精密工程控制网及其优化设计.ppt

1,精密工程测量学,Precise Engineering Geodesy,第三章精密工程控制网及其优化设计,2,4,3.1精密工程水平控制网,1,2,3,3.2 精密工程高程控制网,3.3精密工程测量控制点的标志,3.4 控制网优化设计,第三章精密工程控制网及其优化设计,3.5 应用实例,5,作业与思考题,6,3,3.1 精密工程水平控制网,1 精密工程水平控制网的主要作用2 精密工程水平控制网的设计原则3 精密工程水平控制网的等级4 精密工程水平控制网技术设计前应收集的资料5 精密工程水平控制网的设计方法6 精密工程水平控制网的技术设计程序7 精密工程水平控制测量技术设计书的内容,4,3.1.1 精密工程水平控制网的主要作用,（1）为精密工程施工放样、设备安装、调校和竣工测量提供精密水平控制点和相应的控制测量资料。（2）为地基、建筑物及主要构件或系统的变形监测提供分析、验证和研究水平变形的基础资料。（3）为同一工艺流程中的不同建筑物或同一建筑物的不同群体分期建设提供统一完整的精密控制测量基础。（4）实现工程设计坐标系与控制测量坐标系间的转换。,5,3.1.2 精密工程水平控制网的设计原则,（1）精密水平控制网的精度，是据精密工程关键部位的竣工位置的容许误差的要求和实际情况，综合分析确定。（2）精密工程水平控制网的精度，一般是以相邻点相对点位中误差（或相对变化量）作为设计的依据。精密工程水平控制网的等级，一般不具有上级网控制下级网的意义，而具有点位配合和精度配合的意义，但也允许逐级发展。（3）精密工程水平控制网的图形,主要取决于工程任务和实地条件，一般由基准线、三角形、大地四边形及中点多边形等基本图形构成，根据情况可布设成基准线、三角网、三边网或边角网、GPS网等。,6,3.1.3 精密工程水平控制网的等级,以相邻点相对点位中误差作为精度指标，分为一、二、三、四级（见下表1）。,7,相对点位中误差计算：可根据相对点位误差椭圆的长半轴和短半轴或相对坐标增量中误差来计算：,式中：相对点位误差椭圆的长半轴，mm；相对点位误差椭圆的短半轴，mm；相对坐标增量中误差，mm。,也可用边长的中误差和方位角中误差按下式计算：,ms 边长中误差，mm；ma 方位角中误差，（”）；s 边长，mm；206265”。,8,3.1.4 精密工程水平控制网技术设计前收集的资料,（1）工程地区一定范围内的各种比例尺地形图、交通图、地质构造图、水文资料、气象资料等。（2）工程总体规划图、建筑总体布置图、施工图、进度表及各项有关技术文件（3）已有控制测量资料，包括水平控制网、高程控制网、点之记、成果表、技术总结。,9,3.1.5 精密工程水平控制网的设计方法,水平控制网设计：采用计算机辅助优化设计方法（模拟法或与解析法配合使用的综合方法）。优化设计的主要内容：图形设计、观测方案设计和旧网改造的设计。水平控制网的质量要求：精度标准、可靠性标准、费用标准、监测网的灵敏度标准。,10,3.1.6 精密工程水平控制网的技术设计程序,(1)在施工总平面图上或工程设计平面图上，按比例尺展绘出建筑物的主要点、线。(2)根据施工现状和技术条件，在图上选取控制点，连成网形。(3)用计算机辅助优化设计的方法，进行多种方案的设计，从中选择一种最优设计方案。(4)到实地选点，确定点位、标墩类型。(5)根据图上设计和实地选点的结果，编写精密工程水平控制测量技术设计书。,11,3.1.7 精密工程水平控制测量技术设计书的内容,(1)水平控制网设计图，标志类型和施测精度等级。(2)测区概况和对已有水平控制网测量资料的评价和利用。(3)采用的测量基准和测量标准。(4)测量标志结构，强制对中设备、墩标规格及埋设要求。(5)工程提出的精度要求的确切意义，技术设计方案和预期的精度估算。(6)采用的仪器、设备、观测方法、仪器计量检定地点和周期以及新技术应用。(7)作业实施计划和进度表。,12,4,3.1精密工程水平控制网,1,2,3,3.2 精密工程高程控制网,3.3精密工程测量控制点的标志,3.4 控制网优化设计,第三章 精密工程控制网及其优化设计,3.5 应用实例,5,作业与思考题,6,13,3.2 精密工程高程控制网,1 精密工程高程控制网的主要作用 2 精密工程高程控制网的设计原则 3 精密工程高程控制网的等级4 精密工程高程控制网技术设计前应收集的资料5 精密工程高程控制网的技术设计程序6 精密工程高程控制测量技术设计书的内容7 GPS定位技术在三、四级精密工程测量中应用,14,3.2.1 精密工程高程控制网的主要作用,(1)为精密工程施工放样、设备安装、调校和竣工测量提供高程控制点的精确数据。(2)为工程地基、建（构）筑物的变形监测提供研究垂直变形的基础资料。(3)为同一工程中不同建（构）筑物或同一建（构）筑物的不同群体分期、分层建设，提供统一的高程控制基础。,15,3.2.2 精密工程高程控制网的设计原则,(1)高程控制网的布设范围应与水平控制网相适应。(2)高程控制网的精度，应使工程竣工时关键部位相对于设计尺寸的误差满足要求。(3)高程控制网以测站高差中误差为精度设计和分级的依据。高程控制网的等级一般不具有上级网控制下级网的意义，在低等网内可以布设高等网，此时只选取一点作为高等网的高程起算点。若工程需要也允许逐级布设高程控制网。(4)路线应为闭合环或附合路线构成的结点网，不得布设支线。闭合环周长和结点间长度根据工程建设的需要确定。,16,(5)路线坡度应平缓，视野应开阔，视线距周围障碍物应超过0.5m。一、二级高程路线上，应能设置仪器墩或可移动的仪器台，相邻标尺点间高差不得超过0.5m。(6)高程控制网中的控制点，应设在稳定可靠、连测方便并能长期保存的地点。(7)露天埋设的高程控制点，须经过一个雨季，冻土地区还应经过一个冻解期，岩层或室内埋设的高程控制点，至少应经过半个月方可观测。,3.2.2 精密工程高程控制网的设计原则,17,3.2.3 精密工程高程控制网的等级,高程控制网以测站高差中误差作为精度指标，分为一、二、三、四级（见表2）。,18,高程测量一测站高差中误差M按布网状况进行计算。(1)当闭合环的个数超过20个时，按（4）式计算：,式中：f环闭合差，mm；n计算各f值相应的测站数；N闭合差个数。,19,(2)当闭合环不足20个而网中测段数超过20个时，按（5）式计算：,式中：d测段往返不符值，mm；n计算d值相应的测站数；N往返不符值个数。(3)独立测站变形观测的日均值个数超过20个时，按（6）式计算。,式中：Xi第7 日观测高差平均值，mm；相邻日均值连差，mm；N日均值个数。若变形量过大，应去掉变形影响，再进行精度统计。,20,3.2.4 精密工程高程控制网技术设计前应收集的资料,(1)工程所在地区的大比例尺地形图和交通图，地质、地震、气象、水文资料。(2)工程建设总体规划图、布置图、施工图、工程施工进度表及有关技术文件。(3)工程所在地区的高程控制测量资料，包括水准路线图、点之记、成果表、重力测量资料、技术总结等。,21,3.2.5 精密工程高程控制网的技术设计程序,(1)在施工总平面图上展绘出工程建（构）筑物的主要点、线。(2)在图上展绘已有的水平控制点和高程控制点（包括新设计的水平控制点）。(3)按工程建设需要和高程控制点位要求，在图上选取高程控制点，使高程控制点均匀分布在建（构）筑物周围。(4)在设计的高程控制网上，用解析方法计算关键部位某些特定点间高差或高程（以下简称测量对象）的权倒数，按(7)式求出测站高差中误差，对照表2选定高程控制网的等级。,22,式中：M拟设高程控制网的测站高差中误差；F测量对象F的容许误差；QF测量对象F的权倒数（以测站高差中误差作为单位权中误差）。(5)采用增加或减少多余观测的方法，进行多种方案的设计，选择既适合测区条件和仪器性能又能满足工程要求精度的方案布设高程控制网。(6)到实地确定点位和标志类型。(7)编写精密工程高程控制测量设计书。,23,3.2.6 精密工程高程控制测量技术设计书的内容,(1)高程控制网设计图，标志类型和施测精度等级。(2)测区概况和对已有高程控制测量资料的评价和利用。(3)采用的高程系统和测量标准，确定的高程起算点和检测方案。(4)需埋设的测量标志分类表。(5)确定高程控制网精度等级的依据，工程建设要求的关键部位某些特定点高程精度的估算。(6)采用的仪器、设备、观测方法和仪器计量检定地点和周期。(7)作业实施计划和进度表。,24,测定精密工程控制点的平面位置或位置的变化，按照相应精度要求，参照GH2001全球定位系统（GPS）测量规范中的有关规定执行。GPS测量原理及应用(张绍铨，张华海等编著，武汉测绘科技大学出版社，1998)pp184188中分析了GPS用于建立精密工程控制网和工程变形监测的可行性，并介绍了GPS在隔河岩水库大坝变形监测和机场轴线定位测量中的应用情况。GPS定位技术在地面形变测量中的应用（张华海，金继读等编著，中国矿业大学出版社，2000年）一书中专门介绍了GPS定位技术在地面形变测量中应用的方法、数据处理技术和部分应用实例。,3.2.7 GPS定位技术在三、四级精密工程测量中应用,25,10.1 GPS精密工程测量网布设的基本原则,（1）GPS测量采用WGS84大地坐标系。当GPS作业要求提供精密工程其他坐标系或1980西安大地坐标系时，可依需要使用测区范围内重合点数据，重合点应尽量均匀分布于整测区，不少于三个。（2）GPS网设计视其目的和要求的精度，进行优化设计。GPS网是通过同步图形之间的连接实现的。根据连接方式，一般可有三角形、闭合多边形及附合线路组成。几何图形中的边数，对三、四级分别不得超过6和6条。不允许有支线点。应尽量与附近已有的精密GPS网点联测，并尽量与原有地面控制网点重合；测区内包括三、四级精密工程测量的GPS 网点，在网的设计时可统一进行考虑。,26,（3）点位的选择 点位周围竖直角15以上天空应无障碍物，点位周围无强烈反射无线电波的金属或其它障碍物或大范围水面；点位应远离强功率电台、电视发射台、微波中继站、高压电线等；在有金属标架的点上进行观测时，应事先拆除标架；天线应尽量直接对中，若偏心观测应精确测定偏心元素；点位应选在交通方便并便于通讯联系的地方。（4）GPS接收机的选择 应选择双频GPS接收机，在个别情况下（比如边长较短时）也可用合乎要求的单频接收机。采用载波相位测量。投入作业的接收机数应不少于二台。,27,（5）观测时的注意事项：选择PDOP不超过5的星组（不得少于4颗）进行观测，每条边不得少于2个观测时段，每个时段不得短于2h；有效星跟踪时间不得少于1h；每点重复设站不少于2次；卫星高度角大于15，每个环中包括异步边数不少于3条；每次观测重新量取天线高，对中精度高于1mm；每时段量取气象元素不少于3次（始、中、末各一次）。,28,GPS精密工程测量中应注意的事项,(1)密切关注卫星星历的精度及变化情况。对广播星历（BE）要慎重使用，尽可能获取和使用精密星历（PE）。(2)尽量提高测区内固定站坐标精度。(3)应在电子密度稳定的有利条件下进行观测，一般夜间比白天稳定。(4)努力克服气象数据代表性误差。(5)用精密激光测距仪直接测定GPS网中同步环和异步环中的几条（大于三条）基线长。(6)精心编制外业实施计划,做好外业工作的组织调度工作,确保外业工作顺利进行。,29,(7)成果处理时，应注意以下几点：1)在个别情况下，当固定双差解不能得出最佳结果时，根据卫星星座变化情况，可采用精化技术排除劣观测值以保证解的正确性。2)数据的检核：基线向量质量评定时要进行重复基线观测不符值的检核；闭合环线坐标增量闭合差及相对闭合差的检核；GPS基线值同精密测距仪测量边长的检核，以及同高等点已知坐标外符合性检查。3)要注意GPS观测量随机模型的合理确定和采用。4)对精密工程的GPS网，最好在二维平面内进行。,30,4,3.1精密工程水平控制网,1,2,3,3.2 精密工程高程控制网,3.3精密工程测量控制点的标志,3.4 控制网优化设计,第三章 精密工程控制网及其优化设计,3.5 应用实例,5,作业与思考题,6,31,3.3精密工程测量控制点的标志,1 精密工程控制点的标志作用2 精密测量控制点地锚埋设深度的确定 3 平面点标志 4 高程点标志 5 平高点标志6 上交资料,32,3.3.1 精密工程控制点的标志作用,精密工程测量中的各种控制点，是进行各种精密测量的基本依据。按其用途可分为平面点、高程点和平高点，其主要用途是固定相应控制网的点位。在埋设控制点标志之前，应仔细研究工程区域内有关的工程地质、水文地质及气象等资料,确定标志的埋设深度。各种标志的类型和规格应根据观测目的和工程区域内的地质条件来确定。,33,3.3.2精密测量控制点地锚埋设深度的确定,精密测量控制点埋点深度确定应遵循以下原则：(1)平面点及高程点的地锚应埋在土壤压缩深度以下，并靠近恒温层地带；(2)如果恒温层位于压缩深度的下边线或边线以上，高程点埋设地锚的深度则应是土壤压缩深度的边线；(3)选择埋设地锚深度时，还必须顾及到土壤水位及其季节性的变化，以使控制点地锚埋在水位变化范围之外。,34,3.3.3 平面点标志,平面点的标志包括深埋式标志、观测墩及照准标志等。,35,（1）深埋式标志,精密工程测量的平面基准点标志一般采用深埋式标志。深埋式标志包括：倒锤式装置 光线传递式标志 刚体支架式标志 深埋式标志的建造应符合下列要求：(a)标志的地锚应固定在稳定的岩层中，标体本身应与建筑物及地基上表的岩层相隔离；(b)地锚中心应能严格垂直地传递到作业水平面上；(c)钻孔垂直度应不低于1/200。,36,（a）机械传递式倒锤装置,37,控制点的埋石与标志,带强制对中装置的观测墩,主要适用：大坝、水电站、隧洞、桥梁、滑坡体整理等大型工程施工网、变形监测网、安装网,38,Leica TCA2003 型测量机器人,39,40,41,42,43,44,测量机器人和观测墩,45,GPS网外业,46,GPS网外业,南洲桥水平控制点观测墩,47,GPS网外业,南洲桥水平控制点观测墩,48,(b)光线传递式标志,49,(c)刚体支架式标志,50,(2)观测标志（观测墩）,各等级平面控制点应建造观测标志。平面点标志一般由墩体、仪器强制对中装置及护盖组成。平面点的标志上一般应具备强制对中装置。强制对中装置的对中误差应按观测精度确定，一般为0.0250.1mm。,51,非地铁施工时地铁结构变形监测,全站仪观测站,52,53,（3）照准标志,照准标志包括：旋入式杆标照准标志 重力平衡球式照准标志 直插式觇牌标志 埋入式照准标志,54,（a）旋入式杆标照准标志,55,（b）重力平衡球式照准标志,56,（c）直插式觇牌标志,57,（d）埋入式照准标志(1)顶部墙面标志,(2)顶部上面标志,58,3.3.4 高程点标志,高程点的标志包括：深埋式标志 岩层标志 浅埋式金属管标志 混凝土标志 墙上标志 基础上标志 设备上标志,59,（1）高程基准点标志,精密工程测量的高程基准点标志：一般采用深埋式标志 深埋式标志包括：深埋式双金属丝标志；深埋式双金属管标志；深埋式钢管标志,深埋式标志的建造应符合下列要求：(a)深埋式标志埋设地点的选择必须考虑该地区的地质构造，深埋式标志应埋设在建筑物的压力传播范围之外；(b)在建筑区内的埋设深度应大于邻近建筑物基础的深度；(c)在建筑物内部的埋设深度应大于地基土压缩层的深度。,60,双金属丝标志:,61,双金属管标志:适合于复盖层较厚的平坦地区，采用钻孔穿过土层和风化岩石，达到压缩变化小的土层或基岩上。标志由膨胀系数不同的两根金属管（例如钢和铝）组成。,62,钢管标志:适合于复盖层较厚的平坦地区。,63,64,(2)高程控制点标志,各等级高程控制点的标志一般采用岩层标志、浅埋式钢管标志或混凝土水准标志。,岩层标志：适合于复盖层很浅的岩石露头地区。埋设抗蚀金属标志时，须清洗岩石基槽，用水、水泥、砂、石子的重量比为0.6:1:2:4的混凝土浇捣，使标志与基槽合成整体。混凝土的养护时间不得少于24h。,65,浅埋式钢管标志：适合于复盖层较厚的平坦地区。用钻孔穿过表土层，把金属管送到预定的土层中。钻孔底必须夯实，金属管插入孔底下30cm。水准标头应按要求专门设计加工，用螺杆与金属管固定位置。金属管外壁用沥青涂两遍，管内用1:2水泥砂浆灌满。,66,混凝土水准标石：混凝土基本水准标石 混凝土普通标石,67,（3）高程观测标志,在大型设备构件的安装调整和垂直位移观测时，应在设备构件或建筑物上设置各种高程标志。高程标志的类型可选用墙上标志、基础上标志或设备上标志。,墙上标志：,砖块式,燕尾式,铆钉头式,68,南洲桥垂直位移观测标志,69,基础上标志：垫板式，用长约60mm，直径20mm的铆钉，尾部焊上40*40*5mm钢板埋入基础上。弯钩式，用长约80*100mm、直径20mm的铆钉，一端弯成直角。燕尾式，用长约80*100mm、直径20mm的铆钉，将尾部劈成燕尾式。U字型，用长约200mm、直径20mm的钢筋，弯成U字型，埋在基础上。,70,观测标志,71,设备上标志：,72,3.3.5 平高点标志,平高点的标志包括：深埋式标志、观测标志和照准标志等。平高点的观测标志和照准标志应符合水平测量和高程测量要求。,73,深埋式平高点标志 它是由两根同心安置的金属圆管组成。内管4是硬铝管，外管5是钢管，这个钢管是自由站稳的支架。借助于象皮横隔将铝管稳定地站立在钢管的中央处。带有三个地脚螺丝7的普通金属底座6固定在圆管底端。借助这些地脚螺丝，可将平高点的长度作某些伸缩。在钢管的上端拧上带有照准标志的护盖1，标点内附有为测量温度用的穿孔圆管2。,74,深埋双金属管水准标,利用膨胀系数不同的两种金属钢管（如钢管、铝管）制成深埋双金属标可以不测温度，通过测量两根金属管的高差消除温度对标志高程产生影响,75,4.6 上交资料,测量标志建造工作结束后，应呈交下列资料：(1)测量标志点之记和标志结构图，埋设点地基断面图；(2)测量标志委托保管书；(3)技术总结，验收报告。,76,4,3.1精密工程水平控制网,1,2,3,3.2 精密工程高程控制网,3.3精密工程测量控制点的标志,3.4 控制网优化设计,第三章 精密工程控制网及其优化设计,3.5 应用实例,5,作业与思考题,6,77,3.4.1 工程控制网的质量准则（同工程测量学）,控制网优化设计简介1、概述 最优化就是在相同的条件下从所有可能方案中选择最佳的一个。2、控制网的设计目标 控制网设计的目标，指的是控制网应达到的质量标准，它是设计的依据和目的，同时又是评定网的质量的指标。质量标准包括精度标准、可靠性标准、费用标准、可区分标准及灵敏度标准等，其中常用的主要是前3个标准。,78,3.4.1 工程控制网的质量准则（同工程测量学）,精度准则（总体精度、点位精度、相对精度、未知数函数的精度等）可靠性准则灵敏度准则（内部可靠性、外部可靠性）费用准则,79,一、总体精度准则(将在下面详细讲)二、点位精度和相对点位精度 纯量:点位中误差,最弱边长中误差三、未知数函数的精度四、主分量五、准则矩阵,精度准则（难点）,点位误差椭圆和相对误差椭圆,如不直接相连点间距离精度,第一主分量是误差椭球最大分量，用来发现网中精度最差方向,根据网的精度要求设计准则矩阵元素，如设计两个点位的误差椭圆为相同半径圆,80,精度准则（难点）,1）精度标准:方差-协方差阵Dxx整体精度标准指标：N最优，Dxx的范数Dxx=min A最优，tr(Dxx)=1+2+r=min D最优，det(Dxx)=12r min E最优，max=min S最优，max-min=min 局部精度指标：点位误差椭圆，相对误差椭圆，未知数某些函数的精度,81,一、总体精度准则,协方差阵=单位方差*协因数,特征值的特征向量,协方差阵作谱分解,协方差阵特征值,82,1.E准则 上式中，置信超椭球的最大半轴应尽可能地小 2.体积准则 置信超椭球的体积应尽可能地小,精度准则,最大特征值最小(最大误差椭球半径成正比),体积最小，但个别半轴可能仍较大,83,3.方差准则（A准则）置信超椭球的半轴平方和应尽可能地小,精度准则,可以克服体积最小缺点,84,4.平均精度准则5.均匀性和各向同性准则,精度准则,计算坐标的平均精度,网中所有点具有相同形状和大小误差椭圆,85,定义：控制网发现（或探测）观测值粗差的能力（称内部可靠性）和抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力（称外部可靠性）。作用：可靠性准则可以提供衡量控制网内部观测值相互控制、检核的量化数值和可能出现但不能被发现的最大模型误差值。,可靠性准则（重点难点）,r=tr(QVVP)在0-1之间,ri可以定义为观测值的内部可靠性,一般用影响因子表示，ri越大，影响因子越小，外部可靠性越好，两者一致性,86,可靠性标准作用 网的可靠性，指控制网能够发现观测值中存在的粗差和抵抗残存粗差对平差结果的影响的能力。B为设计矩阵,多余观测分量.内部可靠性：在显著水平 下，以检验功效 发现粗差的下界为外部可靠性：不可发现的粗差对平差结果影响的大小。,87,提高实现质量的办法对网进行第二次独立观测（复测）布网时事先考虑用独立的附加观测值来控制网的结构（较常用）优化:优化r多余观测分量,88,内部可靠性 内部可靠性是假设控制网中只有一个观测值 包含粗差 且观测值粗差主要由某种系统性影响或点的变动所引起的假设情况下导出的。,89,外部可靠性:未被发现的模型误差对于点位坐标或其函数的影响具有更大意义。对于观测值中只含一个粗差的情形，未被发现的粗差 对未知数向量的影响可表为,90,灵敏度准则（难点）,发现网点的变形向量的能力称为监测网的灵敏度.对变形监测网，定义为在给显著水平 和检验功效 下，周期平差结果统计检验时，能发现位移向量的下界值。灵敏度是一个相对概念，即对于不同的变形向量具有不同的下界值。一般将变形向量用表示其大小的模a和表示其方向的单位向量g来表示，即 灵敏度用a来度量，它与单位向量g（又称形式向量）有关。a愈小，灵敏度愈高。,91,在变形监测网设计中，除考虑精度、可靠性和费用等准则外，要求所布设的网对需要监测的变形向量具有尽可能高的灵敏度。灵敏度实质上是特殊方向上的网点精度的反映，网的灵敏度愈高，所要求的观测值的精度也愈高。,92,费用准则（重点）,控制网的费用一般包括用于设计、造标埋石、交通运输、仪器设备购置、观测、计算、检查等各项费用。网的设计有两个原则：最大原则（费用一定，网的质量最好）在费用一定条件下，使控制网的精度和可靠性最大或者能满足一定限制下使精度最高 最小原则（质量满足要求，费用最小）在使精度和可靠性指标达到一定的条件下，使费用支出最小。建网费用常用观测值权的函数来度量，如,93,即用观测值的权的总和最小作为费用准则。据统计，网的测量费用于网的计算费用相比，后者不到8。通过优化设计，增加微不足道的设计计算费用，可显著降低测量费用。不难理解，精度愈高，观测值的权愈大，则建网费用愈高；同样，多余观测数愈多，网的可靠性提高，也要以增加费用为代价。,94,95,3.4.2 工程控制网的优化设计,工程控制网的优化设计分类优化设计的任务工程控制网的优化设计方法模拟法优化设计,96,1 工程控制网的优化设计分类,工程控制网的优化设计一般分为四类，各类设计的含义列于下表：,上述分类只是从概念上去理解，网的设计不一定完全按此思路，常常是几类设计同步进行。,97,优化设计的分类和方法,1)网的优化设计可分为零、一、二、三类。零类设计(基准设计)。固定参数是B和P，待求参数是X和Qxx。就是在控制网的网形和观测值的先验精度已定的情况下，选择合适的起始数据，使网的精度最高。一类设计(图形设计)。固定参数是P和Qxx，待定参数为B。就是在观测值先验精度和未知参数的准则矩阵已定的情况下，选择最佳的点位布设和最合理的观测值数目。通常，在传统的大地网图形设计中就是解决这个问题。,98,二类设计(权设计):固定参数是B，Qxx，待定参数P在控制网的网形和网的精度要求已定的情况下，进行观测工作量的最佳分配(权分配)，决定各观测值的精度(权)，使各种观测手段得到合理组合。三类设计(加密设计):固定参数是Qxx和部分B，P，待定参数为部分B和P，是对现有网和现有设计进行改进，引入附加点或附加观测值，导致点位增删或移动，观测值的增删或精度改变。,99,2 优化设计的任务（重点难点）,测量控制网设计过程,网的优化设计是一个迭代求解过程,它包括以下内容:提出设计任务,图形设计；制定设计方案；进行方案评价；进行方案优化,精度估算。撰写观测纲要选点埋石造标观测平差,网的优化设计过程,100,图3-2 控制网优化的内容和流程,101,网的优化设计方法有两种：解析法：通过数学方程用最优化方法求解。即:以数学规划原理求目标函数极大极小，得到设计变量最优解。特点：所需机时小，数学上严格。缺点：数学模型复杂，难以建模,3 工程控制网的优化设计方法,102,3 工程控制网的优化设计方法,模拟法(机助法)：根据经验和准则，通过计算比较、修改，得到最优方案。从初选方案出发，凭知识与经验修正完善，得到一个经济上合理，技术上可行，满足工程要求的方案，通常叫做模拟法，又叫修正法。特点：计算简单，易于编程，适应性广，设计结果合理可行。缺点：依赖经验与费机时。在实际中应用时应当二者结合。,103,在实践中，总结出了下述优化设计策略：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量的指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时可按观测值的内部可靠性指标，删减观测值。太大，说明该观测值显得多余，应删去；若很小，则该观测值的精度不宜增加。这种根据内部可靠性指标大小来删除观测值的方法称为从“密”到“疏”，从“肥”到“瘦”的优化策略。,模拟法优化设计应用,104,从模拟法优化设计的整个过程来看，它是一种试算法，需要有一个好的软件。该软件除具有通用平差软件的功能外，在成果输出的多样性、直观性，在可视化以及人机交互界面设计方面都有更高要求。同时也要求设计者具有坚实的专业知识和丰富的经验。用模拟法可获得一个相对较优且切实可行的方案，可进一步用模拟观测值作网的平差计算，同时可模拟观测值粗差并计算对结果的影响。这种方法称为数学扭曲法或蒙特卡洛法。对于一个精度、可靠性以及灵敏度要求极高的监测网或精密控制网，作上述优化设计和精细计算是十分必要的。,模拟法应用,105,2 模拟法优化设计,1.模拟法优化设计过程：设计网形、实地踏勘；定初始方案，模拟观测值，网平差；观测修改；再作模拟计算，重复进行，直到满意。人机交互方式进行。,106,3.4.3.2 模拟法优化设计,2.基于可靠性的模拟优化设计法要点和步骤：1）网的初始方案应对所有可能观测的边和方 向进行全测，是一个“肥网”或“密网”。2）观测值之间的精度相差不要太大，边角间 的精度应基本匹配。3）观测精度应选取仪器所能达到的最高精 度，使优化时有降低的余地。,107,4)模拟初始观测方案，进行平差计算，对精度、可靠性乃至灵敏度计算结果进行分析:观测精度是否合理，是否需作调整，基于观测值内部可靠性指标按从“肥”到“瘦”，从“密”到“疏”的策略进行网的优化设计。GPS网也可看作是全边角网，故模拟法优化设计方法同样可以用于GPS网。,108,4,3.1精密工程水平控制网,1,2,3,3.2 精密工程高程控制网,3.3精密工程测量控制点的标志,3.4 控制网优化设计,第三章 精密工程控制网及其优化设计,3.5典型工程控制网实例,5,作业与思考题,6,109,3.5.1 典型工程控制网,隧道（洞）洞外GPS平面控制网布设示意图:,J进洞点，C出洞点两端各有3个定向点定向点一般300-500米，少于该值应强制对中,110,111,112,建筑方格网,转角为90度的导线网；用于施工放样、测绘竣工图、改、扩建厂房等的控制依据；它主要有纵、横轴线贯穿整个施工场地；可分级布设，精度根据需要确定；方法有导线法、归化法、直接法等。,113,114,洞内导线网布设示意图,洞内设导线，长导线边长按500米设计,用四边形观测工作量大，沿两壁傍折光大,用此交叉导线工作量少它每隔一条边闭合一次,115,某大桥GPS首级平面控制网,桥长约31公里29个GPS点7个GPS水准点1在桥轴线上和延长线上布点控制桥长2 兼作施工网和变形网，点位应稳定3 要求与国家网联测4 联测部分点水准，拟合高程最弱点2厘米内,116,某大型水利枢纽工程施工控制网,27个点,10个已知点17个未知点1用TCA2003观测2 共131个多余观测，平均多余观测数0.73最大边760米，最小边11.32米,117,金沙江向家坝施工控制网图,以GPS网为主、精密测量地面边为辅的联合网方案,第三大水电站2006年开工,118,变形监测网,变形监测网由参考点和目标点组成，一个网可以由任意个网点组成，但至少应由一个参考点、一个目标点（确定绝对变形）或两个目标点（确定相对变形）组成。参考点应位于变形体外，是网的基准。目标点位于变形体上，变形体的变形由目标点的运动描述。,119,某典型拱坝变形监测网,13个点,1,2，3,4，5为工作基点16,7，8为参考点(定向)9,10,11,12为目标点，位于拱坝下游一侧，周期观测，计算水平位移,120,工程控制网_安装测量控制网,安装测量控制网通常是一种微型边角网，边长较短，一般从几米至一百多米。整个网由形状相同、大小相等的基本图形组成。对于直线型的建筑物，可布设成直伸形网。对于环形的地下建筑物，可布设成各种类型的环型网。如直接在环型隧道内建立微型四边形构成的环型网或测高环形三角形网，网的设计应顾及隧道的平均半径和隧道宽度，控制点及测量方向线到隧道壁的距离，以及三角形的 边长和长边上的高。对于大型无线电天线，可布设成辐射状控制网。,121,大型正负电子对撞机地面控制网,122,高能离子加速器安装测量控制网,位于地下,123,高程控制网,要求点位稳定、使用方便、精度可靠、密度适当。一般布设成网形或闭合环，并经常进行复核；临时水准点要注意其稳定性。,124,125,126,Thank You!,Thank You!,