§4.4 附有限制条件的间接平差

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间接平差约束条件法方程精度评定

附有限制条件的间接平差

看清约束条件如何嵌入法方程,搞懂何时需要约束以及精度评定的细节

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间接平差约束条件法方程精度评定

附有限制条件的间接平差

看清约束条件如何嵌入法方程,搞懂何时需要约束以及精度评定的细节

1第 1 页 · 附有限制条件的间接平差

普通间接平差回顾

上一节我们看到,参数之间一旦存在约束,平差就不再只是'列方程、解方程'那么简单了。要理解约束到底'附'了什么东西,先回到基础——不带任何约束的普通间接平差是怎么做的。

函数模型
选 t 个必要参数,把 n 个观测写成参数函数,矩阵形式 L̂ = BX̂
误差方程
加改正数 V = Bx̂ − l;x̂ 为参数改正量,l = L − BX⁰ 为常数项
法方程求解
由 V^TPV = min 导出 B^TPB x̂ = B^TPl,解出 x̂ 后回代求 V
精度评定
单位权中误差 σ̂₀ 反映观测精度;Q_x̂ = (B^TPB)⁻¹ 用于参数精度与协因数传播
用地图上已知坐标的地标定位自己对应 →普通间接平差

地标坐标 = 参数;到你和地标的距离 = 观测值;最佳位置 = 参数最小二乘解

x^=(BTPB)1BTPl\hat{x} = (B^TPB)^{-1}B^TPl
2第 2 页 · 普通间接平差回顾

为什么需要限制条件

上页回顾了普通间接平差:要求 t≥u 方程组才有唯一解。但实际测量中常出现 t<u 的窘境——观测不够,参数定不下来。这一页找破局之路。

观测不足的困境
观测数 t 小于未知数 u,法方程秩亏,无唯一解
约束方程来补
参数间常存在已知几何或物理关系,可写成方程补充
约束从何而来
已知控制点坐标、固定边长、角度和条件等
约束数有要求
至少需 r = u − t 个独立约束方程,方程才可解
只量了三角形一条边对应 →t<u,形状定不下来

加上'内角和=180°'等已知几何条件,三角形才能唯一确定

rutr \geq u - t
3第 3 页 · 为什么需要限制条件

函数模型与限制条件

上页说到,当参数之间存在必须满足的几何或物理关系时,光靠观测方程就不够了。这一页我们把'硬规则'写进平差模型,看它长什么样。

函数模型(观测方程)
用所选 u≥t 个参数表达每个观测量,形式为 V = Bx̂ − l
限制条件方程
参数间必须满足的硬约束,写成 Cx̂ + Wₓ = 0,共 r = u − t 个
约束的三类来源
几何条件(角和=180°)、物理条件(高差闭合)、起算基准
联合函数模型
观测方程与约束方程并列,共同描述参数与观测的全部关系
约束的本质边界
约束不增加新信息,但保证参数解的几何一致性与唯一性
三角形内角测量对应 →函数模型+约束

估三个角像观测方程自由组合,三角形内角和=180°像约束方程,两套规则必须同时满足

V=Bx^l,Cx^+Wx=0V = B\hat{x} - l,\quad C\hat{x} + W_x = 0
4第 4 页 · 函数模型与限制条件

误差方程的列立

观测方程到误差方程,四步走完就拿到可解的函数模型。

1
选参数
从 t 个量中选 u 个独立量作参数,u 等于必要观测数
2
列观测方程
把每个观测量写成所选参数的函数 L̃ = Bx̂
3
改写为误差方程
移项整理成 V = Bx̂ - l 的标准矩阵形式
4
附加条件方程
把参数间约束写成 Cx̂ + W = 0 一并列出
5第 5 页 · 误差方程的列立

法方程的组成与结构

误差方程与限制条件都已经列好。下一步要把它们组装成可解的线性方程组——这就是法方程。它由哪几块拼起来?

误差方程贡献
V^T P V 取极值得 B^T P B(系数)与 B^T P l(常数项)
限制条件贡献
Cx̂+W=0 中的 C^T、C、-W 分别进入右上、左下、右下
乘子向量 k
拉格朗日乘子,把约束方程挂到法方程上
增广矩阵结构
整体呈鞍点型:左上对称正定、右下零块,需联立求解
盖房子对应 →法方程的组装

梁柱设计图(B^T P B)配地基承载规范(C),乘子k是连接梁柱与地基的榫卯

$$\begin{bmatrix} B^T P B & C^T \\ C & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \hat{x} \\ k \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} B^T P l \\ -W \end{bmatrix}$$
6第 6 页 · 法方程的组成与结构

联系数法方程的建立

上一页手握误差方程和限制条件,看似齐全——真要解 x̂ 时会发现,把限制条件直接代入消元,公式会越变越乱。有没有办法不动原方程、又能同时'管住'所有约束?

问题性质转变
有限制条件的最小二乘 = 带约束的极值问题,普通求导直接套不上
引入联系数 K
拉格朗日乘数思路:给每条约束配一个待定系数 K
扩展目标函数
Φ = VᵀPV + 2Kᵀ(Cx̂ + Wₓ),把约束加权'挂'进原目标
分别求导建立方程
对 x̂ 导数为零 → 新法方程;对 K 导数为零 → 自动还原约束
给每条禁令标价对应 →拉格朗日乘数法

不能违反的规则不能直接消掉,不如给每条规则标个罚款额度(乘数 K),让求解者自己在目标函数里权衡

{BTPBx^+CTK+BTPl=0Cx^+Wx=0\begin{cases} B^TPB\hat{x} + C^TK + B^TPl = 0 \\ C\hat{x} + W_x = 0 \end{cases}
7第 7 页 · 联系数法方程的建立

法方程的求解过程

联系数法方程把参数x和联系数K耦合在一起,求解必须先消元再回代。

1
组合总矩阵
将法方程与限制方程拼成[N̂ Cᵀ; C 0]的增广形式
2
消元改化
用N̂⁻¹消去参数x,化为只含联系数K的约化方程
3
求解K
解约化方程(CN̂⁻¹Cᵀ)K=Wx+CN̂⁻¹U,求出K
4
回代求x̂
将K代入N̂x̂+CᵀK=U,解出参数平差值x̂
5
求改正数V
代入误差方程V=Bx̂-l,得各观测值的残差
8第 8 页 · 法方程的求解过程

精度评定的指标体系

上一页我们从法方程解出了参数估值 X̂,数字拿到了。但工程上光有结果还不够——精度够不够?哪个参数估得稳?任意派生的距离、点位靠不靠谱?这套指标体系就是用来回答这些问题的。

单位权中误差 σ̂₀
整体精度指标,自由度 n−t+u,u 为限制条件个数
参数协因数阵 Q_X̂
由法方程系数阵求逆得到,集中了所有精度信息
参数中误差
取 Q_X̂ 对角元开根号乘 σ̂₀,逐个评价单参数精度
任意函数中误差
通过协因数传播律,求 φ = f(X̂) 的精度
老师批改试卷对应 →精度评定指标体系

总分看整体发挥;每题得分看单参数精度;预测相关题得分靠协因数传播

σ^02=VTPVnt+u,σ^x^i=σ^0Qx^ix^i\hat{\sigma}_0^2=\frac{V^TPV}{n-t+u},\quad \hat{\sigma}_{\hat{x}_i}=\hat{\sigma}_0\sqrt{Q_{\hat{x}_i\hat{x}_i}}
9第 9 页 · 精度评定的指标体系

单位权中误差的计算

法方程解出 x̂ 之后,残差 V 就有了。但 V 是怎么变成单位权中误差 σ̂₀ 的?这就是验后方差估计要做的事——用残差反推精度。

验后方差思路
平差完成后,用残差 V 反过来估计先验单位权方差 σ₀²
公式结构
σ̂₀² = VᵀPV / (n - t + r),分子是加权残差平方和,分母是自由度
分子 VᵀPV
先由 V = Bx̂ - l 算残差,再按权矩阵 P 加权求和
分母自由度
n - t + r,限制条件让 t 个参数线性相关,故需把 r 加回来
考试去掉已知答案对应 →自由度 n - t + r

总题数扣掉会做的(参数 t),再补回题目的关联信息(约束 r),才是真正能检验你的题

σ^02=VTPVnt+r\hat{\sigma}_0^2 = \dfrac{V^TPV}{n - t + r}
10第 10 页 · 单位权中误差的计算

平差值函数的中误差

上节我们求出了单位权中误差 σ̂₀,描述的是整体精度。但工程上更关心某个具体量的精度——某点坐标、某段距离——这就是平差值函数的中误差要解决的问题。

平差值函数
任一由平差值组成的函数 φ=f(X̂),可线性也可非线性,是我们关心的最终结果
协方差传播律
由 X̂ 的精度推求 φ 精度的数学桥梁
权逆阵来源
Q_X̂X̂ = (B^T P B)⁻¹,含限制条件时融入 C 阵
偏导数向量
非线性函数必须先在 X̂ 处线性化:f = ∂φ/∂X̂
中误差传播公式
m_φ = σ̂₀ · √(f^T · (B^T P B)⁻¹ · f)
导线网中点位误差传递对应 →平差值函数的中误差计算

每个角度、距离的误差传到控制点,再到任意函数值;偏导数反映各观测对结果的影响权重

mφ=σ^0fT(BTPB)1f,f=φX^X^m_{\varphi} = \hat{\sigma}_{0}\sqrt{f^{T}(B^{T}PB)^{-1}f},\quad f=\left.\frac{\partial\varphi}{\partial\hat{X}}\right|_{\hat{X}}
11第 11 页 · 平差值函数的中误差

公式体系总览

沿箭头看推导链:函数模型→法方程→求解→精度评定,四步出全部公式。

图解渲染中…
a2B为系数矩阵,l为观测值减近似值a3C为约束系数阵,W为闭合差a5引入联系数K,把约束并入法方程a9受限制条件修正,多出减号项
12第 12 页 · 公式体系总览

与普通间接平差的公式对比

增加限制条件后哪些公式变了

与普通间接平差的公式对比
增加限制条件后哪些公式变了
13第 13 页 · 与普通间接平差的公式对比

典型实例介绍

前面我们搭好了附有限制条件平差的整套公式。现在回到一个真实水准网:两端各一个已知高程点,中间若干待定点,观测高差有冗余——限制条件从哪里来?

网形与点位
A、B 为已知高程点,C、D、E 为待定点
观测高差
5 条水准路线,测得各段高差 L1~L5
参数选取
选 C、D、E 的高程作为未知参数 x̂
限制条件来源
A、B 高程已知,其高差为定值,构成 r 个条件
两端对挖隧道对应 →限制条件

A、B 高程已知即两端洞口固定,中间必须贯通对齐

$H_B - H_A = \text{已知值}$(A、B 高程已知点间的约束)
14第 14 页 · 典型实例介绍

完整求解过程演示

从列方程到求参数再到精度评定,五步走完整过程。

1
列误差方程
由观测值与参数关系写出 V = Bx̂ - l
2
列限制条件
把参数间约束写成 Cx̂ + Wx = 0
3
组成法方程
引入联系数 K 联立两类方程
4
求解参数
同时解出 x̂ 与 K 的唯一值
5
精度评定
算单位权中误差与函数中误差
15第 15 页 · 完整求解过程演示

结果检验与精度评定

前面已经算出了所有参数,但「算完」不等于「算对」。平差结果出来后必须做两件事:回头检验是否真满足所有约束,并给出精度的量化评价。这就是结果检验与精度评定的环节。

约束条件验算
把平差参数代入约束方程 C·x̂+Wₓ,理论上应精确等于零或在容许残差内
VᵀPV 一致性校核
用附有约束法与消去约束的纯间接法分别求 VᵀPV,结果应完全相等
单位权中误差
σ̂₀=√(VᵀPV/(n-t+u)),其中 u 为约束个数,多余观测数扣除了约束影响
参数与函数精度
由协因数阵 Qₓ̂ 加权得到各平差参数及所求函数的中误差
考试后核对答案对应 →平差结果检验

选择题(约束)必须全对;大题不同解法结果要一致;总分(σ̂₀)反映整体质量;逐题得分反映各参数精度

Cx^+Wx=0,σ^02=VTPVnt+uC\hat{x} + W_x = 0,\quad \hat{\sigma}_0^2 = \frac{V^{\mathrm{T}}PV}{n-t+u}
16第 16 页 · 结果检验与精度评定

知识点总结

  • 限制条件显式编码参数间本应满足的几何或物理关系,消除秩亏。
  • 联系数k桥接误差方程与限制条件,总法方程阶数=参数数+r。
  • 自由度=R−r,协方差阵需扩展以反映k传播。
  • 参数选得好,部分约束自动满足,r减小——参数化设计的智慧。
延伸主题:秩亏平差与拟稳平差附合网中限制条件的布设Helmert方差分量估计
17第 17 页 · 知识点总结

课后思考

先独立思考三个问题,再对照参考答案。三问分别覆盖回顾、应用与迁移三种层次。

1为什么选取参数时仅满足「个数最少」还不够?哪些情形下必须补充限制条件?

参考答案个数最少只保证法方程可解,并不等于参数可识别;纯代数情形下解可在参数空间滑动,需用限制条件把解锚定到唯一位置。

2演示实例中若漏掉一条限制条件,平差结果会发生什么变化?

参考答案联系数法方程缺一条而降秩,最小二乘解不唯一;残差平方和守恒,但参数估值与协方差阵都会偏移,落到有偏解上。

3当限制条件个数等于多余观测数时,本方法会退化为何种平差?

参考答案退化为经典条件平差。两者法方程秩与解等价,单位权中误差公式化为同一形式,可互为验证并对照精度评定。

18第 18 页 · 课后思考