控制测量学课程教案.ppt

《控制测量学课程教案.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制测量学课程教案.ppt（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第二讲,控制测量学,第二章 水平控制网的技术设计,2.1 国家水平控制网建立的基本原理(掌握） 2.2 工程测量水平控制网建立的基本原理(掌握） 2.3 导线网精度估算(了解) 2.4 工程控制网的优化设计(了解） 2.5 工程测量水平控制网技术设计书编制(了解） 2.6 选点、建标和埋石(了解）,学习要求,2.1.0 概述： 1.本章阐述平面控制点位选择、设置，控制点构成的网形结构、待定点精度估算和网形优化等问题。 2.所前所述，水平控制测量的基准面是参考椭球面。参考椭球面是一旋转椭球面，即基准面是一规则数学曲面,所以大地坐标实际上是曲面坐标。但由于在局部应用时，地表面近似为水平面，所以习惯

2、上称确定控制点在基准面上位置的工作为水平控制测量。 3.本章内容基本上是传统测量方法的介绍,在GPS技术已经成为首选技术手段的情况下,实际上相当部分内容实际应用机会不多。,第二章 水平控制网的技术设计,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,2.1.1建立国家水平大地控制网的方法 1.常规大地测量法 （1）三角测量法 A.网形 各控制点连接成三角形，各三角形相互连接构成三角网.,图2.1,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,B.观测值 各顶点夹角 C.起算元素和推算元素 起算元素： 三角网观测值没有位置信息、尺度信息和方位信息，所以必要的起算元素为一个点的坐标（定位），一条边的边长（尺度）、一

3、条边的方位角（定向）。也可以是两个相邻通视的已知点 推算元素：根据起算数据和观测值，可推算三角形边长、坐标方位角，待定点坐标，这些数据统称为推算元素。 起算元素获取：.低等级网是联测更高一级已知点。.首级网通过天文测量获得起算点坐标和方位角，测距方法获得起算边长。 对于大范围的控制网，为了控制误差传播，要求有多余起算信息。当有多余起算信息时，会构成约束条件，控制网称为非独立网，反之称为独立网。,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,B.观测值 导线网观测值是边长和夹角。 C.起算值和推算值 除了导线网不需要起算边以外，其它和三角网相同。坐标方位角和待定点坐标是导线网推算值。 D.优缺点 优点是

4、因为通视方向少，所以选点布网灵活，边长直接测量精度均匀。缺点是控制范围小,检核条件少，可靠性较三角网差。,图2.2,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,（3）边角网和三边网 A.图形 和三角网相同 B.观测值 观测值是全部或者部分边长和夹角，如果全部是边长，就是三边网。 C.起算值和推算值 除了不需要起算边以外，其它和三角网。推算值是坐标方位角和待定点坐标。 D.优缺点 优缺点和三角网类似，如果全测边和角工作量较大，部分测边和角情况较为复杂。一般而言部分测边可以控制长度推算误差积累，相对于全测角或全测边，增加了多余观测数，则精度和可靠性会有所提高。,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,2、

5、天文测量法 A.观测值 天文经度、天文纬度、天文方位角。 B.起算值和推算值 不需要起算值。 C.优缺点 各测点独立观测，误差不积累，组织工作简单。天文测量方法不用于大规模观测建立控制网，而是作为建立国家大地控制网的辅助方法，用于确定起算值。天文测量方法精度不高，但是作为必要的起算数据，不会影响控制网的相对精度。,图2.2,2.1 国家水平控制网建立的基本原理,3、现代定位技术简介 1.卫星定位技术 卫星定位是引起控制测量技术理论和方法产生革命性变革的新技术，该技术出现后，实际上在大面积控制测量领域，已经淘汰了传统的三角测量和导线测量方法。由于有专门的课程介绍有关内，本课程不做详细介绍。 2.

6、甚长基线干涉测量系统 是一种利用银河系或银河系以外天体无线电辐射信号，测量几千公里以上基线长度和方位的技术，主要用于科学研究。 3.惯性测量技术 这是一种根据惯性导航原理，自动跟踪起始点坐标提供运动点坐标的方法。目前在机载激光扫描和摄影测量领域发展较快。目标是和卫星定位技术结合，无需地面像控点而实现航射影像定位纠正，精确确定激光扫描点云坐标系统。,图2.2,2.1.2 建立国家水平大地控制网的基本原则,建立国家水平控制网的基本原则是： 1.分级布网、逐级控制 2.应有足够的精度 3.应有足够的密度 4.应有统一的规格 这实际上也是建立高程控制网和工程控制网的基本原则。,1.分级布网、逐级控制

7、我国领土辽阔，地形复杂，不可能用按统一的规格、精度、密度，将控制网一次布满全国。所以我国大地控制网是采用以边长较长、精度较高的三角锁状控制网，沿经纬线纵横交叉布满全国形成骨干控制网，然后在锁环内逐级布设二、三、四等三角网进行加密。 2.应有足够的精度 国家控制网主要用测绘5千分之一5万分之一基本图及满足地学科学研究的需要。为了保证国家控制网的精度，必须对起算数据和观测元素的精度、控制网图形结构等，根据控制网级别，制定强制性技术要求，并通过国家测量规范发布。,2.1.2 建立国家水平大地控制网的基本原则,3.应有足够的密度 控制点的密度，主要根据其主要用途国家基本图测绘需要而定，具体的要求见相应

8、技术规范。 4.应有统一的规格 由于我国三角锁网规模巨大，作业单位众多、作业周期长，为了避免重复和浪费，及便于资料互通利用，国家了制定统一的测量法式和作业规范，作为全国各测绘部门和作业单位执行的技术依据。,2.1.2 建立国家水平大地控制网的基本原则,2.1.3 国家水平大地控制网的布设方案,（1）一等三角锁布设方案 我国现行的大地控制网是采用以边长较长、精度较高的三角锁状控制网，沿经纬线纵横交叉布满全国形成骨干控制网，然后在锁环内逐级布设二、三、四等三角网进行加密方法完成的。 一等锁在起算边两端点上精密测定了天文经纬度和天文方位角，作为起算方位角，用来控制锁、网中方位角误差的积累。,1.常规

9、方法布设国家三角网,图2.3 一等三角锁,（1）一等三角锁布设方案,二等三角锁（网）是在一等锁控制下布设的，它是国家三角网的全面基础，同时又是国家基本图测绘的基础控制。因此，必须兼顾精度和密度两个方面的要求。左图是58年前的做法，右图是58年后的做法。,（2）二等三角锁（网）布设方案,图2.4,三、四等三角网是在一、二等网控制下布设的，是为了加密控制点，以满足测图和工程建设的需要。三、四等点以高等级三角点为基础，采用插网方法或插点方法逐级布设,也可越级布网。即在二等网内直接插入四等全面网，而不经过三等网的加密。插网布设三四等三角网如图2.5所示。,（3）三、四等三角网布设方案,图2.5 插网布

10、设,三、四等三角网布设方案,（3）三、四等三角网布设方案,图2.6 插点布设,工测控制网可分为三类： 1.在各项工程建设的规划设计阶段，为测绘大比例尺地形图和房地产管理测量而建立的控制网，称为测图控制网； 2.为工程构筑物的施工放样服务的控制网,称为施工控制网; 3.为变形监测等专门用途而建立的控制网，称变形监测网.,2.2 工程测量水平控制网建立的基本原理,2.2.1工程测量水平控制网分类,2.2.2工程测量水平控制网布设原则,工程网布设原则和大地网相同,但其具体内涵不尽相同. 1.分级布网、逐级控制: 作为一般原则，工测控制网和大地网一样，通常是先布设精度要求最高的首级控制网，随后根据具体

11、需要、测区面积大小等因素，再加密布设较低精度的控制网。 工程控制网也分等级，但是实际工作中往往只按二级布设。第一级作总体控制，第二级直接按测图或建筑物放样需要的密度布设。 用于变形观测或其他专门用途的控制网，通常控制范围很小，只需建立独立坐标系统，所以不用分级。,2.要有足够的精度: 测量规范对边长平差值相对精度有明确规定,具体数值因控制网等级而异。对于点位中误差，不同规范要求不尽统一。工程测量规范没有这项规定，城市测量规范规定相对已知点不大于5cm。水利水电施工测量规范规定大型项目5-7cm,中型项目7-10cm等。,2.2.2工程测量水平控制网布设原则,2.2.2工程测量水平控制网布设原则

12、,经典平差视已知点为无误差，点位中误差本身就是针对已知点的。这里需要指出的是，控制网分级较多时，最后一级往往边长较短,控制点距离已知点较近,所以点位中误差数值可能较小。实际上由于没有反映出多级控制已知点本身的误差，所以精度指标可能是虚假的。 国家控制网尽管观测精度很高，但由于边长比工测控制网长得多，待定点与起始点相距较远，因而绝对点位中误差远大于工测控制网。,2.2.2工程测量水平控制网布设原则,3.要有足够的密度: 控制网密度一般用边长来反映，图表2.5是工程控制三角网关于等级和精度的基本要求。,图2.5,4.要有统一的规格 为了使不同的部门施测的控制网能够互相利用、互相协调，工程控制网同样

13、要应制定统一的规范. 目前许多工程建设部门均颁布了各自的工程测量规范, 种类繁多有数十种，如： 工程测量规范(建设部) 城市测量规范(建设部) 水利水电工程施工测量规范（国家经贸委） 公路勘测规范（国家交通部）等。 实际上这规范内容雷同，但规定在数值上有一定差别，并且在限差设置上。,2.2.2工程测量水平控制网布设原则,1.三角网布设方案 根据图表2.5中的规定，可以看出工程控制三角网具有如下特点： .各等级三角网平均边长较相应等级的国家大地网边长显著地缩短； .三角网的等级较多(五级）； .各等级控制网均可作为测区的首级控制。 这是因为工程控制网服务区域面积相差很大，范围可从数十公顷到数十万

14、公顷。 .三、四等三角网起算边相对中误差，按首级网和加密网分别对待。 首级网起算边可以按测距仪标称精度来考虑。对于加密网，要求上级控制网最弱边精度能满足下一级起算边精度。,2.2.3工程测量水平控制网布设方案,2.2.3工程测量水平控制网布设方案,2.导线网布设方案 在现行技术条件下，导线网更多的作为常规控制测量方法。表2.6是电磁波测距导线控制测量主要技术要求。,3.6,5,10,16,24,表2.6,2.2.4专用控制网布设特点,桥梁三角网对于桥轴线方向的精度要求应高于其他方向的精度，以利于提高桥墩放样的精度； 隧道三角网则对垂直于直线隧道轴线方向的横向精度的要求高于其他方向的精度，以利于

15、提高隧道贯通的精度；,2.3导线网的精度估算,控制网设计阶段最重要的内容就是论述欲建立的控制网的精度是否能满足要求。这就称为精度估算。(这里提到本节着重介绍估算三角锁边长精度方法,实际并未涉及) 2.3.1.精度估算的目的和方法 目的是分析设计的控制网能否达到精度要求，估算方法分公式估算法和程序估算法。 1.公式估算法 针对特殊图形,给出推算元素精度的近似公式。特点是公式复杂，只能推算有代表性的元素，如最弱边精度、最弱点精度等，并且对控制网图形也有限制，不能应用于复杂图形，所以这种方法没有实际意义。,2.3.1.精度估算的目的和方法,2.程序估算法 在图上设计控制网网形,量取角度、边长值，输入

16、平差程序。根据平差后精度指标，计算出权导数。然后根据观测条件，估算实际能达到的单位权中误差，计算观测值平差值函数（待定点坐标、方位角、边长等）中误差。 程序估算法可应用于任何图形，方法简单并可估算控制网中任何待定量精度，是简单实用的估算方法。 有些平差程序可用于程序估算法,没有设计这部分功能的平差程序，可能会出现溢出错误。,2.3导线网的精度估算,2.3.2.等边直伸导线导线的精度分析 等边、直伸等边导线工程实践上不存在，而且公式只能用于单导线（没有节点），所以本小节内容没有实用意义。另外在普遍使用计算机程序平差的技术条件下,程序估算法简单实用,不受网型限制,因而这类建立在规定图形上的精度估算

17、方法,已经完全过时。 2.3.3 直伸导线的特点 自阅，一般了解。,2.3导线网的精度估算,2.3.4 单一附和导线的点位误差椭圆 本小节通过点位误差椭圆图形，对单一附和导线待定点的精度作了说明。工程测量有时候仅仅估算点位误差大小是不够的，可能还需要估算最大的误差方向，所以要计算误差椭圆参数。计算误差椭圆参数不可能采用近似估算方法，本小节没有给出计算方法。采用程序估算法可以估算任意网型控制网待定点误差椭圆，并不限于单一附和导线，所以不理解为什么单列于单一附和导线点位误差椭圆一节。 2.3.5 导线网精度估算 本小节对等权代替法作了简单介绍，等权代替法是近似估算方法，只可用于典型图形，而且计算方

18、法复杂，所以远不如程序估算法方便准确，在当前技术条件下，已经完全过时。,2.4工程控制网的优化设计,2.4.1.工程控制网优化设计的一般概念 优化设计是指从若干可能决策中选择最优决策的科学方法.优化设计通常分三个步骤: 1.建立最优方案的目标函数和约束条件; 2.确定解算方法; 3.求最优解. 已知法方程系数阵的逆阵就是未知数的协因数阵 ，采用间接平差法时，有： 控制网优化设计即围绕求未知数协因数公式开展的,根据不同的约束条件,工程控制网优化设计分四类。,2.4.1.工程控制网优化设计的一般概念,1.基准设计 基准设计又称零类设计,.特点是固定A、P，选择最优起算数据使未知数协因数阵最小。 2

19、.图形设计 图形设计又称一类设计,特点是固定P、优化A，实际上是控制网最佳图形设计,2.4.1.工程控制网优化设计的一般概念,3.观测权设计 观测权设计又称二类设计,特点是固定A、 ，实际上是观测值精度设计 4.原控制网改进设计 原控制网改进设计又称三类设计，特点是固定 ，待定参数是部分A,P，通过设计新点位，增加新观测值及观测值权的改变，达到全网点位精度要求。 工程控制网优化设计理论上严密，方法也成熟但是使用价值不大，工程实践中鲜有成功应用的实例。原因可以归纳如下：,2.4.1.工程控制网优化设计的一般概念,1.零类设计：实践中已知点本身较少，没有什么选择余地，起算数据精度一定要高于观测值精

20、度，这不是优化设计方法能解决的。 2.一类设计：图形受诸多因素制约，不可能按优化设计方案布点。 3.二类设计：控制网观测习惯采用等精度观测，采用不等权观测不仅使得观测程序复杂，而且平差也增加难度。所以实践中的做法都是根据设备条件，进行等精度观测。,2.4.1.工程控制网优化设计的一般概念,4.三类设计：关于观测权改变问题同二类设计。增加点和观测值可以改进控制网结构。待定点精度指标是针对已知点的，据已知点距离越近，权导数越小。所以增加控制点和观测值，能构成更多通道，使待定点和已知点距离变近，理论上可以改善精度指标，但实践中增加点受通视条件制约，并且考虑到实用性和成本意义不大，改变部分观测值的权，

21、则存在和二类设计同样的问题。 最后要指出，事实上 相对网形、观测值权、基准变化的反应并不灵敏，所以这些因素的较小的改动，不能看到明显变化。,2.4工程控制网的优化设计,2.4.2.精密工程测量控制网的质量标准 一般工程控制网的精度指标是点位中误差、边长相对精度指标。工程测量规范对这两项指标，特别是后一项指标有具体规定。 本小节介绍的精度指标是关于高精度工程控制网的，要完成优化设计或平差计算都需要专门软件，一般通用平差软间不包含这些内容，相关内容在变形监测课程中介绍。,2.5工程测量网水平控制网技术设计书编制,自行阅读教材 2.6选点、建标、埋石 自行阅读教材。但是要指出的是，大范围控制测量目前采用卫星定位技术完成，卫星定位观测不需要控制点之间通视，所以今后不会再建造测量站标。,