1、1,工程控制网数据处理软件设计,郭际明 ,课程简介,工程控制网数据处理的理论和方法 控制网数据处理程序设计原理、编程思路 平面网、高程网、GPS网典型软件与算例,2,面授要求,、掌握工程控制网数据处理的基本理论和方法 、学习工程控制网数据处理软件设计的基本方法，编写部分程序代码 、结合典型软件，进行工程控制网算例的数据处理,3,第一章 C+编程语言基础,1.1 VC+语言概述 C: 结构化程序设计语言,既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点 C+: 面向对象的程序设计语言（抽象性、封装性、继承性和多态性），C的进一步扩展 VC+：(6.0，2005, 2008, 2010)是微软公司开发的一
2、个集成开发环境(IDE)，使用c+的一个开发平台,4,第一章 C+编程语言基础,1.2 控制网数据处理程序代码中VC+基本知识 数组 一维数组 类型标识符 数组名常量表达式 例如：double Direction100，定义了一个可以存放100个方向观测值的双精度一维数组，数组元素的序号是0，1，2,，99,5,第一章 C+编程语言基础,二维数组 类型标识符 数组名常量表达式常量表达式 例如：法方程的系数阵可以定义一个双精度二维数组表示如下为double N100100,6,第一章 C+编程语言基础,工程控制网软件设计中经常采用一维和二维数组进行数据存储和组织计算。 例如一维数组有：方向观测值
3、数组，边长观测值数组，点名字符串数组，坐标数组等； 二维数组主要有：法方程系数阵,7,第一章 C+编程语言基础,指针 基类型 * 指针变量名 例如： FILE * ResultFile;ResultFile = fopen(“XY.txt”,“wt”);控制网数据处理中常采用文件指针进行数据文件的读写，采用指针进行参数的传递等。,8,第一章 C+编程语言基础,类 类代表了某一批对象的共性和特征 class 类名 private： 私有的数据和成员函数 public：公用的数据和成员函数； ；,9,矩阵类 用面向对象的方法构造的矩阵类不但像数组一样能存贮数据，而且还能操作数据，数据和方法被封装在
4、一起，程序员不用考虑数组的大小，因为这一切在矩阵类中都是自动处理的。矩阵类为控制测量计算提供了便利。,10,第一章 C+编程语言基础,class CReadGPS3dVector public:CString strFileName;int KnownPointNumber;CStringArray PointName; private:FILE *GPS3dXYZ,*GPS3dVector; public: CReadGPS3dVector(void); CReadGPS3dVector(void); BOOL ReadData(); ,11,第一章 C+编程语言基础,控制网数据处理可以基于
5、C+“类”进行软件设计。 例如，可以设计如下的“类”，按“类”组织数据，实现相应功能。 读取已知数据和观测值“类” 数据预处理“类” 平差计算“类” 闭合差计算“类” 成果输出“类”,12,第一章 C+编程语言基础,文件 FILE * ResultFile; ResultFile = fopen(“XY.txt”,“wt”); fprintf(ResultFile,”%s %14.3lf %14.3lfn”, PointName, X, Y); fclose(ResultFile);注：printf()，sprintf(), fprintf()scanf(), sscanf(), fscanf
6、()工程控制网软件设计一般采用文本格式的数据文件进行输入和输出,主要有观测数据文件、已知数据文件、平差结果文件。,13,第二章 工程控制网数据处理的基本理论和方法,2.1 概述 建立平面控制网可采用全站仪边角观测、GPS基线向量观测，建立高程控制网可采用水准仪高差观测、全站仪三角高程测量等方法。 工程控制网数据处理是对外业获得的观测值进行一系列的运算，获得各个控制点的平差坐标、两点之间的边长和方位角的平差值、精度指标，并形成成果报告。 主要计算内容有观测值概算与投影、控制网平差、精度评定与成果输出。,14,2.2 观测值概算与投影 2.2.1 方向观测值概算与投影 （1）方向观测值归化至椭球面
7、 （a）垂线偏差改正,15,（b）标高差改正,16,（c）截面差改正(2) 方向观测值从椭球面改化到高斯平面,17,2.2.2 边长观测值概算与投影 （1）将地面电磁波测距长度归算至椭球面 （a）气象改正例如,对于TPS1000系列全站仪,气象改正公式为：,18,（b）斜距化算至平均高程面上的平距,19,（c）平均高程面至坐标系参考投影面的改正（2）边长从椭球面改化到高斯平面,20,边长从原始观测值改化到高斯平面距离的流程图 气象改正 斜距化算至平均高程面平距 平均高程面至坐标系参考投影面的改正 边长从椭球面改化到高斯平面,21,2.2.3 高差观测值概算 （1）电磁波测距三角高程的高差计算,
8、22,（2）水准测量高差改正计算 （a）水准标尺每米真长改正（b）正常水准面不平行改正（c）重力异常改正,23,2.3 近似坐标推算 极坐标方法 方向交会法 边长交会法 相似变换,24,2.4 控制网平差 平面控制网 （1）水平方向观测值误差方程（2）方位角观测值误差方程,25,（3）边长观测值误差方程（4）二维GPS基线向量误差方程,26,高程控制网三维控制网,27,2.5 粗差探测 巴尔达（Baarda）数据探测法 （1）最小二乘平差计算，求得参数的平差值及其权逆阵； （2）计算观测值的最小二乘残差； （3）计算每个观测值残差的权倒数及方差 （4）计算每个观测值的标准化残差，并找出绝对值最
9、大的标准化残差 （5）判断绝对值最大的标准化残差是否超出限差，若超出限差，则为粗差。,28,2.6 方差分量估计 赫尔默特方差分量估计法 （1）将观测值按等级或按不同观测来源分类，并进行验前权估计； （2）进行第一次平差，求得 （3）求得各类观测值单位权方差的第一次估值（4）反复进行第二项和第三项,29,2.7 高斯投影正反算,30,高斯投影换带计算的流程图L0(第1带) L0(第2带) (x1,y1) (B,L) (x2,y2)不同坐标系的相互转换：二维4参数，三维7参数，计算流程图,31,输入公共点坐标,计算转换参数,计算转换结果,第三章 平面控制网平差软件,3.1概述 随着测量技术和方法
10、的发展变化，出现了各种各样的平面控制网网形，例如灵活的导线网、边角全测的变形监测网、自由设站的高铁CPIII控制网等，精密工程测量控制网对数据处理软件提出了更高的要求。 例如国外有德国的GL-Survey、荷兰的MOVE3、加拿大的Geolab、俄罗斯的ARMIG等软件；国内有武汉大学、同济大学、清华大学、西南交通大学、南方测绘等研制了各具特色的控制网数据处理软件。,32,平面控制网平差软件的主要数学方法是最小二乘法： PVV=min 方向观测值误差方程及其定权 边长观测值误差方程及其定权,33,平面控制网数据处理软件应具备的基本功能: 观测值预处理 控制网平差 精度评定 成果输出,34,3.
11、2 平面控制网平差计算主程序实例 3.3 平面控制网算例 以武汉大学CODAPS软件为例，讲解程序使用方法和平面网算例。 CODAPS是地面工程测量控制测量数据处理通用软件包的简称，具有任意导线网、边角网、自由网、高铁GPIII网和高程网的严密平差计算、网图显绘、报表打印以及模拟计算、优化设计、粗差探测定位、方差分量估计、闭合差计算、隧道贯通误差估算、叠置分析等功能。,35,36,CODAPS采用控制网网名进行数据管理，文件命名规则： 网名.PG0 二三维网原始观测值文件 网名.SV 斜距改化文件 网名.IN2 平面观测值文件 网名.OU2 平差结果文件 网名.OUC 粗差定值定位后平差结果文
12、件 网名.OUF 方差分量估计后平差结果文件 网名.MAP 平面网绘图文件 网名.DXY 叠置分析结果文件 网名.CT 偏心文件 网名.XYH 概算文件,37,网名.CLI 闭合差计算输入文件 网名.CLO 闭合差计算输出文件 网名.GTI 贯通误差影响值计算输入文件 网名.GTO 贯通误差影响值计算输出文件 网名.FA2 模拟观测方案设计文件 网名.OB2 模拟观测方案文件 网名GE.INP 模拟粗差文件 网名.NET 二义点信息文件 网名.XY0 二义点概略坐标文件 网名.COR 平差坐标文件,38,文件名.BL_I/BL_O 大地经纬度输入输出文件 文件名.XY_I/XY_O 高斯平面坐
13、标输入输出文件 文件名.BLH_I/BLH_O 大地椭球坐标输入输出文件 文件名.XYZ_I/XYZ_O 大地直角坐标输入输出文件 文件名.XYXY_I/ XYXY_O二维坐标变换输入输出文件 文件名.XYZXYZ_I/XYZXYZ_O三维坐标变换输入输出文件,39,网名.IFI 附加信息输入文件 网名.IFO 附加信息输出文件 网名.SC2 删除观测值的结果文件 网名.PFM 观测值报表封面文件 网名.TA2 观测值报表文件 网名.CV2 平差结果封面文件 网名_RT2.DOC 平差结果输出文件,40,输入数据文件结构 CODAPS将观测值精度信息、已知点坐标、平面观测值组织到一个文件中(网
14、名.IN2)，是最主要的输入数据文件，其文件结构为： 方向中误差，测边固定误差，比例误差 已知点点号，X坐标，Y坐标 ，,41,测站观测值 测站点点号照准点点号，观测值类型，观测值 0.7,3,3 1,3730958.610,264342.591 2,3714636.8876,276866.0832 1 2,L,0 3,L,27.362557 6,L,83.435791,42,设置与选项,43,(1) 平差设置 （a）观测值文件排序 （b）观测值概算：“网名.XYH” （c）近似坐标用边长交会 网形信息文件，文件名为“网名.NET” 概略坐标文件，文件名为“网名.XYO” （d）单位权选择 （
15、e）边长定权公式 （f）平差迭代限值,44,概算用文件：“网名.XYH” 网点点名，X，Y，H，BH，N， 概算算例网.XYH： 1 3730958.6100 264342.5910 535.7 8.0 1.3 3.4 -0.7 2 3714636.8876 276866.0832 203.9 8.0 1.1 4.0 2.5 4 3700347.1407 266213.9081 376.0 8.1 1.6 0.6 3.7 5 3709621.8715 258215.6696 182.0 7.9 1.1 1.0 1.4 6 3721646.7827 254621.4564 166.2 7.8 1
16、.0 0.8 3.4 3 3718773.3604 266467.5123 179.6 7.9 1.5 2.8 1.4,45,“网名.NET” 点名1，点名2，点名3 点名1、点名2、点名3为边长交会三角形的三个顶点，按逆时针方向排列，每一个三角形组合占一行。 “网名.XYO” 点名 概略坐标X0 概略坐标Y0,46,（2）坐标系统设置 （a）坐标系统 （b）中央子午线 （c）投影面高程,47,（3）粗差探测设置 方差比1.05 - 1.20之间 粗差倍值取值应大于3 改正数倍值可取1.5 - 2.5,48,附加信息文件 文件实例（隧道网.IFI） R_PREcision 13,31 13,2
17、1 13,171 21,171 Qxx_matrix 2,3,13 31,21, 171 L_constant,49,普通控制网平差 自由网平差 （1）数据文件准备 在IN2文件中不能输入已知点坐标，即所有点都作为未知点。 需要准备近似坐标文件：网名.XY0 点名，近似X值，近似Y值，拟稳点标记 其中“拟稳点标记” 1，表示该点为拟稳点，若为0则表示该点为非拟稳点。,50,高铁CPIII网平差 （1）数据文件准备 （2）平差计算,51,3.3.2 平面网平差算例 边角网,52,附合导线,53,变形监测自由网,54,55,第四章 水准网平差软件,概述 水准网的观测量是高差观测值，待求参数是各点的
18、高程。有各段水准观测值形成的闭合图形称为闭合环，环闭合差、测段往返测高差之差是水准网中的重要的质量指标，平差的目的是为了确定网中未知点的最或然高程并进行精度评定。 水准网中的高差观测值是待求参数的线性函数，因此平差过程不需要迭代。,56,水准测量高差观测值的权,57,距离定权,测站数定权,水准网观测数据准备 采用电子水准仪观测时，仪器内部安装了相应的观测和数据记录软件。 常用的数据记录格式有：徕卡GSI、天宝DAT 为了进行后续的平差，需要把外业的原始记录格式的观测值转换为平差程序所需要的输入数据文件。 为了存档，一般还需要把外业观测值转换为符合规范要求的打印格式的文件(可采用Excel电子表
19、格),58,水准网平差计算的流程形成高差观测值文件 平差计算 精度评定 成果输出,59,程序实例：以武汉大学CosaLEVEL软件为例，讲解程序使用方法和水准网算例 输入数据文件格式为： 已知点点号，已知点高程值， 测段起点，终点，高差，距离，测站数 第一部分为高程控制网的已知数据，即已知高程点点号及其高程值; 第二部分为高程控制网的观测数据。,60,项目新建项目,61,导入/导出-导入已知点数据,62,导出Excel手簿,63,64,65,导入Excel手簿,66,67,网平差,68,水准网平差算例 (1) 输入数据文件(IN1文件，二等水准测量观测值)BM01, 25.7919G109,
20、32.7078G110 , G109 , 0.3420 , 0.505G109 , G110 , -0.3430 , 0.505G110 , S111 , -0.2845 , 0.126S111 , G110 , 0.2849 , 0.126S111 , S112 , -1.3655 , 0.146S112 , S111 , 1.3645 , 0.146S112 , S113 , -2.0557 , 0.189S113 , S112 , 2.0559 , 0.189S113 , S114 , -0.6754 , 0.242,69,S114 , S113 , 0.6760 , 0.242S114
21、 , S115 , -0.0959 , 0.160S115 , S114 , 0.0952 , 0.160S115 , S116 , -1.9922 , 0.499S116 , S115 , 1.9912 , 0.499S116 , S117 , 0.1646 , 0.317S117 , S116 , -0.1649 , 0.317S117 , B113 , 0.3368 , 0.420B113 , S117 , -0.3370 , 0.420B113 , BM01 , -0.6060 , 0.127BM01 , B113 , 0.6062 , 0.127,平差高差值序号 起点 末点 平差值
22、改正数 中误差 距离 -1 G110 G109 0.34259 0.59 0.19 0.505002 G109 G110 -0.34259 0.41 0.19 0.505003 G110 S111 -0.28472 -0.22 0.10 0.126004 S111 G110 0.28472 -0.18 0.10 0.126005 S111 S112 -1.36503 0.47 0.11 0.146006 S112 S111 1.36503 0.53 0.11 0.146007 S112 S113 -2.05583 -0.13 0.13 0.189008 S113 S112 2.05583 -0
23、.07 0.13 0.189009 S113 S114 -0.67574 -0.34 0.14 0.2420010 S114 S113 0.67574 -0.26 0.14 0.2420011 S114 S115 -0.09558 0.32 0.12 0.1600012 S115 S114 0.09558 0.38 0.12 0.1600013 S115 S116 -1.99179 0.41 0.19 0.49900 ,70,平差高程值 -序号 点名 高程(m) 高程中误差(mm) -1 BM01 25.79190 0.002 G109 32.70780 0.003 G110 32.36521
24、 0.194 S111 32.08048 0.215 S112 30.71546 0.236 S113 28.65962 0.247 S114 27.98388 0.258 S115 27.88830 0.259 S116 25.89651 0.2310 S117 26.06120 0.2011 B113 26.39802 0.11,71,计算往返测高差观测值互差的子程序?- 起点 终点 dh1(m) dh2(m) delta(mm) 距离(km) 限差(mm) - G110 G109 0.34200 -0.34300 -1.00 0.50500 2.84 G110 S111 -0.28450
25、 0.28490 0.40 0.12600 1.42 S111 S112 -1.36550 1.36450 -1.00 0.14600 1.53 -每公里高差中数偶然中误差: 0.66mm -,72,第五章 GPS控制网平差软件设计,5.1 概述 GPS网平差的目的主要有： （1）消除由观测量和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何上的不一致 （2）改善GPS网的质量，评定GPS网精度 （3）确定GPS网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值。 GPS基线向量:,73,根据进行网平差时所采用观测量和已知条件的类型和数量，GPS基线向量网平差可分为： （1）三维向量网平差 （2）二
26、维约束平差 （3）GPS网与地面网联合平差 同步时段，同步环；独立基线向量，异步环；一个时段同步向量条数=n*(n-1)/2,独立基线向量条数=n-1,74,5.1.1 函数模型,75,编号为k 的基线向量误差方程为当网中有 个待定点， 条基线向量时，则GPS网的误差方程为：,76,5.1.2 随机模型,77,5.2 GPS网平差程序流程图,78,5.3 GPS网算例 本节以CosaGPS软件为例，讲解程序使用方法和GPS网算例 5.3.1 程序使用说明 空间直角坐标系(WGS84)进行三维向量网平差、在高斯平面坐标系进行二维联合平差、针对工程独立网的固定一点一方向的平差、高程拟合等功能。,7
27、9,与工程有关的GPS文件 *工程名.GPS1dKnownH 已知高程文件 *工程名.GPS2dKnownXY 已知平面坐标文件 *工程名.GPS3dKnownXYZ 已知三维坐标文件 *工程名.GPS2dAzimuth 地面方位角 *工程名.GPS2dDistance 地面边长 工程名.GPS3dVector GPS三维基线向量 工程名.GPS2dVector GPS二维坐标差向量 工程名.GPS3dBLHVector GPS三维大地坐标差向量,80,工程名.GPS1dResult GPS高程拟合结果 工程名.GPS2dResult GPS二维联合平差结果 工程名.GPS3dResult G
28、PS三维向量网平差结果 工程名.GPS3dBLHResult GPS三维网椭球面上联合平差结果 工程名.GPS3dBLH GPS三维大地坐标文件 工程名.GPS3dXYH GPS平面坐标和大地高文件 工程名.GPS3dXYHEFT GPS平面坐标、大地高、误差椭圆元素文件 工程名.GPS2dXYEFT GPS二维联合平差高斯平面坐标及误差椭圆元素文件 工程名.dxf AutoCAD的DXF格式的网图文件,81,固定一点一方向的工程网有关文件 工程名.OneFix 已知数据文件，与对话框对应 工程名.GPS2dResult1 GPS二维平差结果 工程名.GPS3dResult1 GPS三维向量网
29、平差结果 闭合差计算文件 工程名.GPS3dLoop 工程名.GPS3dMisclosure 贯通误差影响值计算输入输出文件 工程名.gti 输入文件 工程名.gto 输出文件,82,转换参数文件 Parameter.1d 高程拟合模型系数 Parameter.2d 二维转换旋转角及尺度因子 坐标转换算例文件 demo.xy 高斯平面直角坐标 demo.BL 大地经纬度 demo.XYZ 三维空间直角坐标 demo.BLH 三维大地坐标 demo.XYXY 不同平面坐标系坐标转换 demo.XYXY_O 不同平面坐标系坐标转换结果 demo.XYZXYZ 不同空间直角坐标系坐标转换 demo.
30、XYZXYZ_O 不同空间直角坐标系坐标转换结果 用户自定义文件 demo.GPS2dRel 用户自定义需要输出相对精度的点对文件,83,84,控制网等级是按下述系列划分的： 国标A级 国标B级 国标C级 国标D级 国标E级 城市二等 城市三等 城市四等,85,城市一级 城市二级 高铁CP0 高铁一等 高铁CPI/二等 高铁CPII/三等 高铁四等 高铁五等,公路一级(路线) 公路一级(特殊) 公路二级(路线) 公路二级(特殊) 公路三级(路线) 公路三级(特殊) 公路四级(路线) 水利水电勘测二等 水利水电勘测三等,86,水利水电勘测四等 水利水电勘测五等 水电水利施工二等 水电水利施工三等 水电水利施工四等 工程测量二等 工程测量三等 工程测量四等 工程测量一级 工程测量二级 城市轨道交通 自定义,CosaGPS支持的软件格式有： Trimble(GPSurvey/TGO) Ashtech(GPPS/Solution) Leica(SKI/LGO) Sokkia Rouge Lip CosaGPS Topcon/Javad(Pinnacle) Gamit,87,Novatel 中海达 南方(asc),88,图5-5 GPS数据处理,89,90,GPS网平差算例,91,
