Metoda wyrównania zbioru poziomych sieci geodezyjnych
Transkrypt
Metoda wyrównania zbioru poziomych sieci geodezyjnych
P R A C E IN S T Y T U T U G EO D EZJI I K A R T O G R A F II Т о т X X V I , Ze sz y t 3(63), 1979 JE R ZY G A Ź D Z IC K I 528.1:528.33 Metoda wyrównania zbioru poziomych sieci geodezyjnych Zarys treści. P o d a je się m etod ę w y ró w n a n ia zb ioru w z a je m n ie p o w ią z a n y ch sieci, p o le g a ją c ą na ite r a c y jn y m ob liczen iu jed n ozn a czn ych w a r to ś c i w s p ó ł rzę d n y c h w s zy s tk ich p u n k tów . U zy s k a n e ro z w ią z a n ie spełn ia w a ru n e k m in im a ln e j d e fo r m a c ji sieci. 1. Wstęp T y p o w y m i produktam i prac geod etów są sieci geod ezyjn e. Z tego oczyw istego faktu w ynika, że liczba różnego rodzaju sieci stale rośnie w każdym kraju. Sieci now e są zakładane na obszarach p o k rytych już uprzednio innym i sieciami, zw a n ym i tu krótko sieciam i starym i. Z r e g u ły sieci łączą się ze sobą, m ając pew n e pu nkty wspólne. Pod w zględ em nu m erycznym pow iązanie dwóch sieci w yk on u je się różn y m i sposobami. O gólnie rzecz biorąc, można stw ierdzić, że stosowane są procesy obliczeniow e prow adzące do jednego z dwóch podstaw ow ych w a ria n tó w w yn ików . W w ariancie I pu nkty należące w yłączn ie do sieci starej zachow ują w spółrzędne określone w w yrów n a n iu tej sieci w yk on an ym bez u w zg lęd nienia sieci n ow ej; w spółrzędne punktów należących w yłączn ie do sieci n ow ej są otrzy m y w a n e w w yrów n an iu sieci now ej, natomiast w sp ółrzęd ne pu nktów w spólnych uzyskuje się w sposób w ła ściw y dla zastosowanej m etody. Jako w yp ad k i szczególne można tu podać: — klasyczne w yrów n a n ie sieci n ow ej jako sieci dru giego rzędu w stosunku do sieci starej; zakłada się w ówczas, że w spółrzędne obliczo ne w w yrów n an iu sieci starej są bezbłędne w w yrów n a n iu sieci n ow ej, — w yrów n a n ie sieci n ow ej p rz y u w zględn ieniu w a ria n cji (m etoda Hausbrandta) lub też w arian cji i k ow arian cji w spółrzędnych punktów w spólnych określonych w w yrów n a n iu sieci starej. W ariant I I ch ara k teryzu je się tym , że w rezu ltacie dołączenia sieci n ow ej zm ianie u legają rów n ież w spółrzędne w szystkich pu nktów sieci starej. W y n ik i tego typ u u zyskuje się, stosując, na przykład, jedną z m etod łącznego w yrów n a n ia sieci spełniającą w arunek v TQ - i v = m in odniesiony do w ektora popraw ek v oraz w szystkich obserw acji obydw óch sieci. ( 1) m acierzy k o w arian cyjn ej Q Generalną w adą rozw iązań w edłu g w ariantu I jest zniekształcanie jed n ej lub obydw óch sieci w rejonach pu nktów w spólnych. O bserw acjom w tych rejon ach p rzyp orzą d k ow yw a n e są nadm iernie duże popraw ki. W ielkość zniekształcenia uzależniona jest p rzy ty m od stosunku dokład ności ob serw acji obydw óch sieci, u żytej m etod y oraz sposobu pow iązania i kształtu sieci. M e to d y rea lizu jące w sposób ścisły w aru nek (1) stosowane są dość rzadko z p rzy czyn czysto praktycznych: cena jaką n ależy płacić za zgod ność z teorią jest n iejedn okrotn ie zb yt w ysoka. D o ty czy to zwłaszcza zakładanych obecnie sieci szczegółow ych, które, na p rzyk ła d w Polsce, za w iera ją dziesiątki, a naw et setki tysięcy punktów. W p raktyce g eo d ezy jn ej rozw iązan iem bardzo dogodnym jest w y r ó w nyw anie każdej sieci szczegółow ej bez u w zględn ien ia pow iązań z sąsied nim i sieciam i o podobnej dokładności. B iorąc to pod uwagę, w pracy nin iejszej rozpatru je się zbiór w za jem n ie pow iązanych, lecz oddzielnie w yrów n a n ych sieci g eo d ezy jn y ch p o k ry w a ją cy ch p ew ien obszar. Zakłada się, że w spółrzędne pu nk tów w e w szystk ich sieciach są obliczone w je d nym i ty m sam ym układzie w spółrzędn ych na drodze: — w yrów n a n ia w naw iązaniu do pu nktów sieci pań stw ow ej w yższej klasy, lub — w yrów n a n ia niezależnego oraz późn iejszej tra n sform acji w spół rzędnych. P o m ię d zy w artościam i w spółrzędn ych pu nk tów w spóln ych o trzy m a nym i z sąsiednich sieci istn ieją zatem pew n e różnice w yn ik a ją c e z b łę dów pom iarow ych. Zachodzi w ięc potrzeba w yrów n a n ia i uzyskania jednoznacznych w spółrzędn ych każdego punktu. Dążąc do uniknięcia w ad rozw iązań w ed łu g w ariantu I i jednocześnie rezygn u ją c ze ścisłego spełnienia w aru nku ( 1) proponu je się now ą m e todę w yrów n an ia, staw iając w aru nek m in im aln ej d eform a cji zbioru sieci w sensie określon ym w dalszym ciągu pracy. Do zalet tej m etod y za li czyć można: •— jednoczesne i jed n olite p rzetw o rzen ie w szystkich w y ró w n y w a n y c h sieci, — uniwersalność zastosowań, — prostotę algorytm u oraz m ałą pracochłonność ob l;czeń, — n iew ielk ą liczbę danych początkow ych. M etoda nie k w a lifik u je się, oczyw iście, do w yrów n a n ia sieci I klasy oraz innych sieci o w ysokich standardach dokładności. 2. Podstawowe założenia W niniejszej pracy sieć geod ezyjn a S będzie określona przez podanie (rys. 1): 1) zbioru P oznaczeń punktów sieci, 2) zbioru В = {(i, j ) } oznaczeń boków sieci, gdzie i 6 P, jC P są oznaczeniam i p a ry punktów połączonych bokiem , 2) zbioru W = { ( x k> у/с)}, к 6 P par w spółrzędnych punktów sieci, 4) param etru m dokładności sieci, p rzyjm o w a n ego jako przeciętn y średni błąd w zg lęd n y długości boku w sieci. W sposób ogóln y można zatem przedstaw ić sieć geod ezyjn ą S pisząc S = (P , B, W , m ) (2) W y o b ra źm y sobie teraz, że dany obszar jest p o k ry ty zbiorem Z sieci g eod ezyjn ych S(1>, S(2), . . . S(n) (rys. 2): Z = {S<1>, S<« . . . S<n>}, (3) SOo = { p w , B<">, W<">, m (h)}. (4) gdzie Zakłada się, że: 1) każda sieć S < -h) ma co n ajm n iej jed en punkt w sp óln y z sieciam i pozostałym i, 2) k a żd y punkt g e o d e z y jn y w zbiorze sieci Z ma jedno, n iep ow ta rza l ne oznaczenie, 3) w spółrzędne pu nktów w e w szystk ich sieciach podane są w jed n ym układzie w spółrzędnych, 4) w szystk ie sieci są doprow adzon e do jed n olitej skali oraz do jed n o lite j orien ta cji p rzez uprzednie w yrów n a n ia oraz ew en tu aln e tra n sfor m acje m etodą n ajm n iejszych kw adratów , 5) p om iędzy w sp ółrzęd n ym i pu nktów w spólnych t, tj. pu nk tów nale żących do co n ajm n iej dw óch sieci S(g), S (r) (t 6 P (q\ t G P W ) istnieją pew n e różnice o ch arakterze przyp a d k ow ym , w yn ik a ją c e z b łęd ów po m iarow ych. Dla w yrów n a n ia tak określonego zbioru sieci i uzyskania jednoznacz nych w spółrzędn ych w szystk ich pu nktów staw ia się następujący w aru nek ogólny: V h=l У1 w (h) [(г-'а|,?г)) 2+ (ь 'Ь ^ )) 2] = min, (TT) e B(h) (5) Q -w(,l) — ęm (h)yi jest w agą sieci S(h) obliczoną p rz y u w zględn ien iu w y b r a nej stałej c, va9f — jest zm ianą azym utu affi (w radianach) boku (i, j ) w te j vb ff — jest zm ianą loga rytm u naturalnego bjV = In i f f długości sieci, 199 tego boku, rów n ą w zg lęd n ej zm ianie długości: vW1 ) vb99 = № ' W aru n ek (5) n a zyw an y jest w n in iejszej pra cy w aru n kiem m in im al nej d eform a cji zbioru sieci. Z godnie z ty m w aru nkiem poszukuje się takich w artości w spółrzędn ych punktów , aby suma k w a d ra tów zm ian a zym u tów oraz w zg lęd n y ch zm ian długości pom nożonych p rzez odpo w ied n ie w a g i była rów n a m inim um . Stosuje się p rz y ty m w a g i w <h> je d nakow e dla azym u tów i lo g a ry tm ó w długości w danej sieci S №). P r z y jęcie tak ogólnego m odelu stochastycznego zn ajd u je sw oje uzasadnienie w w yn ikach obliczeń testow ych, ja k też w fakcie, że dla w iększości sieci, zwłaszcza dawnych, brak jest in form a cji u m ożliw iają cych sform u łow anie tego m odelu w sposób bardziej szczegółow y. 3. W yprowadzenie wzorów R ozw iązanie przedstaw ionego p o w y żej problem u u zyskuje się w p ro sty sposób, stosując m etodę n ajm n iejszych k w a d ratów w odniesieniu do azym u tów a/j° i loga rytm ów długości b / ( j} jako w ielkości obserw ow anych. Z m ian y v a ff} , vU/p spełniają w ów czas rolę popraw ek obserw acji. Dla każdego boku (i, j ) sieci S (h) m ożna zatem napisać dw a rów nania popraw ek: vaW = da.: af) — a f ) , ( 6) vb<>? = dbu + b < ? - b f f , (7) g d z ;e dciij, dbjj są zm ianam i, które n ależy dodać do w artości p rz y b liż o nych aj0) , b<°> obliczonych ze w spółrzędn ych p rzy b liżon y ch x j ^ y ^ x j ^ y j 0’ aby uzyskać w yró w n a n e w artości azym utu i logarytm u długości boku 0 , j). Oznaczając dalej d xk = x , . - x f , dyk = y k~ y (^ — różnice m ięd zy w spółrzędn ym i w y ró w n a n y m i i p rzy b liżo n y m i punktu k, d x(h> = x (h) — X ® , dy(fch) = ук ] — у(к — różnice m ięd zy w spółrzędn ym i w sieci S<h> oraz w sp ó łrzęd n y m i p rzy b liżo n y m i punktu k, m ożna przekształcić rów nania (6), (7) zastępując d a d b tj, oraz a j f — af) Ц к) — b p od pow ied n im i różniczkam i zupełnym i: m (/;> = Bijdx{ — Ajjd y, — B^d xj + A y d y , — ( В иdx(!l) — A tJ d y f - B ^ dxf> + + A ..d y f'), v b ^ = — A j jd x i —Б. ( 8) h+ A ijd x j + B ijd y j - ( - A !Jd x ^ - B iJd y ^ + A iJd x f'> + + B 0dy<*>), (9) gd zie w spółczyn n ik i A y , B y są podane w zora m i xV *— х 1.0'* Ai} = (x)°) - x<°>)2'+ (j/»> - y <0)) 2 ’ y,-0*— y p B '7 = ( x j o ) - x <0)) 2+ ( ^ 0)- 2/'0)) 2 (10) O bliczenie niew iadom ych różnic m ięd zy w sp ółrzęd n ym i w y ró w n a n y m i i p rzy b liżo n y m i m oże być łatw o w yk on an e p rz y zastosowaniu procesu itera cy jn eg o Gaussa-Seidla,, k tó ry w rozp a tryw a n ym w yp ad ku sieci szczegółow ych jest z reg u iy szybko zbieżny. O dpow iednie w z o r y iteracy jn e otrzym u je się układając rów nania norm alne na podstaw ie rów nań popraw ek ( 8) i (9). K ażdem u punktow i o w spółrzędnych w y ró w n y w a n y c h są p rzy p o rządkow ane dwa rów nania norm alne: dxi V y ^ w (h)( A l h j - v h dy, V h -£ fi V V w {h)(A-j-\-Bl')dXj + h j j dx<w -|- v У w(h) ( A l + B l ) d x f = 0, h j j V w(h\ A * + В?) j v te№ )(A *+ B *) У v V h + B I) ( 11) dVj + j + ^ h ^ j - f Bf.) dyjW = 0. (12) Podstaw iając A j + B y — ^x (0) ZT^(0y ip ^ y (0) _ y(0)^2 U«J (13) oraz rozw iązu jąc rów nania ( 11), ( 12) w zględ em d x it dyt otrzy m u je się bezpośrednio w zo ry procesu iteracyjn ego, zapisane tutaj w następującej postaci: V V dXi: = h w^h)u iJ (dx^h) — j V V h i w (h5u-tj dXj ------- -------------------- + ----fT T i У У ги№) u ij (dy< iU] —dy<jM') h i dyt ■ ------------ \ ' \ ’ N У —j —j h j ----- W'nl U.j У Y w(W u-.dy h j —---------------- 1 -----— тг:------------- • и-, 1 (14) У V го( >и-, h ^ (15) u N a początku procesu p rzy jm u je się d x k = dyk = 0. P o uzyskaniu do statecznie m ałych — w sensie w yb ran ego k ry teriu m — różnic m ięd zy k o lejn y m i przyb liżen ia m i niew iadom ych, oblicza się w yrów n a n e w a rto ści w spółrzędnych: x, = Xj(0) + dXj (16) У i = V i ^ + dyi (17) P r z y pra k tyczn ym stosowaniu w zo ró w itera cy jn y ch (14) i (15) należy zw rócić uwagę na to, że w yrażen ia V V w<h) u.j (d x ^ —dxjh)) y j V w(h) Uy (dy(ih>— ii У У w th> U.J h i (18) У ’ j W (h> U у h i są stałym i, które w ys ta rczy ob liczyć jed en raz w p ierw szej iteracji. N a tom iast w każdej itera cji obliczane są w yra żen ia у V ___" V у w^UydXj J _______________ /Vi /Vi w (hyur‘J h w (h^Uydyj ___ ____ L________________ (1 9 ) /У < /УJ1w (h) U- ’ i h j które m ogą być in terpretow an e jako ogólne średnie a rytm etyczn e z ak tualnych w artości niew iadom ych dXj oraz dy3 dla w szystkich punktów j połączonych bokam i z punktem i w każdej sieci S (h) w y ró w n y w a n e g o zbioru sieci Z. D la uproszczenia obliczenia w yra żeń (18) sugeru je się p rzy jm o w a n ie następujących w artości p rzyb liżon ych w spółrzędnych: 1) jeśli punkt к w ystęp u je w yłączn ie w sieci S (h), p rz y jm u je się (xjj.0), y[0>) = ( x f \ Vi^), a w ów czas (d x ‘h), dy[h)) = (0,0), 2) jeśli punkt к jest punktem stałym o w spółrzędn ych ( x k, y k), p r z y j m uje się (x<0), y f ) = {x k, y k), a w ów czas (dx™, dy™ = (x™ - x k, y '^ - y.J, 3) jeśli punkt к jest punktem w yzn aczan ym w ystęp u jącym w w ięcej niż jed n ej sieci, w ów czas jako w spółrzędne p rzyb liżon e p rz y jm u je się w spółrzędne dane w jed n ej z tych sieci, np. S<9>, co oznacza, że (x [0),y<0,) = = (x<f, y ^ ) , (dxf>, dyf>) = ( x f }- x f > , y f > - y f ) . 4. Przykład P rz y k ła d d o tyczy zbioru Z = { S (1\ S <2)} dw óch m ałych sieci geod e zyjn ych : 1 sm = (p(n b (1>, W <», m (i>), P ( i) = {1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7} B<i) = {(1,6), (1,2), (2,6), (1,7), (1,3), (3,7), (2,3), (2,4), (3,4), (2,5), (4 ,5 )} W<n = {(x<]), y (11,) > m<» = 4,2 • 10~5 2) s<2) = (p (2); b (2)> w<2), m<2>) P ‘2> = (4, 5, 8, 9, 10} ВЙ) = {(4,5), (5,8), (8,4), (4,9), (8,9), (5,10), (8,10)} W (2) = j ^ ( 2) г y(2)j ^ ^x (2) ( y (2))J m 2 = 3,0 • 10~5 Przeciętn a długość boku w sieciach w yn osi 3 km. W procesie w yrów n an ia w edług opisanej m etody p rzy jęto, że — w spółrzędne pu nktów 6, 7 są stałe o w artościach różnych od w a r tości danych w sieci S(1>, — w spółrzędne pu nktów 9, 10 są stałe o wartościach rów n ych w a r tościom danym w sieci S (2), ■ — • w spółrzędne punktów w spólnych 4, 5 w sieci S (1) m ają w artości różne od w artości w sieci S(2). 10 P 5KALA S IEC I SKALA ZMIAN i----- . 1km WSPÓŁRZĘDNYCH i-- 1 10cm R ys. 3 Na rysunku 3 przedstaw iono ob yd w ie sieci po w yrów n a n iu (lin ie ciągłe) oraz przed w yrów n a n iem (lin ie kropkow ane — sieć S (1\ linie kreskow ane — sieć S<2)). L IT E R A T U R A G a ź d z i e k i J.: S t r e n g t h analysis of g e o d e tic c o n t r o l n etw o rk s. B u lle tin G eod esique, IA G , P a ris 1976. H a u s b r a n d t S.: R a c h u n e k w y r ó w n a w c z y i o b lic z e n ia ge o de z y jn e. P P W K , W a r sza w a 1970. Moritz H .: T h e m e t h o d o f lea st-squa res c o llo c a t i o n in g e o m e t r i c a l geodesy. I A G S ym posiu m , O x fo r d 1973. W o l f H .: A u s g le ic h u n g s r e c h n u n g n a ch der M e t h o d e d er k le in s t e n Q uadrate. Bonn 1968. ЕЖ И ГАЗЬДЗИ ЦКИ МЕТОД У Р А В Н И В А Н И Я ГО РИ ЗО Н Т А Л ЬН Ы Х ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЕЙ Резюме В работе р ассм атр ивается м н ож ество взаи м о св яза н н ы х, но о т д е л ь н о у р а в н е н н ы х ге о д е зи ч е с к и х сетей. П р е д п о ла га е тс я , что к оо р д и н а ты п у н к т ов во в сех с е т я х в ы ч и с л е н ы в той ж е самой одной систем е к оо р д и н ат путём : — у р а в н и в ан и я к ла с с а , и л и с — н езависим ого п р и в язк о й к п ун к т а м го суд ар ств ен н о й сети вы сш его ура вн и ван и я и п озд н ей ш ей тр ан сф ор м ац и и координат. М е ж д у в ели ч и н а м и к оорд и н ат о б щ и х п ун ктов, п о л у ч е н н ы м и сетей, су щ е ст в у ю т разниц ы , в ы т ек а ю щ и е из ош и бо к изм ер ения. из соседн и х Д л я урав н и в ан и я м н ож еств а сетей и д л я п о л у ч е н и я о д н о зн а ч н ы х к оорд и н ат в с е х п ун к тов п риним ается с л е д у ю щ е е о б щ ее у сл о в и е : 1 h= 1 5 (i, j ) е В ,»> « “ [« Т + М » ) ’ ] - " ’ 1"' где: /i, \ с = (т (й ))2 ~ вес сети SO1), в ы ч и с л ен н ы й vaW — и зм ен ен и е v h jV — и зм ен ен и е а зи м у та а,у н а т у р а л ь н о го с учетом (в р ад и а н ах) ло га р и ф м а в ы б р ан н ой бок а (i, j) b y * — In i j V п осто ян н о й в то й же длины с, сети, i j j 1^ того <м = — *4~h) . бока, р авн ое о т н о с и т е ль н о м у и зм ен ен и ю д л и н ы : vb)j Э то услови е н а зы в а ется в данной р аботе услови ем м иним альной деф ор мации м н ож еств а сетей. С о гл а с н о этом у у с л о в и ю оты ск и в аю тся та к и е в е ли ч и н ы коорд и н ат п унктов, ч то б ы сум м а к вадр атов и зм ен ен и й а зи м у то в и о т н о с и т е л ь н ы х и зм ен ен и й д л и н у м н о ж е н н а я на с о о тв етств ую щ и е в е с ы б ы л а равна м и нимум . Р е ш е н и е п р ед ста в лен н о й в ы ш е п р о б л е м ы о с у щ е с т в л я е т с я п р осты м способом с и с п о л ьзо в а н и ем ф о р м у л , у к а з а н н ы х в р а з д е л е 3. П ер ев од : R ó ża T o ls t ik o w a 3 P race IG iK z. 3, t. X X V I JER ZY G A Ź D Z IC K I A M E T H O D F O R A D J U S T M E N T O F A SE T OF H O R IZ O N T A L G E O D E T IC N E T W O R K S S u mma r y A set of m u tu a lly con n ected but s e p a ra tely ad ju sted g e o d e tic n e tw o rk s , c o v e rin g a ce rta in area, is con sid ered in this paper. It is assum ed th at the p oin t coord in ates in a ll n e tw o rk s are com p u ted in one and the sam e c o o rd in a te system in the w a y of: — ad ju stm en t w ith a re fe re n c e to the h ig h e r o rd e r n a tio n a l n e tw o r k points, — in d ep en d en t ad ju stm en t fo llo w e d b y tra n s fo rm a tio n o f coordinates. Thus, som e d iffe re n c e s caused b y m ea su rem en t errors e x is t b e tw e e n th e jo in t p oin t coord in ates ob tain ed fr o m n eig h b ou rin g n etw ork s. In o rd e r to ad ju st and to ob ta in u n ique coord in a tes o f a ll points, f o llo w in g con d ition is im posed: V h --1 £ w(h> \(va§>)2-VO l f ' ) 2] = min, (i , j ) e B (h) w h ere w h =■= is the w e ig h t of the •n e tw o r k S(>>) com p u ted w ith re g a rd to a chosen con stant c, vajj1) is the a lte ra tio n o f the azim u th a'J1* (in rad ian s) o f the side (i, j ) in this n e tw o rk , «b f is the a lte r a tio n le n g th of th e n a tu ra l lo g a rith m b y ^ = In i-J1' of the o f this side b e in g eq u a l to the r e la tiv e le n g th a lte ration Oi) vb In this paper, the con d ition ,J Ah) l ij w r itte n above is c a lle d as „M in im u m n e tw o r k d is to rtio n c o n d itio n ” . A c c o r d in g to this con dition , such v a lu e s are sou gh t f o r p o in t coord in ates, th at th e sum o f squares o f azim u th altera tio n s and o f r e la tiv e le n g th a lte ra tio n s m u ltip lie d b y corresp on d in g w e ig h ts is eq u a l to the m inim u m . T h e solu tion o f the p ro b lem m en tion ed ab ove is a c h ie v e d in a sim p le w a y be u sing fo r m u la e o f c h ap ter 3. T ra n s la tio n : Ja ce k D r a c h a l