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第三章 工程控制网布设的理论与方法

发布时间:2019-06-29 23:57 来源:未知 编辑:admin

  第三章 工程控制网布设的理论与方法_建筑/土木_工程科技_专业资料。思考题 1.与国家大地测量控制网相比较,工程控制网哪些作 用和特点? 2.工程控制网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用之 间有何关系? 3.为什么要进行工程控制网的优化设计?基于观测值 可靠性的模拟法优

  思考题 1.与国家大地测量控制网相比较,工程控制网哪些作 用和特点? 2.工程控制网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用之 间有何关系? 3.为什么要进行工程控制网的优化设计?基于观测值 可靠性的模拟法优化设计的基本思想是什么? 4.工程控制网布设的发展方向是什么? 5.工程控制网边角精度匹配的含义是什么? 参考文献 ① ② ③ 李青岳.(1995),工程测量学,测绘出版社 第三章 工程控制网布设的理论与方法 主要内容 ? 工程控制网的作用和分类; ? 工程控制网的基准和建立方法; ? 工程控制网的质量准则; ? 工程控制网的优化设计; ? 典型工程控制网; ? 控制点的埋石与标志; ? 控制测量内外业一体化。 重点 工程控制网的质量准则 3.1 工程控制网的分类和作用 3.1.1 测量控制网的分类 测量控制网由位于地面的一系列控制点构 成,控制点的空间位置是通过已知点的坐标及 控制点之间的边长(或空间基线)、方向(角 度)或(和)高差等观测量确定的。 ? 全球控制网: 由国际组织在全球范围建立的大地测量参考框架, 主要用于确定、研究地球的形状、大小及其运动 变化。及确定和研究地球板块运动等。 ? 国家控制网 由各国测绘部门建立的区域性大地测量参考框架。 提供全国范围内的统一地理坐标系统;保证国家 基本图的测绘和更新;满足大比例尺测图的精度 要求;为精密地确定地面点的位置提供已知点的 及其特定坐标系下的坐标。 ? 工程控制网 是工程项目的空间位置参考框架,是针对某项具 体工程建设测图、施工或管理的需要,在一定区 域内布设的平面和高程控制网。 3.1.2 工程控制网的分类、作用和建网步骤 一、分类 按用途分: ? 测图控制网(地形) ? 施工(测量)控制网 ? 变形监测网 ? 安装(测量)控制网 说 明: ?工程规划设计阶段:要建立地形测图控制网,用 来控制整个测区,保证最大比例尺测图的需要; ?施工阶段:要建立施工控制网,以控制工程的总 体布置和各建筑物轴线之间的相对位置,满足施工 放样的需要; ?经营管理阶段:要建立变形观测控制网,用来控 制建筑物的变形观测,以鉴定工程质量,保证安全 运营,分析变形规律和进行相应的科学研究。 各阶段所要建立的控制网,共同的特点是精度 要求高,点位密度大。由于网的作用不同,使得测 图网、施工网和变形网又都有各自的布网方式和精 度要求,因此多是分别依次建立或者在原有网的基 础上改建。 按网点性质分: ? 一维网(或称水准网、高程网) ? 二维网(或称平面网) ? 三维网 按网形分: ? ? ? ? 三角网 导线网 混合网 方格网 按施测方法划分: ? ? ? ? 测角网 测边网 边角网 GPS网 按坐标系和基准划分: ? ? ? ? 附合网(约束网)-多余观测 独立网-独立坐标系统 经典自由网-必要观测-秩满 自由网-无必要已知数据或观测值 按其他标准划分: ? 首级网 ? 加密网 ? 特殊网 ? 专用网(如隧道控制网、 建筑方格网、桥梁控制网等) 二、作用 工程控制网也具有控制全局、提供 基准和控制测量误差积累的作用。 三、建网步骤 遵循大地测量学的原理,如: ?要有坐标系和基准 ?要构成网 ?要逐级布设等。 三、建网步骤 A.确定控制网的等级; B.确定布网的形式; C.确定测量仪器及操作的规程; D.在图上选点构网,到实地踏勘; E.埋设标石、标志; F.外业观测; G.内业数据处理; H.提交成果。 3.1.3 测图控制网(工程规划阶段测图) 作用: ? 控制测量误差的累积; ? 保证图上内容的精度均匀; ? 相邻图幅正确拼接。 测图控制网的特点: ? 测图控制网的精度取决于测图比例尺 的大小; *满足1:500比例尺测图精度的需要,四等及以下平 面控制网的最弱边的中误差=图上0.1mm,即实地 的=5cm。 ? 点位选择取决于地形条件; ? 控制范围较大,点位布设尽量均匀, 便于实测和图根加密。 * ① 测区内有高精度的国家控制点可直接利用; ② 测区内无高级控制点或精度不够,则与外部国家控 制点联测; ③ 小区域或局部工程,可布设首级控制网为独立网。 测图控制网的等级平面控制网: ? 二\三\四等三角网; ? 一\二级小三角网; ? 一\二\三级导线网; ? 一\二级导线。 ? GPS首级网 注意:@ 加密网尽量减少布网的层次,且一次性加 密,便于控制起始数据误差的影响,也使加密 点精度趋于均匀; GPS技术的优势,首级、加密GPS或者首级 GPS,加密传统方法; @ 测图控制网中的大比例尺高程控制网: ? ? ? ? 方法:通常是水准测量; 等级:二\三\四级; 精度:规范对不同等级有不同要求; 三角高程代替水准时注意: @ 斜距=1km; @ 有利时间观察,需往返测且往返时间短, 可两台仪器对测; @ 各控制点的高程观测应组成闭合环以增加 平差条件; @ 角度、仪器及标靶按规范观测。 3.1.4 施工控制网(工程施工放样) 平面控制网根据地形条件布设: ? 三角、边角网 起伏较大或跨越江河的地区; ? 导线网 平坦但通视困难的地区; ? 建筑方格网 建筑物或工业场区多为规则矩形的地区; ? GPS网 主流布网形式; ? GPS网与地面网相结合的混合网 高精度的施工控制网。 施工平面控制网特点: 1) 控制的范围较小,控制点的密度较大, 精度要求较高; ? 范围:点尽量控制整个区域,满足放样需要。大型 水利枢纽工程20km2,中小型10km2,工业场地1km2。 ? 精度高:点分布不均会导致边长相差大;放样建筑 物的轴线) 使用频繁; 稳定性、使用方便性及点位在施工期间的保存 3) 受施工干扰大; 施工控制网的布设是工程的一部分,考虑布置情况及 施工程序、方法;点位分布及密度恰当,施工总平面 图做点位标记。 施工平面控制网特点: 4) 控制网的坐标系与施工坐标系一致; ?施工坐标系,就是以建筑物的主要轴线作为坐标轴而 建立起来的局部直角坐标系。布网时尽量使用轴线作为 控制网的一边,施工控制网和测图控制网关联时需进行 坐标换算。 ?水利中的大坝;大桥桥轴线;隧道中心及切线;车间 或设备的轴线) 投影面与工程的平均高程面一致; ? 不是投影到平均海水平面或参考椭球所对应的高斯 平面上,而是投影到厂区平均的高程面上。 ? 投影到定线放样精度最高的平面,保证设备、构件 的安装精度; ? 桥梁控制网要求化算到桥墩顶部的高程面上; ? 隧道控制网应投影至隧道平均高程上。 施工平面控制网特点: 6) 有时分两级布网,次级网可能比首级 网的精度高。 工程:各种建筑物、构筑物、铁路、公路、隧道等 的综合体。 ? 首先建立第一级控制网,放样各建筑物的主轴线; ? 其次根据各个工程项目放样的具体要求建立第二级 控制网。 施工高程控制网特点: ?首先布满整个场地的基本高程控制网(三等); ?其次根据各个施工阶段的需要布置加密网(四等)。 加密点一般为临时水准点。 平坦地区:施工平面、高程控制点可以共享; 起伏较大:施工平面、高程控制点单独布设。 3.1.5 变形监测网 一.变形监测网由参考点和目标点组成 必要条件: ? 可以由任意点构成网,但至少有一个参考点、一 个目标点或两个目标点; ? 参考点在变形体外,是网的基准,目标点在变形 体上,变形由目标点的运动来描述。 布设网形: 根据监测的目的、变形体的形状、环境及地形: 一维网、二维网、三维网。 监测方法: ? ? ? ? 三角网或边角网、导线或导线网; GPS监测网; GPS与地面测量网混合; 三维激光扫描监测等。 3.1.5 变形监测网 二.变形监测网的坐标系和基准的选取原 则; ? 变形体的范围大且形状不规则时,选择已有的大地 坐标系统。 优点:得到已知的归化和投影改正;监测网便于检查。 ? 与已有的大地网联测或将已有的控制点作为参考点, 便于坐标系及基准的确定。 优点:一维一个已知点,二、三维两个已知点;精度 要求高,联测时采用无强制连接方法,即固定一个点, 二三维再固定一个定向方向。) 3.1.5 变形监测网 二.变形监测网的坐标系和基准的选取原 则; ? 明显结构特征的变形体,采用基于监测体的坐标系; 坐标轴可与监测体的主轴线重合、平行或垂直。 优点:以使目标点在某一个方向上变动,坐标变化反 应变形情况,选什么样的坐标系和固定基准不重要, 但确定了固定基准就保证不变。 ? 仅对目标点相对运动研究,可不用参考点,采用自 由基准,变形体的变形通过可估计的基准不变量确定。 优点:不设参考点,不通过目标点坐标变化来确定变 形。 3.1.5 变形监测网 三.对变形监测网应作同时顾及精度、可靠 性、灵敏度以及费用进行监测网的优化设 计; ? 根据网点的布置、坐标系、基准及目标点的精度要求, 则网的精度得以确定。 ? 人机交互模拟优化设计方法或解析法确定优化方案: ? 增减观测值 ? 修改测量方案 ? 改变观测值精度等 3.1.5 变形监测网 四.对变形监测网都要进行重复观测 ? 每个周期观测方案不变,消除周期观测中的系统误差; ? 如中途改变方案(仪器、网形、精度等),则需在观 测周期同时采用两种方案进行观测,以确定两种方案间的 差别,进行周期观测数据的处理。 3.1.6 安装测量控制网 作用: ? 大型设备构件安装定位的依据; ? 工程竣工后建筑物和设备变形观测及设 备调整的依据。 条件: ? 控制点的密度要能满足设备构件的安装 定位要求; ? 点位的选择要考虑设备的位置、数量、 建筑物的形状、特定方向的精度要求等。 3.1.6 安装测量控制网 特点: ? 通常是一种微型边角网,边长从几 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; ? 精度要求很高,其测量精度有时要 达到计量级。 3.2 工程控制网的基准和建立方法 3.2.1 工程控制网的基准 定义:是通过控制网平差求解未知点坐标 时所给出的已知数据,以便对网的位置、长度 和方向进行约束,使网的平差有唯一解。 该基准不满足及秩亏时有一特解,基准的 不同有: ⑴ 约束网:具有多余的已知数据。 ⑵ 最小约束网(经典自由网):只有必要 的已知数据。 ⑶ 无约束网(自由网):无必要的已知数 据。 3.2.1 工程控制网的基准 基准与网的用途和分类有关,工程控制网的 观测值:角度或方向、边长、天顶距和高差,极 少有方位角: ? ? ? ? ? GPS网平差为基线向量或坐标差等。 测图控制网一般为约束网; 施工控制网为最小约束网; 变形监测网为无约束网或最小约束网; 安装控制网为最小约束网或约束网。 表3-1 各种工程控制网的基准秩亏和基准参数 3.2.2 工程控制网基准的建立方法 ?联测:测图控制网多为约束网,总是选国家 或城市坐标系(含平面和高程)下的已知点坐 标为其基准。 ? 一个点的坐标和一个方位角为固定起算; ? 长度基准由投影到工程投影面上高精度测 距边来确定。 ?不联测:工程控制测量采用较多的是不与大 地测量控制网相联系的专用网,所以自由网平 差以及基准确定很重要。 *自由网平差理论见控制测量学 3.3 工程控制网的质量准则 控制网的质量是控制网设计的核心和宗旨。用 什么标准来衡量控制网的质量好坏,不仅取决 于工程的质量和要求,而且取决于标准制定的 合理与否。这个标准就是控制网优化设计的质 量标准,又称为质量指标或质量准则。 ? 精度准则:描述误差分布离散程度; ? 可靠性准则:发现和抵抗模型误差的能力; ? 灵敏度准则:监测网发现某一变形的能力; ? 费用准则:建网费用。 3.3.1.1 精度准则 一、总体精度准则(P35) 线 ? ? ? X的协方差阵 xx 0 Q xx X的经验协方差阵 ? ? s 2 Q xx 0 xx ? l ? V ? Ax A为(n,u)维系数矩阵; s2为x2的估值; ? xx Q xx 协方差阵和协因数阵反应 网的总体精度,见下页图 总体精度准则可由u维的未知数向 量x的置信超椭球的概率公式导出: T ?1 ~ 2 ~ ? ? P{(x ? x) Σ xx (x ? x) ? χ u,1?a } ? 1 ? a 对协方差阵做谱分解得: 式中的λ是Σ特征值,s为λ的特征 向量,则置信超椭球体的半径Ai: Ai ? 2 ? i ? u ,1? a 由置信超椭球可知: 1.E准则 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。 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 4.平均精度准则 5.均匀性和各向同性准则 二、点位精度和相对点位精度 三、未知数函数的精度 四、主分量 五、准则矩阵 Local precision estimates 1. Mean square error of a point 点位中误差 2. Error ellipse (standard) 误差椭圆 3.3.1.2 可靠性准则 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。 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)。 1.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。 换句话说:内部可靠性是指某一观测值中至少 必须出现多大的粗差 ?0li ,才能以所给定的检 验功效在显著水平为 ? 的统计检验中被发现 ,这时观测值上可发现粗差的下界值为: ? 0li ? ? l ?0 i ri ? 直接进行不同类观测值的可靠性比较,采用 ?0 ? i ?0 ri ? ?0 i 作为度量观测值内部可靠性的指标。 2.外部可靠性 外部可靠性是指无法探测出小于 ?0li 的观测值, 而保留在观测数据中的残存粗差对平差结果的影 响,即没有发现的粗差对待估参数的影响。 ? 0 ? ? ? ? ? ? 0 X i ? QXX AT P ?? 0li ? ? ? ? ? ? ? 0 ? ? 上式与基准有关,且使用不便: ? 0? ? ? 0 i ? 0? 1 ? ri ri i 为描述不同观测值的外部可靠性指标。 分析: 3.3.1.3 灵敏度准则 ? ? ? 变形观测控制网以灵敏度准则作为其特殊的质 量准则,是由变形观测控制网的性质、特点和 用途所决定的。 变形观测控制网的目的就是要证明监测对象是 否存在显著变形。 和一般控制网相比较,监测网最主要的特点就 是具有周期性和方向性。即通过多期观测来发 现建筑物在某一特定方向上的变形。 3.3.1.4 费用准则 ? 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) 最小原则(质量满足要求,费用最小) ?建网费用常用观测值权的函数来度量,如 ? 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80%。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。 3.4 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 测量控制网优化设计 ? 在现有人力,物力和财力条件下,使控制网 具有最高的精度。 ? 在满足控制网的精度和可靠性的前提下,使 成本最低。 3.4.1 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(高斯马尔科夫模型(L,Ax,σ2P-1)): (1)零类设计(基准问题):网形与观测精度一定,坐标 系与基准的选择问题; (2)一类设计(图形问题):观测精度与坐标向量协因数 阵一定,调整网点位置问题; (3)二类设计(权比问题):网形和坐标向量协因数阵一 定,观测精度改变的问题; (4)三类设计(加密问题):对已有网的改进问题。 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。 观测值方程式 法方程式 协因数阵 V ? AX ? L, P A PAX ? A PL ? 0 T T QXX ? ? A PA? T ?1 3.4.2 优化设计的任务 网的优化设计是一个迭代求解过程,它包括 以下内容(参见下图): ? ? ? ? 提出设计任务:测量人员按应用部门要求落实; 制定设计方案:网的图形和观测方案的修改; 进行方案评价:精度、可靠性、灵敏度和费用; 进行方案优化:网的设计修改达到理想。 控 制 网 优 化 的 内 容 和 流 程 3.4.3 工程控制网的优化设计方法 网的优化设计方法有两种: ? 解析法:(原理P46) 通过数学方程用最优化方法求解。目标 函数达到最小。 ? 模拟法: 根据经验和准则,通过计算比较、修改, 得到最优方案。 3.7 工程控制测量内外业一体化 3.7.2 工程控制测量内外业一体化系统

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