大坝变形监测网优化设计

表1.4.1平差结果表
观测精度
(“,mm,ppm)
观测值数量
最弱点点位中误差(mm)
最弱边相对精度
0.5,1,1
0.73
63
1.91
1/474000
0.5,1,1
0.65
48
2.33
1/464000
0.5,1,1
0.53
36
2.62
1/447000
0.5,1,1
0.39
28
2.91
1/440000
0.5,1,1
点号
X坐标
Y坐标
备注
1
130.0
685.0
2
425.0
1275.0
3
980.0
520.0
4
1160.0
1580.0
5
1600.0
290.0
6
1635.0
550.0
7
1945.0
1140.0
3 优化设计
3.1
模拟法优化设计是借助测量工作者的实验经验和专业知识，为了得到优化解，需要多次进行网的模拟计算，其过程为：
徕卡TM50精密监测全站仪
0.5/1
0.6mm+1ppm
徕卡TCA1800全站仪
1
1mm+2ppm
徕卡TM30精密监测全站仪
0.5/1
0.6mm+1ppm/1mm+1ppm
从上表中可以看出，拓普康MS05A等测量机器人的观测精度已经达到甚至超过变形监测网的观测精度，这些仪器价格昂贵，考虑成本因素，没有必要使用这些仪器。南方天宇的CTS-661R全站仪观测精度略低，通过选择合适的观测方案，同样可以达到优化设计要求，而且是国产仪器，价格会更实惠。
4 优化设计过程
4.1
科傻软件除了具有概算、平差、精度评定及成果输出等功能外，还提供了许多实用的功能，如网的模拟设计、网图显绘、粗差剔除、方差分量估计、贯通误差影响值计算及闭合差计算等。双击“Cosawin.exe”，启动科傻软件，软件的主界面如下：
图1.4.1 科傻软件界面
4.2
主菜单“设计”栏的下拉菜单如图1.4.2所示。单击“生成正态标准随机数”，将弹出一对话框，如图1.4.3，设置正态随机数的参数。第一个参数用于控制生成不相同的随机数序列，其取值可取1-10的任意整数。第二个参数即“随机数个数”只能选200，400或500三个值。
（1）提出设计任务，得到经过实地踏勘的网图。
（2）从一个认为可行的起始方案出发，用模拟的观测值进行网平差，计算出各种精度和可靠性值。
（3）对成果进行分析，找出网的薄弱部分，修改观测方案。
（4）对修改的网再做模拟计算、分析、修改，如此重复进行。
3.2基于
观测值的内部可靠性与观测值的精度、建网费用、变形监测网的灵敏度存在密切的关系，因此，可以采用基于可靠性的控制网模拟优化设计方法，该法的思想如下：
图1.4.2 设计菜单图1.4.3输入生成随机数参数
系统对所生成的随机数按组进行检验，检验通过且存放在RANDOM.DAT文件中，如果检验不通过，可改变上述两个参数重新计算。该文件中的随机数用于网的优化设计，籍此可生成不同精度下的模拟观测值。图1.4.4展示了生成的随机数。
图1.4.4生成的随机数
4.3
（4）模拟初始观测方案，进行平差计算，对精度、可靠性乃至灵敏度等计算结果进行分析，首先确定观测精度的确定是否合理，若不合理，则需作适当调整，在观测值的精度基本合理的基础上，基于观测值内部可靠性指标按从“肥”到“瘦”，从“密”到“疏”的策略进行网的优化设计。具体做法是：先确定一个恰当的平均多余观测分量设计值，确定应删去的观测值个数。对计算的观测值多余观测分量按从大到小顺序排列，删去多余观测分量较大的观测值。然后重新作观测值模拟计算。如果观测值精度选择恰当，仅作一、二次迭代计算就可得到网的优化设计方案。
图1.5.1叠置分析结果
通过比较优化前后的坐标变化量，发现由于1和2号点是已知的，坐标变化量为0，其他点的坐标变化分量都在3mm以内，从整体趋势上，距离已知点越远，点的点位中误差越大，符合误差传播理论。
使用软件的“网图显示”功能，显示初始观测方案和最终观测方案。通过比较初始观测方案和最终观测方案的网图，可以直观的发现，最终观测方案的监测网变稀疏了，观测值大量减少。尤其是较长的边对应的观测值被删除了，因为边长越长，两个点距离越远，观测值误差越大。
图1.4.5 简化初始观测方案文件
4.4
单击“生成初始观测方案文件”，在弹出的对话框中选择”Triangulateration.FA2”文件，生成初始观测方案文件“Triangulateration.ob2”，如图1.4.6。其格式和简化初始观测方案文件有些类似，从前到后依次为观测精度指标部分、控制点坐标（近似坐标）及已知方位角部分、观测值方案部分。
图1.4.6初始观测方案文件
4.4
单击“生成初始观测值文件”，选择“平面网”，在弹出的对话框中选择“Triangulateration.ob2”，软件生成初始观测值文件“Triangulateration.in2”，该文件中包含了所有初始观测值的模拟数值。
图1.4.7 初始观测值文件
4.
单击“平面网优化设计”，在弹出的对话框中选择“Triangulateration.in2”，然后软件自动对选择的初始观测值进行平差，平差结束后将弹出如图1.4.8所示的平面网优化设计信息对话框。
S
6
5
L
2
4
L
4
2
L
6
7
L
2
7
L
4
7
L
6
7
S
2
3
S
4
6
S
7
4
L
2
4
S
4
7
S
7
5
L
3
5
L
5
3
L
7
6
L
（L:方向观测S:边长观测）
上表中观测方案对应的网图如下图。
图1.5.4不同精度的观测方案网图
该观测方案有28个观测值（16个方向观测值，12个边长观测值），平均多余观测分量是0.39，最弱点的点位中误差为3.44mm,均满足设计要求。通过下表比较改变观测值精度条件对观测方案的影响。
5优化设计
5.1
根据平面网优化设计，在给定的观测值精度下，当平均多余观测分量为0.32时的观测方案是最优的。最终的观测方案需要观测25个观测值，所有的观测值如下表。
表1.5.1最终设计方案观测值
测站点
照准点
观测值
测站点
照准点
观测值
测站点
照准点
观测值
1
2
L
3
4
S
5
7
L
1
3
L
3
6
S
5
6
S
1
3
S
3
5
S
6
3
Hale Waihona Puke Baidu课程编号：课程性质：必修
《工程测量学课程设计与实习》报告
学院：测绘学院
专业：测绘工程
地点：三峡、葛洲坝、隔河岩工程
班级：
姓名：
学号：
教师：
2016年6月19日至 2016年7月9日
第一部分 大坝变形
1 前言
大坝建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种荷载的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常，又不被及时发现，任其发展，其后果不堪设想。如果事先运用有效的观测手段对这些工程进行监测，就能及时发现问题，采取有效的工程措施，就能避免灾难。因此，建立稳健的大坝变形监测网是非常重要的环节。本次实习主要目标是掌握工程测量控制网模拟法优化设计的基本理论和方法，对大坝变形监测网进行优化设计，对优化设计结果进行分析，发现问题，提出相应的对策，通过使用科傻软件的具体应用，加深对工程控制网的精度和可靠性这两个重要的质量指标的理解。
人工生成简化观测方案文件“Triangulateration.FA2”(只含一组精度)，该文件包含观测值精度、控制点坐标和观测方案三部分。文件格式如下：
第1行(观测精度指标部分)：
方向中误差，边长固定误差（mm），比例误差（ppm）
第2行到第K行(控制点坐标部分):
点名，点类型(0-已知点，1-未知点),Ｘ坐标，Ｙ坐标
表1.5.2全站仪型号和参数
全站仪型号
测角精度(“)
测距精度
拓普康MS05A全站仪
0.5
0.5mm+1ppm
拓普康PS-100全站仪
1/2
1.5mm+2ppm
Trimble S8全站仪
1
1mm+1ppm
南方天宇CTS-661R全站仪
1
1mm+1ppm
徕卡TS30超高精度全站仪
0.5
0.6mm+1ppm/1mm+1ppm
…，……，……，……
第K+1行(已知方位角部分,有已知方位角值时才有次行):
测站点，照准点，Ａ，方位角值
从第K+2行起(观测方案部分)：
测站点点号
L(代表方向)：照准点点号1,....., 照准点点号n
S(代表边长): 照准点点号1,....., 照准点点号n
因为模拟法优化设计的初始观测方案是建立一个“肥网”，所以初始观测方案包含了所有可能的观测值（包括观测边长和观测角度）。生成的简化观测方案文件如图1.4.5。
（1）一个网必须有一定的多余观测分量，多余观测数r越大，则网的可靠性越好，但建网费用也越高。
（2）在多余观测数一定的情况下，观测值之间的精度相差不要太大，边角观测值之间的精度应基本匹配。
（3）根据对于网的设计要求和所使用的仪器，进行图上设计和实地踏勘，确定观测精度和初始观测方案。观测精度应选取仪器所能达到的最高精度，是优化时有降低的余地；初始观测方案应对所有可能观测的边和方向进行全测，故有最大的多余观测数，是一个“肥网”或“密网”。
L
2
1
L
4
2
L
6
5
L
2
4
L
4
7
L
6
7
L
2
3
S
4
7
S
6
7
S
2
4
S
5
3
L
7
4
L
3
1
L
5
6
L
7
6
L
3
5
L
5
6
S
（L:方向观测S:边长观测）
将初始观测方案与最终设计方案的平差结果进行“叠置分析”，也就是对“Triangulaterationy.ou2”和“Triangulaterationy.ou2”作比较，可得到优化前后的坐标变化量，如下图所示。
图1.4.8平面网优化设计信息
平差结果保存在文件“Triangulateration.ou2”中，初始观测方案的平差结果显示最弱点的点位中误差是1.91mm,最弱边的相对精度是1/474000，所以结果精度远好于要求精度，必然会造成更多的花费。
根据平均多余观测分量的初始值，给定一个较小一些的平均多余观测分量设计值，然后单击“确认”按钮，重新平差计算，将自动删去多余观测分量较大的观测值。将平均多余观测分量的设计值改为0.65，点击“确定”，重新平差结果保存在文件“Triangulaterationy.ou2”中,结果显示最弱点的点位中误差为2.33mm,最弱边的相对精度是1/464000,观测值的数量从63变为48个。关闭对话框，重新进行平面网优化设计，这一次将平均多余观测分量的设计值设为0.53，平差结果显示最弱点的点位中误差为2.62mm，最弱边的相对精度为1/447000。然后依次尝试将平均多余观测分量的设计值设置为0.41和0.32，平差结果均满足设计要求。当将平均多余观测分量的设计值设置为0.31时，平差结果的平均多余观测分量为0.29，不满足设计要求中变形监测网的平均可靠性不小于0.3的要求。这几次平差计算的结果见下表。
以南方天宇的CTS-661R全站仪为观测设备，测角精度为±1”，测距精度为1mm+1ppm，使用上文中优化设计方法和设计要求，得到如下的观测方案。
表1.5.3不同精度下设计方案观测值
测站点
照准点
观测值
测站点
照准点
观测值
测站点
照准点
观测值
1
2
L
3
6
L
5
6
L
1
3
L
3
5
S
5
6
S
1
3
S
3
6
S
5
7
S
2
1
L
3
7
图1.5.2初始观测方案网图图1.5.3最终观测方案网图
5.2
在优化设计原理方法中，要求观测精度应选取仪器所能达到的最高精度，使优化时有降低的余地。本课程设计中大坝变形监测网的观测精度已经给定，优化设计要求也是给定的，考虑到现实情况（仪器和成本），我们仍然可以用更低的观测精度来满足优化设计要求。
该变形监测网观测精度为方向观测精度是±0.5”， 边长观测精度为±（1+1ppm），通过查资料发现大部分普通的全站仪达不到这个精度，只有少数的高精度全站仪、测量机器人能达到这个精度。下表展示了不同全站仪的参数。
2
已知某大坝变形监测网由7点组成，其中1、2点为已知点，其他为未知点。 监测网的近似坐标如表1所示。 变形监测网观测精度如下：方向观测精度为±0.5”， 边长观测精度为±（1+1ppm）。
优化设计要求如下:
(1) 最弱点点位中误差不大于±3.5mm;
(2) 变形监测网平均可靠性不小于0.3
表1.2.1变形监测网近似坐标值
0.32
25
2.99
1/436000
0.5,1,1
0.29
24
3.00
1/436000
从表1.4.1中可以看出，在观测值精度一定的前提下，平均多余观测分量越小，优化得到的观测方案中观测值数量越少，平差后得到的最弱点点位中误差越大，最弱边的相对精度越低。根据优化设计要求，并考虑到尽量降低观测方案的费用（减少观测值的数量），当平均多余观测分量为0.32时的观测方案是最优的。在软件生成的“Triangulaterationy.ob2”中，保存了优化设计方案的观测值。在软件生成的“Triangulaterationy.sc2”中，保存了优化设计方案的相对于初始观测方案删除的观测值。