点近似坐标和GPS网设计方案l 步骤:同边角网
11、1)确定参考基准,2)生成方案文件,平差,分析,修改,完成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1-3,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,在如图所示的隧道坐标系下进行设计计算。J1J2J3JC1CC3C2贯通面贯通点隧道(洞)轴线出口端XY进口端G图1-3:隧道洞外平面控制网网图3) 生成观测方案文件人工生成简单的观测方案文件(网名.GFA),该文件与“网名.FA2”的结构一样,但是需将观测方案部分的L(方向)换成A(方位角),因为已观测了方位角,不能再给已知方位角。在“设计”菜单项中直接生
12、成初始观测值文件“网名_GPS.in2”。4)生成贯通误差影响值计算文件顶格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“网名.GTI”,其格式为:进口点号,进口定向点号,出口点号,出口定向点号,贯通点号,X坐标,Y坐标,贯通面方位角 图1-4:隧道贯通误差计算示意图如上图所示的贯通方案可建立如下贯通文件J,A,C,E,G,XG,YG,J,A,C,F,G,XG,YG,J,B,C,E,G,XG,YG,J,B,C,F,G,XG,YG,贯通误差引导文件示例(网名.GTI)171,8,21,12,100
13、,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。准备好引导文件“网名.GTI”后,用鼠标单击“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.GT
14、O”中。注意:在计算贯通误差影响值之前,除准备好引导文件外,还须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)平差时,在主菜单中用鼠标单击“平差”,则会弹出下拉菜单。对平面网进行平差时,单击将打开“输入平面观测值”对话框,选择平面观测值文件进行平面网平差。在主菜单中用鼠标单击“工具”,则会弹出下拉菜单,单击“贯通误差影响值计算”进行计算。6) 结果分析 可查看“网名.OU2”和“网名.GIO” 两个文件。对“网名.OU2”和“网名.GIO” 两个文件进行分析,主要看点位坐标与精度、最
15、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,不同组合的意义,最小值所对应的组合表示什么?三、基于观测可靠性的工程控制网优化设计1)基本理论参见文献1,重点第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
16、是:初始方案总是一个观测精度和观测值个数都有富裕的全边角网,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。整个优化设计过程是删除多余观测和调整观测精度。按此法删除的多余观测具有确定性且不致于引起形亏(这是该法的最大优点和特点)。2)设计一个全边角网,首先生成一个“肥”而“密”的初始方案准备“.FA2”文件,生成“.in2”文件,其做法同前。设计一个任意形状的全边角网,取1到2个已知点,只有1个已知点时,加一个已知方位角,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。3)进行模拟优化设计计算单击“平面网优化设计”
17、,首先选择要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计算,平差完毕后,弹出如图图1-5所示的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,重新平差计算,将自动删去多余观测分量较大的观测值。在平差后弹出新的如图所示的多余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(可查看所删除的多余观测分量较大的那些观测值)。图1-5加图名4
18、)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”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?6)评述本方法的优点你觉得还有那些不足,应如何改进?四、问答题1)工程控制网的质量准则是什么?有何作用?)工程控制网优化设计的
19、方法有哪些,各有何优缺点?)简述工程控制网优化设计计算的步骤。)试述工程控制网观测值的可靠性与精度建网费用的关系。)根据对网进行模拟计算结果,试分析验后单位权中误差的变化与网形和观测方案有何关系?)试述隧道洞外平面控制网的布设原则和贯通误差影响值的计算原理和方法。7)GPS平面网模拟设计计算的原理和方法。8)写出观测值多余观测分量的计算公式,说明它所代表的意义,在网的优化设计中的作用。9)为什么附合导线的验后单位权中误差与先验值相差较大在测设时应注意些什么?10)试述全边角网与GPS网的区别和联系?各有何优势?五、参考文献1). 张正禄. 工程测量学.教材. 武汉大学出版社.2001.2).
20、张正禄, 罗年学, 黄全义,梅文胜. 一种基于可靠性的工程控制网优化设计新方法. 武汉大学学报.信息科学版Vol 26,2001(4),354-3603).张松林,张正禄,罗年学. GPS平面控制网的模拟设计计算方法及其应用. 武汉大学学报.信息科学版Vol 29,2004(待刊)有误。六、工程测量学课程设计报告工程测量学课程设计报告封面规格如下:封面 :工程测量学课程设计报告学生姓名班级和学号指导教师姓名专业名称武汉大学测绘学院时间第1页为目录。内容部分:第一章:全边角网与附合导线:模拟计算的方法和步骤,验后单位权中误差统计检验和分析,观测粗差的影响分析。第二章:隧道(洞)GPS网: GPS
21、网模拟计算的原理和方法,测量误差所应起的隧道(洞)横向贯通误差的计算与分析。第三章:基于观测可靠性理论的地面全边角网优化设计:原理、方法、步骤、效益等。第四章:结束语。要求:用A4纸打印,必须独立完成,发现有抄袭者,作不通过论处! 2.2 桥梁施工放样计算课程设计2.2.1 基本要求名称:桥梁施工测量课程设计时数:4个课时,课堂辅导性讲解一个课时,在课堂作数据准备一个课时。上机计算2个课时。内容:给一个实例,绘制桥梁布设图和桥梁线路中线图,准备设计数据,操作掌上型电脑,进行输入和计算,与微机进行数据通信,打印放样数据表。软硬件:以掌上型电脑RD-EB1为硬件平台,将COSAJS2固化在其上,与
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