CN113779817B - 一种测量控制网基准稳定性分析方法 - Google Patents

一种测量控制网基准稳定性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量控制网基准稳定性分析方法。它包括如下步骤，步骤一：统计基线较差；步骤二：计算较差标称中误差；步骤三：计算基线标准化较差；步骤四：构造检验统计量；步骤五：假设检验，判断测站稳定性；步骤六：结合网型，确定平差起算基准；分析测量控制网网形，从上述步骤得到的稳定测站中选取2‑4个测站为起算基准，进行后续平差处理。本发明克服了基于相对测量的工程控制网建设方法中现有起算基准稳定性分析方法严重依赖经验和先验信息、偶然性强、理论不严密、成果不可靠、易导致分析结论错误等问题；具有理论严密、适应性广、操作性强、可靠性高的优点。

Description

一种测量控制网基准稳定性分析方法
技术领域
本发明涉及一种测量控制网基准稳定性分析方法，更具体地说它是一种测量控制网数据处理中起算基准稳定性分析的方法。
背景技术
测量控制网的建设是工程项目勘察、设计、施工、运维阶段的先导工程；按照相关规范要求，测量控制网需要定期复测，以保证控制成果的精度和现势性；根据测量原理不同，工程控制网测量可以分为基于绝对测量的方法和基于相对测量的方法；基于绝对测量的方法一般指GNSS精密单点定位法（Precise Point Positioning，PPP），包括后处理PPP和实时PPP等；PPP测量基于GNSS***精密星历、精密钟差等产品，实现控制点的实时/事后绝对定位，无需平差解算即得到控制成果，但存在数据处理模型复杂、收敛时间较长、可用数据处理平台不多等问题，目前一般用于科研领域；基于相对测量的方法一般指传统边角测量法、GNSS相对定位测量等，通过观测控制点间的基线、边长、角度等，经过平差处理，得到控制成果；基于相对测量的控制网建设方法具有精度高、数据处理模型简单、数据处理平台成熟等一系列优点，是目前控制网建设的主要方法，但在平差过程中对起算基准的要求比较严格，起算基准之间不兼容，或者起算基准存在变形，会导致基准误差传播至控制点成果，得到错误的变形结论；
传统的测量基准稳定性分析方法包括“加点法”、“减点法”等；以“加点法”为例，首先结合经验和先验信息选取2个起算基准点进行平差计算，根据前、后两期变形结论和点位中误差反复迭代剔除不稳定测站，得到稳定点组，再综合考虑网型确定起算基准，重新执行平差计算，得到最终成果；上述方法严重依赖首批基准点的稳定性，如果首批基准点选择不合适，或者网中变形控制点较多，极易导致错误的基准稳定性分析结论，存在偶然性强、理论不严密、成果不可靠等问题，已经成为测量控制网建设的制约因素，影响工程建设的安全性和可靠性，急需提出理论严密、可靠性高、操作性强的测量控制网基准稳定性分析方法，满足工程建设对于测量控制网精度和可靠性的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种测量控制网基准稳定性分析方法，理论严密、适应性广、操作性强、可靠性高；克服了基于相对测量的工程控制网建设方法中现有起算基准稳定性分析方法严重依赖经验和先验信息、偶然性强、理论不严密、成果不可靠、易导致分析结论错误等问题；本发明针对的是起算点的稳定性分析方法，确定起算点稳定后才进行其他基准点的稳定性分析；克服了现有变形监测网直接认为起算点稳定，未考虑起算点是否兼容的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种测量控制网基准稳定性分析方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：统计基线较差；
统计待检验测站本期与周边其他测站组成的所有基线长度与前期基线长度之差；
步骤二：计算较差标称中误差；
根据设备参数计算较差标称中误差，用于步骤三计算基线标准化较差；
步骤三：计算基线标准化较差；
采用基线较差归一化处理，获得基线的标准化较差；
步骤四：构造检验统计量；
构造检验统计量，以用于步骤五的假设检验；
步骤五：假设检验，判断测站稳定性；
根据显著性水平
Figure 897003DEST_PATH_IMAGE001
=0.05进行双边假设检验；
若
Figure 370710DEST_PATH_IMAGE002
，则拒绝原假设，认为该测站标准化基线较差不满足标准正态分布，即该测站不是稳定测站；否则认为该测站稳定，可以用于起算基准，进入下一步；
若上述方法检验结果不符合实际情况，则采用下述方法，以进行两种方法之间的互相检核。首先计算测站稳定性指数，根据测站稳定性指数迭代判断测站稳定性，确定稳定测站，进入下一步；
Figure 339803DEST_PATH_IMAGE003
为常数，可以根据分布类型（正态分布）和显著性水平，通过查找概率分布表得到；
步骤六：结合网形，确定平差起算基准；
分析测量控制网网形，从上述步骤得到的稳定测站中选取2-4个能控制整网的测站为起算基准，进行后续平差处理。
在上述技术方案中，在步骤二中，计算较差标称中误差，具体包括如下步骤，
根据所采用设备标称精度和基线长度，计算各条基线较差的标称中误差；基线较差的标称中误差根据误差传播定律计算：
Figure 291578DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 498568DEST_PATH_IMAGE005
表示第i条基线较差标称中误差；
Figure 379062DEST_PATH_IMAGE006
表示单条基线标称中误差；单条基线标称中误差一般采用
Figure 835451DEST_PATH_IMAGE007
的形式表示，其中
Figure 590918DEST_PATH_IMAGE008
称为固定误差，
Figure 449152DEST_PATH_IMAGE009
称为比例误差（
Figure 530241DEST_PATH_IMAGE010
可在设备说明文档中查找）。
在上述技术方案中，在步骤三中，各条基线前后两期较差除以对应标称中误差，称为基线较差归一化处理，其结果称为基线的标准化较差；
基线较差归一化处理的方法如下，
Figure 473926DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 767504DEST_PATH_IMAGE012
为基线标准化较差；
Figure 480245DEST_PATH_IMAGE013
为前、后两期基线较差；
Figure 669918DEST_PATH_IMAGE005
表示第i条基线较差标称中误差；基线较差归一化处理用于消除/削弱不同类型测量设备等因素对基准稳定性分析结果的影响。
在上述技术方案中，在步骤四中，理想情况下，稳定测站对应的基线标准化较差满足标准正态分布
Figure 602364DEST_PATH_IMAGE014
，检验统计量可构造为：
Figure 27529DEST_PATH_IMAGE015
其中，U为检验统计量；
Figure 594777DEST_PATH_IMAGE016
为与某一测站相关的基线标准化较差的均值；
Figure 752089DEST_PATH_IMAGE017
为待检验测站相关基线条数；
Figure 670366DEST_PATH_IMAGE012
为基线标准化较差；
Figure 305747DEST_PATH_IMAGE018
为标准差，此处指标准正态分布的标准差，为0，无量纲；
Figure 494545DEST_PATH_IMAGE019
为分布的期望，此处指标准正态分布的期望，为1，无量纲。
上述技术方案中，在步骤五中，在实际情况中，若统计量不满足标准正态分布，则分析结果会出现不符合实际的情况，如结果显示全部点位都是稳定点或全部点位都是不稳定点；此时采用构造稳定性指数的方法进行检核：
1）根据每条基线标准化较差，计算对应测站所有基线标准化较差的均方根值
Figure 822758DEST_PATH_IMAGE020
，称其为此测站的稳定性指数；
Figure 962752DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 667403DEST_PATH_IMAGE020
为对应测站稳定性指数；
Figure 412505DEST_PATH_IMAGE012
为基线标准化较差；
Figure 911620DEST_PATH_IMAGE017
为待检验测站相关基线条数；
2）计算每个测站的稳定性指数；
当所有测站稳定性指数均小于1且比较一致，则认为测站均比较稳定，未发生明显变形；
当部分测站稳定性指数大于1且数值出现分群现象，则剔除对应最大稳定性指数的测站及对应基线，针对剩余测站和基线重复迭代执行步骤1）、2），直到剩余测站稳定性指数均小于1且比较一致为止；认为剔除的测站发生形变，不是稳定测站，不可作为起算基准；剩余测站为稳定测站；
本发明针对基线进行统计分析，可以进行起算点的稳定性分析，也可用于后续其他基准点的稳定性分析；克服了现有监测基准点的稳定性分析方法针对坐标分析，仅能在引入起算基准之后用于其他基准点的稳定性分析的缺点。
本发明具有如下优点：
针对目前工程控制网建设中传统起算基准稳定性分析方法严重依赖经验和先验信息、偶然性强、理论不严密、成果不可靠、易导致分析结论错误等问题，本发明通过理论研究和大量实践总结，提出了基于数理统计原理的新的测量控制网数据处理中起算基准稳定性分析方法；本发明方法具有理论严密、适应性广、操作性强、可靠性高等优点，可以在工程控制网建设、地质灾害监测、地壳形变监测等领域推广应用；克服了传统算法的上述多项缺陷。
附图说明
图1为本发明算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图1可知：本发明所述的一种新的测量控制网基准稳定性分析方法，具体内容如下：
步骤一：统计待检验测站本期与周边其他测站组成的所有基线长度与前期基线长度之差；
步骤二：根据所采用设备标称精度和基线长度，计算各条基线较差的标称中误差；基线较差的标称中误差根据误差传播定律计算：
Figure 538910DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 516093DEST_PATH_IMAGE005
表示第i条基线较差标称中误差；
Figure 178019DEST_PATH_IMAGE006
表示单条基线标称中误差；单条基线标称中误差一般采用
Figure 349500DEST_PATH_IMAGE007
的形式表示，其中
Figure 464086DEST_PATH_IMAGE008
称为固定误差，
Figure 244960DEST_PATH_IMAGE009
称为比例误差（
Figure 761392DEST_PATH_IMAGE010
可在设备说明文档中查找）；
步骤三：各条基线前后两期较差除以对应标称中误差，称为基线较差归一化处理，其结果称为基线的标准化较差；
Figure 602309DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 204192DEST_PATH_IMAGE012
为基线标准化较差；
Figure 54336DEST_PATH_IMAGE013
为前、后两期基线较差；基线较差归一化处理可以消除/削弱不同类型测量设备等因素对基准稳定性分析结果的影响；
步骤四：理想情况下，稳定测站对应的基线标准化较差满足标准正态分布
Figure 425275DEST_PATH_IMAGE014
，检验统计量可构造为：
Figure 762777DEST_PATH_IMAGE015
其中，U为检验统计量；
Figure 586376DEST_PATH_IMAGE016
为与某一测站相关的基线标准化较差的均值；
Figure 974632DEST_PATH_IMAGE017
为待检验测站相关基线条数；
步骤五：根据显著性水平
Figure 200077DEST_PATH_IMAGE001
=0.05进行双边假设检验；若
Figure 586059DEST_PATH_IMAGE002
则拒绝原假设，认为该测站标准化基线较差不满足标准正态分布，即该测站不是稳定测站；否则认为该测站稳定，可以用于起算基准；
步骤六：在实际数据处理过程中，由于样本较少，或者不稳定测站的干扰，上述基于假设检验的稳定性分析方法并不总是有效，可采用下述方法处理：
1）根据每条基线标准化较差，计算对应测站所有基线标准化较差的均方根值
Figure 162534DEST_PATH_IMAGE020
，称其为此测站的稳定性指数；
Figure 88902DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 168853DEST_PATH_IMAGE020
为对应测站稳定性指数；
2）计算每个测站的稳定性指数；若所有测站稳定性指数均小于1且比较一致，则认为测站均比较稳定，未发生明显变形；若有部分测站稳定性指数大于1且数值出现分群现象，则剔除对应最大稳定性指数的测站及对应基线，针对剩余测站和基线重复迭代执行步骤1）、2），直到剩余测站稳定性指数均小于1且比较一致为止；认为剔除的测站发生形变，不可作为起算基准；剩余测站为稳定测站；
步骤七：分析测量控制网网形，从根据上述步骤得到的稳定测站中选取2-4个能控制整网的测站为起算基准，进行后续平差处理。
实例分析
采用本发明对某平面监测基准网进行起算基准稳定性分析，分析结果如下所示。
表1 某平面监测基准网起算基准稳定性分析结果
Figure 788053DEST_PATH_IMAGE022
表1为某平面监测基准网起算基准稳定性分析情况；由表1可知，在3轮计算过程中，TN03、TN04、TN06三点依次对应每轮最大的
Figure 353289DEST_PATH_IMAGE023
值；剔除3点（即TN03、TN04、TN06）后，剩余点位对应的
Figure 817769DEST_PATH_IMAGE023
值较小且比较一致；根据上述分析结果，可将此平面监测基准网点分为两群，其中TN03、TN04、TN06为不稳定测站，其余测站为较稳定测站；以此分析结果，根据基准点几何分布，本期此网数据处理以TN01为固定点，以TN01—TN07为固定方向进行全网平差。
验证情况：上述实例本期复测成果与上年度复测成果比较见表2。
表2 某平面监测基准网复测成果较差（2019年-2018年）
Figure 17806DEST_PATH_IMAGE024
由表2可知，网中位移最大的三个点与
Figure 807907DEST_PATH_IMAGE025
值计算过程中剔除的3个点一致，且位移大小排序与测站剔除顺序完全一致；剩余点位最大位移5mm左右，比较稳定，验证了本发明所采用基准稳定性分析方法的有效性。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (2)

1.一种测量控制网基准稳定性分析方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：统计基线较差；
统计待检验测站本期与周边其他测站组成的所有基线长度与前期基线长度之差；
步骤二：计算较差标称中误差；
在步骤二中，计算较差标称中误差，具体包括如下步骤，
根据所采用设备标称精度和基线长度，计算各条基线较差的标称中误差；基线较差的标称中误差根据误差传播定律计算：
Figure 861442DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 152746DEST_PATH_IMAGE002
表示第i条基线较差标称中误差；
Figure 888621DEST_PATH_IMAGE003
表示单条基线标称中误差；单条基线标称中误差采用
Figure 556363DEST_PATH_IMAGE004
的形式表示，其中
Figure 943350DEST_PATH_IMAGE006
称为固定误差，
Figure 405556DEST_PATH_IMAGE007
称为比例误差；
步骤三：计算基线标准化较差；
采用基线较差归一化处理，获得基线的标准化较差；
在步骤三中，基线较差归一化处理的方法如下，
Figure 628727DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 834580DEST_PATH_IMAGE009
为基线标准化较差；
Figure 79004DEST_PATH_IMAGE002
为基线较差标称中误差；
Figure 977690DEST_PATH_IMAGE010
为前、后两期基线较差；
步骤四：构造检验统计量；
在步骤四中，理想情况下，稳定测站对应的基线标准化较差满足标准正态分布
Figure 688157DEST_PATH_IMAGE011
，检验统计量构造为：
Figure 432122DEST_PATH_IMAGE012
其中，U为检验统计量；
Figure 793702DEST_PATH_IMAGE013
为与某一测站相关的基线标准化较差的均值；
Figure 597710DEST_PATH_IMAGE014
为待检验测站相关基线条数；
Figure 795473DEST_PATH_IMAGE009
为基线标准化较差；
Figure 343129DEST_PATH_IMAGE015
为标准差，此处指标准正态分布的标准差，为0，无量纲；
Figure 559216DEST_PATH_IMAGE016
为分布的期望，此处指标准正态分布的期望，为1，无量纲；
步骤五：假设检验，判断测站稳定性；
根据显著性水平
Figure 799704DEST_PATH_IMAGE017
=0.05进行双边假设检验；
当假设检验有效时，若
Figure 422447DEST_PATH_IMAGE018
，则拒绝原假设，认为该测站标准化基线较差不满足标准正态分布，即该测站不是稳定测站；否则认为该测站稳定，进入下一步；
若上述方法检验结果不符合实际情况，则采用下述方法，以进行两种方法之间的互相检核；首先计算测站稳定性指数，根据每条基线标准化较差，计算对应测站所有基线标准化较差的均方根值
Figure 23061DEST_PATH_IMAGE019
，称其为此测站的稳定性指数，根据测站稳定性指数迭代判断测站稳定性，确定稳定测站，进入下一步；
步骤六：结合网形，确定平差起算基准；
分析测量控制网网形，从上述步骤得到的稳定测站中选取2-4个测站为起算基准，进行后续平差处理。
2.根据权利要求1所述的测量控制网基准稳定性分析方法，其特征在于：在步骤五中，当假设检验无效时，采用下述方法处理：
1）计算对应测站所有基线标准化较差的均方根值
Figure 313228DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 439798DEST_PATH_IMAGE019
为对应测站稳定性指数；
2）计算每个测站的稳定性指数；
当所有测站稳定性指数均小于1且比较一致，则认为测站均比较稳定，未发生明显变形；
当部分测站稳定性指数大于1且数值出现分群现象，则剔除对应最大稳定性指数的测站及对应基线，针对剩余测站和基线重复迭代执行步骤1）、2），直到剩余测站稳定性指数均小于1且比较一致为止；剔除的测站发生形变，不是稳定测站；剩余测站为稳定测站。
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