第3章最小二乘平差ppt课件.ppt
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1、误差理论与测量平差基础,最小二乘平差,3.1 测量平差的数学模型3.2 条件式的线性化3.3 最小二乘估计3.4 条件平差法3.5 间接平差法3.6 附有限制条件的条件平差法3.7 最小二乘估计的统计性质,本章教学内容,重点与难点:平差计算公式以及精度评定公式;最小二乘统计特性。,本章学习主要内容概括为:测量平差的数学模型概念;基本平差方法(平差计算公式、精度评定公式);最小二乘估计的统计特性。,第3章 最小二乘平差,3.1 测量平差的数学模型,3.1.1 测量平差的数学模型,平差数学模型包括:函数模型和随机模型两个部分。,函数模型是指:观测值的数学期望之间的函数关系式;或观测值与待定参数的数
2、学期望之间的函数关系式;或待定参数的数学期望之间的函数关系式。,随机模型是指: 描述观测值的先验精度及其相关性的特征,常用观测值的方差-协方差阵来表示。,例如:为确定一个三角形的形状,若等精度独立观测了三角形三个内角,观测值方差为 。 则平差的数学模型可表达为:,函数模型:,随机模型:,3.1.2 必要观测和多余观测,多余观测数:即在必要观测的基础上,每增加一个观测量,观测中就有了一个多余观测,用r表示其个数。,观测总数:用n表示。,必要观测数:能够唯一确定一个几何模型所必需的元素,简称必要元素。对应的必要观测量个数,称为必要观测数(用t表示)。,则有: r=n-t,通过上面例子,不难看出:,
3、而观测值不可避免地存在偶然误差,使得约束条件因实际存在闭合差而并不满足;,如何调整观测值,即对观测值合理地加上改正数,使其达到消除闭合差的目的,这就是测量平差的主要任务!,由于多余观测,将会使观测量真值之间产生一个几何或者物理的约束方程,即函数模型;,那么,一个测量平差问题又是怎样来达到消除闭合差的目的呢?首先要由观测值和未知量间组成函数模型;然后采用一定的平差原则对未知量进行估计。关键:1)函数模型;2)平差准则。,建立不同的函数模型,就有了不同的平差方法。测量中常用的有:,1、条件平差法、附有参数的条件平差; 2、间接平差法、附有限制条件的间接平差;3、附有限制条件的条件平差法。,3.1.
4、3 函数模型,测量数据的函数模型一般为: 几何模型、物理模型或几何、物理综合模型。(测量控制网如水准网、三角网、GPS网等都属于几何模型),1、条件平差法,条件平差的函数模型 观测值的数学期望之间的函数关系式,又称为条件方程。条件平差 以条件方程为函数模型的平差方法,称为条件平差方法。,等价,等价,条件方程的个数:等于多余观测数r,且r个条件式线性无关(独立)!条件方程的通式:值得注意: 1)一个平差问题中,条件形式不唯一!选取形式最简为易! 2)各条件式之间必需是独立的!,条件方程的特点:,思考:如果将第三个式换为 是否可行?,=6,t=3,r=3,故应列出3个线性无关条件方程:,=6,t=
5、4,r=2,故应列出2个线性无关的条件方程:,思考:以下是否可行?为什么?,(1),(2),(3),=5,t=2,r=3;列立3个函数模型:,思考:有些条件方程是非线性的、又如何线性化?(是后续要介绍的问题。),2.附有参数的条件平差法,1、先仍然按条件平差列r个条件方程;2、然后再增选一个参数,则就会增加一个条件方程,即3、则上式可写成:,=5,t=2,r=5-2=3,按条件平差列函数摸型为:选C点高程为参数,则增加一个条件式,为:写成距阵式为:,可以看出,它是“特殊的条件平差”;它特殊在于选了参数,且参数的个数不能大于或等于t,即:(0t);函数模型的总数且=r+;函数模型由两大类构成:
6、1)一类是条件平差的条件方程; 2)另一类是含有参数的条件方程。合并两类函数模型,得通式为:,附有参数的条件平差的函数模型的特点:,例:下图测角网中,A、B已知点,AC已知边。观测9个角。按条件平差应列几个条件方程?,X,可见:有时为了某种需要,除了n个被观测量外,还选了u个非观测量(称之为未知数或参数)参与平差,其中ut。,S0,=4,t=2,r=4-2=2选=1个参数:列立=r+=3个条件方程:,3、间接平差法(参数平差),间接平差的函数模型 观测值与待定参数的数学期望之间的函数关系式。即:先选定t个独立参数,将每一个观测量表达成所选参数的函数,这种函数关系式称为“观测方程”。,间接平差法
7、: 以上述的观测方程为平差的函数模型,称为间接平差(又称为参数平差)。,t=2,选2个参数,函数模型:,列立观测方程前需先选参数,且参数的个数等于必要观测数t。t个参数独立(即不能存在确定的函数式)!观测方程的个数等于观测值的个数n。一般表达式:在测量控制网中,常采用待定点的坐标、待定点的高程为平差参数建立观测方程。,观测方程的特点:,例.(1)确定t=3,故需选3个参数; (2)选网中三个待定点高程为平差参数 (3)则列立=6 个观测方程。为,例.(1)t=2,选D,C点的高程为参数: (2)列立5个观测方程:,例.下图,试分别列立条件平差的函数模型、间接平差的函数模型。,条件平差=3,t=
8、1,r=2,故列立2个条件方程:,间接平差t=1,故选AB间距离为参数、列立3个观测方程:,条件平差的函数模型:先确定必要观测数t;由r=-t求出多余观测r;列立r个独立的条件方程(即观测量真值之间的几何条件式)。即:,间接平差的函数模型:先确定必要观测数t;选t个独立的参数;列立个观测方程(将每一个观测值期望表达成所选参数的函数);即:,条件平差函数模型与间接平差函数模型比较,例:分别列立条件平差、间接平差的函数模型,并将用一般形式表示。,条件平差的条件方程为:,间接平差的观测方程为:,4、附有限制条件的间接平差的函数模型,t=2,选=2+1个参数:则参数间就不独立了,产生约束条件:间接平差
9、的函数模型仍为:,写成矩阵形式为:可见,矩阵形式的特点是有两类!,特殊的间接平差,即仍要选参数,但参数的个数ut。多选参数的个数s=u-t,这样,参数就不独立了,之间会产生s函数式。函数模型的构成: 1)是间接平差的观测方程 ; 2)是参数之间的条件方程 。函数模型的个数= n+(u-t)=n+s。函数模型通式:,附有限制条件的间接平差函数模型的特点:,思考:按间接平差应建立几个观测方程?,附有限制条件的间接平差:看成是特殊的间接平差;特殊在所选的参数个数要比间接平差时个数多;参数个数:t函数模型的个数:=+(-t)=+函数模型的类型:1.按间接平差的观测方程、2.未知数之间的条件方程(限制条
10、件式)。函数模型可表示为:,附有参数的条件平差:看成是特殊的条件平差;特殊在需选参数,且独立;参数个数:0t函数模型的个数: =r+;函数模型的类型:1.按条件平差的条件方程、2.含有参数的条件方程。函数模型可表示为:,附有参数的条件平差与附有限制条件的间接平差函数模型比较,四种平差方法与参数的关系以及函数模型的一般式,函数模型,函数模型,参数与平差方法的关系,5、附有限制条件的条件平差法(概括函数模型),可以用概括函数模型概括各种平差方法,其概括模型为,不难看出:各种平差法的函数模型是概括函数模型的特例。,概括函数模型与各种平差方法的函数模型关系:,3.2 条件式的线性化,在各种平差中,所列
11、函数模型有线性的、也有非线性的;在平差计算时,需将非线性方程转成线性方程,即: 非线性函数模型线性化。,线性化的方法: 用泰勒级数公式展开,并取自一次项,二次以及以上高次项舍去。,非线性函数模型按泰勒级数展开过程:,令上式为:,根据函数线性化过程,容易得到:条件平差法:附有参数条件平差法:间接平差:附有限制条件的条件平差:,实际中:,例.将非线性条件式 线性化。,即:,例如:,3.3 最小二乘估计,测量平差就是对平差函数模型的参数进行估计。也就是在众多的解中,找出一个最为合理的解,作为平差参数的最终估计。这样,就需对估计值提出某种要求(附加约束条件),来得到最优估计值。,参数估计如下图按条件平
12、差,测量平差中的参数估计:在众多的解中,找出一个最为合理的解,作为平差参数的最终估计。,同样是:在众多的解中,找出一个最为合理的解,作为平差参数的最终估计。,为了在在众多的解中,找出一个最为合理的解,需对最终估计值提出某种要求:考虑平差所处理的是随机观测值,故这种要求自然从数理统计观点去寻求,即参数估计要具有最优的统计性质;从而可对平差数学模型附加某种约束,实现满足最优性质的参数唯一解。这种约束是用某种准则实现的,其中最广泛采用的准则是最小二乘原理。,所谓的最小二乘原理就是在满足: 的条件下,解出参数的估值,这种求估计量的方法就称为“最小二乘法”。p是观测向量的权阵。,或,最小二乘估计的优良性
13、质:1)不需要知道观测向量的分布状态;2)是一种线性估计;3)解唯一,且估值具有无偏和方差最小等最优性质。,例:一个三角形,等精度独立观测了三内角Li,求三内角的平差值(估值)。 解: (1)函数模型- (2)随机模型- (3)平差准则-,例:等精度独立观测了某量n次,观测值 Li(i=1,2,.n), 求该量的估值。 解: (1)函数模型- (2)随机模型- (3)平差准则-,3.4 条件平差法,条件平差步骤为:,建立条件方程作为函数模型;观测值的方差阵为随机模型;然后利用最小二乘准则;求平差问题的唯一解。,条件方程:观测值的权阵:最小二乘原则:求唯一解?,条件极值-拉格朗日乘数法,条件方程
14、改正数条件式,3.4.1 平差计算公式,按求函数极值的拉格朗日乘数法,构造新的函数:,1、数学模型:2、平差准则:,关于矩阵的微分:,若有,则Y的全微分由下式给出,特别地,将对V求一阶导数,并令其等于零,得:两边转置,得:用P-1左乘 两端,得改正数V的计算公式: 上式称为改正数方程。将得到的V回代到条件式中: 上式称为条件平差的法方程。,(公式),(公式),令法方程的系数阵为:法方程系数阵的特点1)是一个对称的方阵;2)是一个r阶满秩方阵,且可逆;则,法方程又可写为:故,可得联系数K的唯一解:,通常将: 以上两组方程称为条件平差的基础方程。,归纳条件平差的过程,1、建立数学模型:,2、组、解
15、法方程:,3、由改正数方程求:,4、求平差值:,按条件平差求平差值的计算步骤:,(1)根据平差问题(网形),确定观测总数,必要观测数t以及多余观测数r(条件数);(2)正确列出r个函数独立的线性条件式;(3)根据条件式的系数A,闭合差f以及观测值的协因数阵Q组成法方程;(4)解算法方程,求出联系数K值;(5)将K代入改正数方程,求出V;(6)由L+V求出平差值;(7)用平差值重新列出平差值条件方程式,看其是否满足,以检验平差计算的正确性。,例:对三角形的三内角作同精度观测,得观测值为:求三个内角的平差值。,例:下图水准网,已知数据和观测数据为:求:C、D点高程的平差值。,3.4.2 精度评定,
16、在平差计算中,经常需要估算某些量平差值的精度;,测量成果的精度,包括: (1)观测量的平差值精度; (2)平差值函数的精度。,观测值的方差可表达为: 观测量的平差值的方差则可表示为: 推广到求平差值函数的方差:,故:把求平差值函数的精度分成一是求单位权方差估值;二是求该量的协因数。,1、验后单位权方差的估值,单位权方差的估值公式 残差平方和除以多余观测数就为单位权方差估值。 即:,值得注意:一个平差问题,不论采用何种平差方法,单位权方差的估值的公式是不变的!,1)条件方程常数项的协因数先列函数式:由协因数传播律得: (式中Q为观测值的协因数阵。),2、协因数阵,2)观测值改正数(残差)的协因数
17、函数式:按协因数定律,得:,3)联系数K的协因数,方法1:函数式按协因数传播律得:,方法2:函数式按协因数传播律得:,4)观测值平差值的协因数函数式:,按协因数传播律,得:,即:,在条件平差的精度评定中上式是一个非常有用的公式!,5)两两互协因数阵(以 为例),函数式按互协因数传播律,得:,可见:观测值的平差值与改正数是不相关的。,条件平差中基本向量协因数、互协因数计算公式,3、平差值函数的中误差,平差值函数:就是指根据观测值的平差值所算出的某些量。 如:平面控制网中待定点的平差坐标、边长、方位角;高程控制网中的待定点平差高程等。 实际平差问题中: 任一个量均可表达成观测量的平差值的函数!如何
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