§3.3 导线网条件平差计算

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条件平差导线测量图解推导精度评定

导线网条件平差计算

看图掌握列条件方程、解法方程、精度评定的完整链条

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条件平差导线测量图解推导精度评定

导线网条件平差计算

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1第 1 页 · 导线网条件平差计算

什么是导线网条件平差

导线网里角度、边长总要多测几遍,明明少测几个就能定点位,多出来的观测就叫'多余观测'。这些多余值之间藏着几何上的必然关系,条件平差正是从这种关系入手。

多余观测
观测数多于确定点位所必需的最小数量,产生数据冗余
条件方程
用方程表达观测值之间必须满足的几何或拓扑约束
平差核心
按最小二乘原则分配改正数,让所有条件同时成立
常见条件类型
角度闭合、多边形闭合、坐标闭合、边长闭合等
合伙凑钱买礼物对应 →条件平差

总价固定=条件方程;每人实付有多有少=多余观测;求合理分摊=平差

AV+W=0\mathbf{AV}+\mathbf{W}=\mathbf{0}
2第 2 页 · 什么是导线网条件平差

条件平差的基本思想

导线网观测后,每个角度、距离都带微小误差,直接使用会让几何条件不闭合。条件平差的核心思路是:给每个观测值配一个改正数,让所有条件精确闭合,同时让改正数尽量小。

多余观测
观测量个数大于必要个数,既产生了调整空间,也带来了矛盾
条件方程
把几何或物理约束写成方程,如三角形内角和恒等于 180°
最小二乘准则
在无穷多组满足条件的改正方案中,选 V^TPV 最小的那组
闭合差归零
加上改正数后,所有条件方程精确成立,残差为 0
四人各测桌子一边拼周长对应 →条件平差求改正数

每人测的边长都有误差,但四边之和=周长必须满足;平差就是找一组最小修正让等式精确成立

VTPV=min,BV+f=0V^TPV = \min,\quad BV + f = 0
3第 3 页 · 条件平差的基本思想

导线网条件数的确定

误差让观测值之间产生矛盾,矛盾的条数就是条件方程个数。抓住'必要观测'与'多余观测'这一对概念,r = n − t 的几何意义就清楚了。

公式 r = n − t
条件数等于多余观测数,由观测值总数 n 减必要观测数 t 得到
必要观测数 t 的几何意义
唯一确定网形与位置所需的最少观测个数,由网的几何结构决定
导线网中 t 的计算
同时观测角度和边长时,t = 2p − q,p 总点数,q 已知点数
从 r 到条件方程
每多一个观测就多一个约束,条件方程的个数恰好等于 r
盖楼的最少承重柱对应 →必要观测数 t

柱子刚好撑住楼(定网形),多立一根就得和楼对齐——多余观测就产生了条件

r=nt,t=2pqr = n - t,\quad t = 2p - q
4第 4 页 · 导线网条件数的确定

条件数确定流程图

三路汇合:观测量 n 与未知数 u 共同推出条件数 r = n − u。

图解渲染中…
C1n:网中实测的角度与边长总数C2u:未知点坐标分量个数,等于 tD2r:多余观测数,决定条件方程个数
5第 5 页 · 条件数确定流程图

附合导线的几何特征

上一节我们看清了条件数怎么算。这一节回到几何本身——附合导线为什么叫"附合"?它的形态和闭合导线、支导线有什么不同?

起点附合
起点 B 坐标和起算方位角 α_AB 已知
终点附合
终点 C 坐标和终了方位角 α_CD 已知
中间自由
中间各转折点、测距边位置都可自由选择
折线形态
整体呈折线,从一已知点延伸附合到另一已知点
一段公路从城市 A 到城市 B对应 →附合导线两端约束

中间怎么拐弯自由,但两端必须"接得上"已知路网

6第 6 页 · 附合导线的几何特征

方位角条件方程的建立

上一页说到附合导线两端都有已知方位角。从起点已知值出发,用观测的角度一站站推算到终点,得到的推算方位角必须等于终点已知方位角——这就是方位角条件的核心。

推算方位角
从起点已知方位角出发,每测一个转折角(左角+180°,右角−180°),沿导线累加得到终点推算方位角
条件方程
推算方位角减去终点已知方位角等于零,差值即方位角闭合差 Wα
含改正数形式
把每个角度观测值加改正数 v 代入条件方程,得到关于 v 的线性方程
几何含义
整条导线的角度观测受两端已知方位角约束,不可任意取值
接力赛累加赛段里程对应 →方位角沿导线累加

起点棒上记录起点方位角,每跑一段加上本段转角,到达终点时总和应等于终点已知方位角

α=α+βn180°\alpha_{推} = \alpha_{起} + \sum\beta_{左} - n \cdot 180°
7第 7 页 · 方位角条件方程的建立

方位角条件方程的建立步骤

从观测角到条件式的完整推导

方位角条件方程的建立步骤
从观测角到条件式的完整推导
8第 8 页 · 方位角条件方程的建立步骤

坐标条件方程的建立

上一页用方位角条件「卡住」了角度误差,让导线转一圈角度能闭合。但角度对了,距离还有误差——所以还需要两条方程来「卡住」坐标,这就是坐标条件方程。

纵坐标条件
所有边的纵坐标增量之和,应等于起终点纵坐标之差
横坐标条件
所有边的横坐标增量之和,应等于起终点横坐标之差
为什么是两条
坐标是二维的,x 和 y 各自独立约束,不能合并
增量怎么算
Δx = D·cos α,Δy = D·sin α,卷入距离与角度两类误差
小区里按导航走回原点对应 →坐标条件方程

转弯都对(方位角满足)但步幅有误差就会偏离,需要纵、横各一条把点拉回来

Dcosα=xxDsinα=yy\sum D\cos\alpha = x_{\text{终}} - x_{\text{起}} \qquad \sum D\sin\alpha = y_{\text{终}} - y_{\text{起}}
9第 9 页 · 坐标条件方程的建立

坐标条件方程的建立步骤

坐标条件方程的建立分五步:从起算数据出发,到推算闭合差,再到化为线性方程。

1
确定路线与起算
选定从已知点出发的推算路径,明确已知坐标和已知方位角。
2
推算待定点坐标
逐站用观测角算方位角,再用观测边算坐标增量,累加至终点坐标。
3
列出坐标闭合差
推算终点坐标必须等于已知坐标,得到 x、y 两个坐标闭合差方程。
4
用增量公式展开
代入 Δx=D·cosα、Δy=D·sinα,其中 α 本身也是观测角的函数。
5
全微分线性化
对闭合差方程作全微分,得到以角度和边长改正数为未知数的线性条件方程。
10第 10 页 · 坐标条件方程的建立步骤

方位角条件 vs 坐标条件

两类条件都来自网形闭合,但一个管'朝向',一个管'落点'——搞混会导致列错方程。

方位角条件
  • 约束对象:角度方向(旋转闭合)
  • 涉及观测量:仅水平角
  • 闭合差形式:角闭合差 Δα(单位:秒)
  • 几何含义:网的'朝向'首尾一致
坐标条件
  • 约束对象:点位(位置闭合)
  • 涉及观测量:水平角 + 边长
  • 闭合差形式:fx、fy → 导线全长闭合差 f
  • 几何含义:网的'落点'与已知点重合
测角网只需方位角条件;测边或边角同测的导线网必须同时满足两类条件——坐标闭合包含方位闭合的几何后果。
11第 11 页 · 方位角条件 vs 坐标条件

闭合导线的几何特征

上一页的附合导线,从已知点A走到另一个已知点B。如果让B就是A,让起点终点重合——导线就围成一个闭合多边形,这就是闭合导线。

几何闭合
起点与终点重合在同一已知点上,导线整体围成闭合多边形
内角和条件
闭合多边形内角之和理论值=(n-2)×180°,n为边数
坐标闭合条件
纵、横坐标增量之和理论上为零——因为又走回了原点
已知数据更省
比附合导线少一个已知点:1个已知点+1条已知方位角即可布设
绕标准操场跑一圈对应 →闭合导线

起点终点重合,路径围成一个闭合图形

i=1nβi=(n2)×180°\sum_{i=1}^{n}\beta_i = (n-2) \times 180°
12第 12 页 · 闭合导线的几何特征

闭合导线的条件方程

附合导线从已知点走到已知点,靠方位角和坐标两个条件把关。闭合导线更直接——它绕一圈必须回到起点,这一份'回家'的约束本身就拆成两个条件方程。

闭合导线的几何特征
从起点出发,经各导线点最终回到起点,构成闭合多边形
角度闭合条件
n 边形内角和应等于 (n−2)×180°
坐标闭合条件
纵横坐标增量总和 ΣΔx=0、ΣΔy=0,位置归零
条件数对比
比附合导线少一个方位角条件,多一个内角和条件
绕操场跑一圈对应 →闭合导线

起跑点=终点=几何闭合;累计转角=内角和;累计位移归零=坐标闭合

β=(n2)180°,Δx=0, Δy=0\sum\beta_{内}=(n-2)\cdot180°,\quad \sum\Delta x=0,\ \sum\Delta y=0
13第 13 页 · 闭合导线的条件方程

闭合导线条件方程图解

从闭合导线环出发,看三类几何约束如何分枝展开。

图解渲染中…
A起终点重合形成的闭合多边形C2Σβ-(n-2)·180°=0D1各边纵坐标增量累加为零D2各边横坐标增量累加为零
14第 14 页 · 闭合导线条件方程图解

附合导线 vs 闭合导线

两类导线条件方程的异同对比

附合导线 vs 闭合导线
两类导线条件方程的异同对比
15第 15 页 · 附合导线 vs 闭合导线

平差中定权的意义

同一条导线里,测角精度 0.5″,测距 1mm+1ppm——两种观测的'靠谱程度'差了几个量级。平差前要把这种不均等翻译成数字,让精度高的观测有更大话语权。这叫定权。

观测精度天然不均
测角、测距、高差乃至同类不同条件观测,可靠性都不同
权与方差成反比
P_i = σ₀²/σ_i²,方差越小权越大
高权=大影响
闭合差分配时,权大者得更多改正数
权靠先验信息定
由仪器标称精度、测回数、边长等先验信息事先确定
多位目击者描述同一件事对应 →多个观测值参与条件平差

站得近、光线好的目击者陈述更可信→他的话对判决影响更大;精度高的观测→权更大,对最终结果影响更大

Pi=σ02σi2P_i = \frac{\sigma_0^2}{\sigma_i^2}
16第 16 页 · 平差中定权的意义

角度观测值的定权

上一页讲了定权的意义——精度不同要赋不同权重。那导线网里角度的精度怎么定?关键在「测回数」:同一方向测得越多越可靠,权就越大。

方向观测法
每个方向独立观测n测回取平均,角度由两方向之差得到,方差为两方向方差之和
测回数与精度
n测回方向值的中误差降为单测回的1/√n,方差缩小n倍
角度权的公式
取√2倍单测回方向中误差作单位权中误差,角度的权P=n
测角法的对比
测角法直接量角n次,权也按n定,但推导不经过方向相减这一步
抽样调查取均值对应 →多测回方向取均值

样本量越大估计越稳,测回数n越大方向越准,权都和重复次数成正比

P=nP_{\text{角}} = n
17第 17 页 · 角度观测值的定权

边长观测值的定权

角度观测值的定权相对简单——同等级仪器、同等观测条件下,各角度精度相当,可按等权处理。但边长不一样:测距仪的误差与距离长短直接相关,绝不能等权。

测距仪标称精度
厂家给出的两段式表达:±(a + b·D),a 是固定误差,b 是比例误差系数
固定误差 a
与距离无关,源于仪器对中、棱镜常数等系统性影响,单位通常 mm
比例误差 b·D
随距离线性增长,来自光速、频率等比例因子影响,b 的单位常用 ppm
边长权的计算
中误差 σ_D² = a² + (b·D)²,权 P_D = σ_0²/σ_D²,距离越长权越小
卷尺量布对应 →边长定权

卷尺头磨损对应固定误差 a;布越长累计读数误差越大(b·D)。布越长总误差越大,权越小

σD2=a2+(bD)2,PD=σ02σD2\sigma_D^2 = a^2 + (b \cdot D)^2,\quad P_D = \frac{\sigma_0^2}{\sigma_D^2}
18第 18 页 · 边长观测值的定权

角度与边长定权对比

左右两路分别展开角度与边长的定权推导,底部汇合到统一的方差估计基准。

图解渲染中…
A1m_β 由仪器标称精度和测回数共同决定B1m_s 通常用厂商标称精度 a+b·ppm·dU两类观测需统一到同一尺度才能联合平差
19第 19 页 · 角度与边长定权对比
条件平差导线网完整实例

导线网条件平差实例

用一道完整例题,把条件数、条件方程、定权与解算全部串起来

20第 20 页 · 导线网条件平差实例

实例工程背景介绍

讲了一堆公式,现在落到真实工程。这是一条高速公路隧道贯通测量的附合导线 A→1→2→3→4→B,两端连接已知控制点 A、B。下面交代布设方案和起算数据,下页给具体观测值。

工程背景
高速公路隧道贯通测量,要求横向贯通中误差 ≤5 cm
导线形状
附合导线 A→1→2→3→4→B,共 4 个待定点
已知坐标
A(XA, YA)、B(XB, YB) 两端点坐标已知
已知方位角
起始边方位角 αAB、终止边方位角 αBA 已知
观测数据
5 个左角 β₁~β₅、5 条边长 D₁~D₅ 的外业观测值
医生问诊对应 →导线网平差

本页相当于「问诊」:先把病人情况(已知数据)和体征(观测值)摸清,后面才好列条件方程、对症下药

21第 21 页 · 实例工程背景介绍

条件方程的建立

从原始观测数据到列出条件方程,五步走完整个建立过程。

1
识别网型
区分附合/闭合/支导线,确定闭合多边形个数与已知点
2
计算条件数
由 r = n - t 确定需要建立的独立方程个数
3
分析几何约束
梳理方位角闭合、坐标闭合、边长闭合等约束类型
4
写出方程
用角度和边长观测值表达每条几何约束
5
化为标准形式
整理为 V·A = W,为组建法方程做准备
22第 22 页 · 条件方程的建立

法方程的组成与求解

条件方程列好后,要先组装系数阵和权阵,再按固定模式组成并解算法方程。

1
列条件方程
把 r 个条件方程线性化,写成 AV + W = 0 的矩阵形式
2
组 A 与 P
提取系数矩阵 A(条件对观测的偏导),并备好观测权阵 P
3
组成法方程
计算 N = AP⁻¹Aᵀ 和 W' = AP⁻¹W,建立 NK + W' = 0
4
求解 K
高斯约化解 r 阶线性方程组,得联系数向量 K
5
求改正数 V
由 V = -P⁻¹AᵀK 反算各观测值改正数,得到平差值
23第 23 页 · 法方程的组成与求解

平差计算流程图

沿箭头从左到右:观测→定权→列条件方程→法方程→解算→精度评定。三类条件方程并列汇入条件方程组。

图解渲染中…
B预处理含闭合差初算,定权按仪器精度分配G条件方程组由各类条件叠加为完整方程组
24第 24 页 · 平差计算流程图

平差结果的精度评定

前面我们求出了各点的最或是坐标——这只是「最佳估计」。但工程师还要追问一句:这个估计值有多可靠?这就是精度评定要回答的问题。

单位权中误差
μ̂=±√(VᵀPV/r),反映整网观测值的总体噪声水平
点位中误差
由协因数阵 Q_XX 与 μ̂² 相乘得到,可拆为 m_x、m_y 两方向
误差椭圆
二维置信区域,E、F 由协方差阵非对角元决定形状与朝向
精度评定的检验作用
将 μ̂ 与先验值比较,可发现粗差、识别网形薄弱环节
体检报告对应 →平差精度评定

总体健康分(μ̂)对应整网噪声,各项指标(m_x、m_y)对应点位精度,阴影区域对应误差椭圆

μ^=±VTPVr\hat{\mu}=\pm\sqrt{\dfrac{V^{T}PV}{r}}
25第 25 页 · 平差结果的精度评定

平差计算自测

点击作答

在导线网条件平差中,关于方位角条件方程与坐标条件方程的本质区别,下列说法正确的是?

26第 26 页 · 平差计算自测

导线网条件平差要点回顾

  • 多余观测→闭合差→条件方程→法方程:条件平差完整链路
  • 网形决定条件类型:附合有方位角+坐标条件,闭合仅有图形闭合
  • 定权反映观测质量:权比决定平差对角度、边长的信任与偏向
  • 法方程统一求解:所有条件化归为最小二乘问题
  • 精度评定闭环验证:单位权中误差与最弱点位误差量化可靠性
延伸主题:间接平差与条件平差的对比导线网秩亏与自由网平差三角网条件平差推广
27第 27 页 · 导线网条件平差要点回顾

课后思考

三个问题分别从原理、应用、边界三个角度延伸。先独立想 1 分钟,再对照参考答案看思路,不必拘泥答案本身。

1为什么条件平差要求条件方程个数恰好等于多余观测数 r?多列或漏列会怎样?

参考答案r 个多余观测恰好对应 r 个独立约束——少了浪费多余信息、多了方程相关、法方程秩亏。漏列相当于「看见了多余观测却不用」,多列则法矩阵奇异、求不出唯一解。

2实际工程中若忽略「角度与边长定权不同」这一事实,平差结果会偏向哪类观测?为什么?

参考答案没定权意味着把不同精度的观测当等精度处理。结果会被噪声大的低精度观测「拉偏」,高精度观测的贡献被平均掉,最终坐标精度被高估,精度评定也失去意义。

3当导线中存在短边(角度难测)或长边跨越障碍(距离难测)时,条件方程的形式需要改变吗?

参考答案形式不必变。条件方程只刻画几何关系,与观测难易无关;变的只是定权——给困难观测小权重。必要时可引入附加参数,或在个别边放弃观测转而约束。

28第 28 页 · 课后思考