автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированной информационной системы геодезических сетей (АИС ГС)

Государственный комитет Российской Федерации по высиему образовании Сибирская государственная геодезическая академия

Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии

Полещенков Валерий Николаевич

РАЗРАБОТКА

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЕЙ (АИС ГС)

05.24.01 "Геодезия"

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

9ДК 528.1:658.5.011.56

Новосибирск-199В

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Панкрушин В.К.,

кандидат технических наук.

доцент

ЙФонин К.Ф.

Ведущая организация

ПО "Инягеодезия" Федеральная служба геодезии и картографии России

Защита состоится •21,-05 диссертационного совета Д 064.14.01 Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, Плахотного, 10, СГГй, аудитория N 403.

С диссертацией' в виде научного доклада моашо ознакомиться в библиотеке СГГА.

Диссертация в виде научного доклада разослана "// ____1996г.

1996г. в Ю часов на заседании

Ученый секретарь диссертационного совета

Середович В.А.

-3-

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Классические методы построения геодезических сетей (ГС), сбора измеренной геодезичэской информации и последующей математической обработки ее применяются на практике и не утратили своего научного значения, а в некоторых случаях они вообще не заменимы, несмотря на бурное ра:витие спутниковых технологий создания геодезических сетей. Более того, космические определения опираются на классическув геодезическую основу, используют ее и обрабатываются совместно. Результаты космических изнерений, как и вновь проводимых классических, требуется упорядочивать и хранить в базе геодезических данных вместе с результатами прошлых измерений. Это позволит в настоящей и будущем решать научные и практические задачи, важность которых нам предстоит еще оценить.

Будущее развитие Земли, как планеты, во многом зависит от ее прошлого, и это прошлое изучается многими науками, среди которых геодезия занимает не последнее несто. Ученые неоднократно будут возвращаться к результатам прошлых геодезических измерений, применяя более адекватные, более точные методы обработки, так как зт«. измерения несут геометрический и гравиметрический образ Земли эпохи измерений. Поэтому очень ваако сохранять первозданные геодезические измерения в геодезических базах данных вместе с методами и технологиями математической обработки, которые в будущем могут дополняться, совершенствоваться и изменяться.

Б настоящее время в России получают свое развитие гео-ннформационные системы (ГИС) и кадастр, реиаючие свои конкретные задачи на основе геодезических данных. Иногда эти данные могут находиться в разных системах координат, на разных уровен-ных поверхностях, на разных эллипсоидах и даже в разных картографических проекциях. Поэтому часто возникает задача преобразования координат. Для решения многих задач з городах требуется оперативно выяснять их геодезическую изученность, получать геодезические данные, развивать геодезическую сеть города, обновлять ее, переуравнизать, следить за изменениями координат пунктов сети.

Многие элементы такой информационной системы разрабатывались ранее и были реализованы на ЕС ЭВМ Я.Я. Иодисом, Г.Н. Ефимовым, Д.В. Лисицким. Г.С. Лисицкой, Й.А. Кониченко, В.И. Мицкевичем. Исследования по датой теме велись автором под ру-

ководством профессора д.т.н. К.Л. Проворова, а на завершающем этапе научную консультацию оказывал профессор В.Б. Варников.

Таким образом, на современном уровне развития вычислительной техники актуальным становится создание информационной системы, включающей хранение, анализ, обработку и выдачу данных, разработанной на основе современного системного программного обеспечения, СУБД и единых форматов данных, учитывающей накопленный положительный опыт, достигнутые результаты, а так-ке последние теоретические и практические достивения в этой области ведущих ученых-геодезистов Б.В. Бузука, й.й. Визгина, И.П. Гуляева, Ю.И. Маркузе, М.М. Нашимова, В.К. Панкрушина, П.П. Пеллинена и других.

Целью работы является разработка программно-технологического комплекса для обработки геодезических сетей произвольного класса точности и назначения, обеспечивающего: ввод данных вместе с датами наблюдений, редактирование, хранение, первичную обработку геодезических данных, строгое уравнивание, оценку точности уравненных элементов ГС. проектирование, вывод информации по запросам, свертывание данных и их перемещение в архив по датам наблюдений, слеаение за внутренним состоянием базы геодезических обьектов и системы, формирование обьектов обработки, выбор технологии обработки, достраивания автоматизированной информационной системы (ЙИС) ГС новыми элементами, защиту геодезических данных, экспорт данных, описание систем плановых координат, описание систем высот, описание эллипсоидов и связей между ними, преобразование систем координат, преобразование систем высот, обработку и хранение растровой информации, ведение базы геодезических приборов, базы типов центров и реперов. При этом все функции АИС ГС должны строиться на единой информационной основе, форматах данных и вычислительных алгоритмах, обеспыливающих точность и надежность конечных результатов.

ЙИС ГС должна функционировать на современных ПЭВМ, используя при этом систему управления базами данных реляционного типа С СУБД Э и современное системное и прикладное программное и математическое обеспечение.

Научная новизна и практическое значение работы состоят в получении следующих результатов, которые выносятся на защиту:

1) разработана логическая структура базы геодезических данных (ЛСБГД) ЙИС ГС;

2) обоснованы форматы геодезических данных и форма их

представления с ЯС Б Г Д АИС ГС;

3) разработаны программные средства, настроенные на ЛСБГД и обеспечивавшие выполне«ие функций АИС ГС:

4) разработан алгоритм строгого уравнивания ГС методом сопряженных градиентов без составления системы нормальных уравнений. учитывающий разреженную структуру уравнений поправок;

5) разработан метод и алгоритм вычисления весовых коэффициентов и весов функций методом ■ сопряженных градиентов без составления системы нормальных уравнений.

Практическая реализация работы.

АИС ГС разработана по договору 02.49 с Федеральной службой геодезии и картографии России, прошла опытную эксплуатации в ПО "Инлгеодезиа" и внедрена в следующих организациях: ЗапсибАГП, ПО "Инжгеодезия", ЮжАГП, БалтАГП, Верхневолжское АГЛ, Кузбасс-маркшейдерия, С Г Г А. АО "Стройизыскания'Ч г. Новосибирск).

Апробация работы.

Основные результаты работы опубликованы в семи статьях и одном научно-техническом отчете, докладывались и обсуждались на:

1) XIII междуведомственном совещании по изучению современных двмений земной коры на геодинамических полигонах (г.Ташкент, 1991 г.):

2) научно-технической конференции с международным участием " Современные технологии геодезического, фотограмметрического и картографического обеспечения землеустройства и земельного кадастра в Сибирском регионе" (г. Новосибирск, СГГА. 1994 г.);

3) На семинаре геодезистов и маркшейдеровСг.Тюмень,1995г);

4) На семинаре кафедры кадастра и геоинформационных систем СГГА (г. Новосибирск, 1996г ).

Структура АЙС ГС и ее функции

Наглядное представление об автоматизированной информационной системе АИС ГС дает ее структурная схема (рис. 1).

Вся система может быть разбита на блоки, которые объединяют функции:

-позволяющие Формировать обьекты обработки (обьект обработки - произвольное сечение базы геодезических данных, имеющее определенный смысл с точки зрения геодезической науки и (или) производства);

-ввода в БГД исходной геодезической информации, специальной и нормативно-справочной, в диалоговом реаиме посредством экранных Форм, путем считывания Файлов с накопителей информации или

:зямп-: -.сист.: : зна- :.;верт,: :элеа. : ¡типы :соидн

•.высот:

: сиат. .•«¿'ординат

ки : :гориз.:

-.углы

:приве-: :цент-:дения : : ров

пун-: :напра-: ;длины; ¡оазисы: ¡принты : :вления: :линий: :азим. : :боры

Л_______*________*____________»_

Ввод буквенно-числовой информации

:абри : : сы : :веса : :изме-: :рений:

абрисы

¡геоде-: :зичес-: : кие : :прибо-: : ры :

¡типы : :цент-: :ров и: :репе-: :ров :

: Ввод растровой инфор.

БАЗА ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ!СУБД)

Система запросов на геодезическую информацию

______I_________

Л-

•.Математическая ооработ-.ка числовой информации .'на пункте или объекте

Совместная обработка

¡Обработка -<-:растровой ¡информации

----*----

Моделирование сетей

.__»____

ВЫХОДНЫЕ ДСКУМЕНТИ

Растровая печать

Текстовая печать

Графопостроитель

Экран дисплея

; Копия на : диске

Рис. 1. Структурная схема АИС ГС.

-?-

путем сканироьания;

-вывода из Б ГД по запросам исходной геодезической информации, результатов обработки, специальной, нормативно-справочной в диалоговом режиме на различные внесшие устройства (печать, дисплей, дискету);

-следящие за внутренним состоянием БГД (старением, непротиворечивостью, спасением, сжатием данных, переносом данных из БГД в архив и обратно и целостностью данных);

-поддерживающие контекстную помощь и справку во время работы с ЙИС ГС;

-настройки ЙИС ГС на работу, например: автоматический или интерактивный режим,'системы координат для входных и выходных данных и т.д.;

-обработки прерываний, например: переход из автоматической обработки в диалоговую, прекращение обработки и т.д.;

-администрирования;

-моделирования геодезических построений с псевдослучайными ошибками измерений по указанному закону распределения;

-обработки.

0 ЙИС ГС все данные делятся на два класса: внешние и внутренние, хранимые в БГД.

Внешние входные и выходные данные поступают в систему или видаются из нее в виде входных и выходных форм в цифровом или графическом виде и располагаются на различных носителях информации . Вид, форма и содержание входных и выходных документов определены нормативными документами, действующими в топографо-геоде-зическом производстве.

Внеыние входные данные поступают в ЙИС ГС в интерактивном режиме со всех сводок результатов измерений, притекающих на пункт, вид и форма которых максимально приближена к стандартным бланкам:

пункт геодезической сети;

знак нивелирной сети;

каталог координат геодезических пунктов;

каталог астрономических пунктов и азимутов;

каталог высот марок и реперов;

система плановых координат;

система высот:

сводки углов или направлений;

сводки зенитных расстояний или вертикальных углов;

список базисов, базисных сторон и длин линий;

список азимутов:

ведомости элементов приведения;

полигонометрические ходы;

геодезические приборы;

типы центров и реперов;

кроки и описание места положения пунктов или знаков. Бея сводимая информация растекается по соответствующим Файлам *.сМ объекта. АИС ГС позволяет в интерактивном режиме просматривать и корректировать содержимое объекта, как в форме сводок результатов измерений на каждом пункте, так и в Форме полей записей файлов +.<М объекта.

Внутренние данные хранятся в файлах *.<М~БГД. которые создает и обрабатывает АИС ГС, опираясь на СУБД и логическую структуру базы геодезических данных (ЛСБЩ) (табл.1).

Таблица 1

Перечень файлов, входящих в ЛСБГД. и их назначение

: имя ТИП : назначение

: 1 2 : 3

ВШП.р Ш ; Файл, описывающий пункты по классификатору

: kl.punkt.dbf

рипкЬ ; Файл общей информации о пунктах

аЬгчз <М : Файл, содержащий абрисы пунктов

иезЬо_р йЫ : Файл, содержащий описание местоположения

: пунктов

XV : Файл координат пунктов

'¿Г-.51 ОГО йМ : Файл групп сторон на пунктах

з^гопа dbí' : Файл сторон на пунктах

бгпарг <м : Файл групп направлений на пунктах

парг <м : Файл направлений на пункта/

вгигпарг ЙЫ" : Файл групп уравненных направлений на пунктах

игпзрг сМ : Файл уравненных направлений на пунктах

еггепН с1Ы' : Файл групп зенитных расстояний, вертикальных

: углов на пунктах

иео! ЙЬГ : Файл зенитных расстояний и вертикальных углов

: 1 2 3

на пунктах

ргеу <М Файл превышений на пунктах

аг_Ьаг Файл азимутов и базисов на пунктах

сеп1ег аы Файл центрировок- на пунктах

гес1икс1 с!ЬГ Файл редукций на пунктах

кос) (М Файл ход

1геи£о1 <м Файл треугольников на пункте

ро1и5 <1Ь г Файл полюсов на пункте

рипк^ ЙЬГ Файл,описывающий информацию на пунктах

аШрБ (М Файл эллипсоидов

уеза сМ Файл стандартных весов для плановых сетей

уезаЬ см Файл стандартных весов для высотных сетей

к1_з1э ёЫ Файл систем координат

(М Файл системы высот

ЙЫ Фай." типов приборов

к1_вг1п Файл групп приборов

<М Файл характеристик приборов

¡М Файл приборов

1пз1гЗ <М Файл численных значений характеристик

приборов

ки:]азз <М Файл классов пунктов плановой геодезической

сети

1с 1 1Н см Файл классов пунктов высотной сети

к1_рипк1 ЙЬГ Файл типов пунктов по построению

к1_гпак Е5Ы Файл типов знаков

оЬл ес1_га ЙЫ Файл описания объектов

ща!поЬ] с!Ы Файл, описывающий пункты, относящиеся к

каждому объекту

к!_сеп1г £М Файл типов центров

сег^г.дг с!Ь £' Файл описания групп типов центров

р 1 с <М Файл, содержащий чертежи центров

гоо^ <М Файл соответствий номенклатурных N(1

центров по альбомам 1945г и 1970г

Логическая структура базы геодезических данных разработана таким образок, чтобы время поиска и извлечения всей информации, содержааейся в БГД о данном пункте объекта, практически не

зависело от количества пунктов обьекта, обьема информации на пунктах, а также от числа обьектов в базе данных. Для этого в ЛСБГД создан файл полноты информации на каждый пункт рипкЬ_Г.(М, в котором указывается, какая информация существует на данном пункте, в каких файлах *.ЙЬГ она расположена, и с какой записи в этих файлах она начинается, А в файлах *.сМ содержится номер следующей записи, если она продолжается и была выбрана не полностью. Таким образом, строится полная "цепочка" по выбору указанной информации из файлов *.сМ без прямой фильтрации этих файлов. Обращение к файлу punkt._f.clbf производится по внутрисистемному номеру пункта. Информация в этом файле о данном пункте начинается с записи, номер которой равен внутрисистемному номеру пункта.

Б АИС ГС для каждого пункта Формируется имя и внутрисистемный номер пункта. Имя пункта не нужно путать с названием пункта. которое вводиюя самостоятельно. Имя пункта задается пользователем, может совпадать с названием пункта, но должно быть уникальным, а внутрисистемный номер пункта ЙИС ГС присваивает каздому пункту автоматически, и он. также как и имя, уникален. Все файлы ЛСБГД связаны между собой только через внутрисистемные накера пунктсв. И только файл ва1поЬ].<М содержит номера всех обьектов, внутрисистемные номера пунктов к имена пунктов.

Рассмотрим логику выбора всех Измеренных направлений на данном пункте и со всех смежных пунктов на него. Для этого представим в таблице 2 полную структуру файлов иа!поЬ].(М, рипкЬ_Г. Ш. егпарг.сМ, парг.сМ, из которой она хорошо видна.

Таблица 2

Структура файлов Еа1псЬ} , рипк(,_^<М, ггпзрг.сМ, парг.<М.

:имя поля тип Формат : назначение

1 2 3 ... ____

ва1поЬ] сМ. :Файл, описываищий пункты, относящиеся

:к каждому объекту

поЫесЬ число 4 :Номер объекта

пршМ число 6 ¡Внутрисистемный номер пункта

1еу символ 15 :Имя пункта

рцпк1_Г ЙЫ :Файл, описывавдйй информацию на пунктах

Таблица 2(продолнение) 4 :

1

припкЬ

огр

гпак

эеп^г

гърипкк

п_ша!п

ху

п.ху Ь

э1ог_е

ип_з1ог ц.эЬог-Ь

агЬаг агЬа2_Ь

агЬаг_е

ип_агЬаг и_агЬаг_Ь

ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО

ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО ЧИСЛО

число число

ЧИСЛО

ЧИСЛО ЧИСЛО

ЧИСЛО

ЧИСЛО ЧИСЛО

ЧИСЛО ЧИСЛО

число

¡Внутрисистемный N пункта ¡Количество ОРП на пункте ¡Количество стенных реперов,марок на ¡пункте

¡Количество снесенных центров на пункте :Н записи в рипк1.<М для данного пункта ¡К записи в ша!п_р.<М для данного ¡пункта

¡Наличие координат на пункте ¡11 записи в ху.сМ для данного пункта ¡Наличие геодезической высоты на пункте ¡Наличие сторон на пункте

записи,в дг_з1ого.(М-начала :" цепочки" для данного пункта :Н записи в дг.зСого.сМ-конца "цепочки" ¡для данного пункта ¡Наличие "обратных" сторон на пункте ¡Я записи в э^гона.(М-начала "цепочки" ¡для данного пункта для "обратных" изменений

¡Л записи в з1огопа.<М-конца "цепочки" ¡для данного пункта для "обратных" изменений

¡Наличие азимутов и базисов на пункте :Н записи в аг_Ьаг.йЬГ-начала "цепочки" ¡для данного пункта для "прямых" изменений

:И записи в аг_Ьа2.[ЗЬГ-конца "цепочки" ¡для данного пункта для "прямых" изменений

¡Наличие "обратных" азимутов и Оазисов ¡на пункте

:Н записи в аг_Ьаг.(М-начала "цепочки" ¡для данного пункта для "обратных" изменений

2

1 2 3 : 4 :

u.azba2_e число 6 :Н записи в az_baz.dbf-KOHua "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

prev число 1 ¡Наличие превышений на пункте

prev_b число 6 :К записи в prev.dbf-начала "цепочки" :для данного пункта для "прямых" измерений

prev_e число 6 :N записи в prev.dbf-конца "цепочки" :для данного пункта для "прямых" измерений

un-prev число 1 ¡Наличие "обратных" превышений

u_prev_b число 6 :Н записи в prev.dbf-начала "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

u_prev_e число 6 :Н записи в prev.dbf-конца "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

napr число 1 :Наличие групп направлений на пункте

napr_b число 6 :N записи в grnapr.dbf-начала "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

napr_e число s :N записи в grnapr.dbf-конца "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

ut\_napr число 1 :Наличие "обратных" направлений на пункте

u_napr_b число 6 :N записи в napr.dbf - начала "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

u.napr.e число 6 :N записи в napr.dbf - конца "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

unapr число 1 : Наличие групп уравненных направлений :на пункте

unapr.b число 6 записи в grurnapr.dbf-начала''цепочки" :для данного пункта для групп измерений

unapr_e число 6 :ff записи в grurnapr.dbf-концз "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

un.unapr u_unapr_b

u.unapr.e

zenit

zenit-b

2enit_e

iin_zenit

u_zenit_b

u.zanlt.e

adres_n

число число

число

число число число число число

число

число число число число число число

сМ число число число

число

4 :

Наличие "обратных" измерений на пункте N записи в urnapr.dbf-начала "цепочки" для данного пункта для "обратных" измерений

N записи в urnapr.dbf-конца "цепочки" для данного пункта для "обратных" измерений

Наличие зенитных расстояний и вертикальных углов на пункте

К записи в grzenit.dbf-начала "цепочки" для данного пункта для групп измерений Н записи в grzenit.dbf-конца "цепочки" для данного пункта для групп измерений Наличие "обратных" зенитных направлений на пункте

Н записи в идо 1.dbf-начала'"цепочки" для данного пункта для "обратных" измерений

N записи в ugol.dbf-конца "цепочки" для данного пункта для "обратных" измерений

Наличие центрировок на пункте N записи в файле center.dbf-начала М записи в файле center.dbf-конца Наличие редукций на пункте Н записи в файле redukci.dbf-начала N записи в файле redukci.ubf-конца

Файл групп направлений N группы направлений Внутрисистемный ?! пункта стояния N записи для последующей гриппы на этом пункте в дгпарг.йЬГ Н записи в парг.бЬГ, с которой начинаются записи для данной группы

6

6

О

1 2 3 : 4 :

поиег ЧИСЛО 4 :Тип прибора по классификатору

:1П5Ьг2.(М

рг1еи ЧИСЛО 2 ¡Количество приемов

ко1парг ЧИСЛО 2 ¡Количество направлений в данной группе

ско 1 ЧИСЛО ?. 4:С.К.О. из одного приема (")

ско2 ЧИСЛО 1. 4:С.К.О. из п приемов (")

¿аса! дата 8 ¡Дата начала наблюдения группы(дд/мм/гг)

рг!гпак ЧИСЛО 2 ¡Признак приведения (Ю-изееренная. 20-

:сферическая,30-плоская,11-10+С,21-20+С,

:31-30+С,12-10+С+К,22-20+С+Я, 32-30+СШ

п4.уре ЧИСЛО 2 ¡И типа группы направлений по классифи-

катору kl.punkt.dbf

Ь ЧИСЛО ?. 4:Высота верха визирной цели знака (м)

м- ЧИСЛО ?. 4¡Высота горизонтальной оси инструмента^

МаЫе ЧИСЛО ?. 4:Высота столика (м)

йа1а2 дата 0 ¡Дата окончания наблюдения (дд/ни/гг)

гсГгаксу ЧИСЛО 7. 4¡Коэффициент горизонтальной рефракции

поаег_г СИМВОЛ 15 ¡Заводской номер прибора

ЧИСЛО 8. 4¡Значение характеристики N4 из lnst.rl.db

¡прибора с номером^НОМЕЙ из lnst.r3.dbf

парг .сМ ¡Файл направлений

припМ ЧИСЛО 6 ¡К пункта-станции из файла йгпарг.йЬГ

пдг ЧИСЛО 2 :Н группы, к которой относится данное

¡направление.

пр2 ЧИСЛО а ¡Внутрисистемный Н смеаного пункта

adres-.gr ЧИСЛО е :Н записи в дгпагр.йЬГ, в которой содер-

жится информация о данной группе

гйгес.п ЧИСЛО е ¡К следующей записи в парг.йЬГ, в кото-

рой пункт КР2 выступает как смежный

парг ЧИСЛО 12. 4:Изиеренное значение направления

. ¡(гпммсс.сссс)

с ЧИСЛО 10. 4:Поправка за центрировку (")

г ЧИСЛО 10. 4:Поправка за редукцию (")

зГега ЧИСЛО 8. 4¡Пoпpaзкa за переход с эллипсоида на

ик 1оп число 8. 4

ипо ЧИСЛО 8. 4

ие1 ЧИСЛО 8. 4

пНазэр числе

ип_г число 1

ге!'_р число 8. 4

р_ргггпак символ 1

4

плоскость (")

Поправка за уклонение отвесных линийС) Поправка за высоту наблюдаемой цели (") Поправка за переход от нормального сечения к геодезической линии (") И класса направления по классификатору kl.klass.dbf

Признак: нестандартная г (1 или 0) Поправка за горизонтальную рефракциюС") Признак наличия поправок: ЙВСЮЕРБН (обозначение битов слева направо) А -наличие поправки за центрировку

11 или 0) В -наличие поправки за редукцию (1 или 0)

С -наличие поправки при переходе с эллипсоида на плоскость (1 или 0) О -наличие поправки за уклонение отвесных линий (1 или 0)

Е -наличие поправки за высоту наблюдаемой цели с 1 или 0)

Р -наличие поправки за переход от нормального сечения к геодезической линии (1 или 0)

С -наличие поправки за горизонтальную

рефракции (1 или 0) Н -не используется

Информация, представленная в ЛСБГД, ее форматы, и тип форматов призваны обеспечить хранение исходной и обработанной информации в принятых единицах измерений, а такие решение максимально возможного числа информационных, производственных, нацчно-прсиз-содствешшх, ааичных, исследовательских и учебных задач, как по точности, так и по разнообразию. Причем, по точности форматы ЛСБГД чпреядагат потребности производства на порядок.

Обрабатывающие функции ЙИС ГС реализуются комплексом, обеспечивающим решение полного перечня задач, составляющих содер-аание всех этапов обработки геодезических измерений!предварительной, уравнивания и оценки точности) для различных геодезических построений: триангуляции, трилатерации. полигонометрии, линейно-угловой сети, различных угловых, линейных и линейно-угловых засечек. Обьекты могут создаваться и обрабатываться в условной или государственной системе координат на любом указанном эллипсоиде, при этом располагаться в нескольких шестигрэдусных зонах Гаусса-Крюгера. Все информационные и вычислительные функции ЙИС ГС могут выполняться над отдельным объектом или совокупностью обьектов, над любой совокупностью пунктов или элементов сети одного или нескольких обьектов.

Б информационной системе предусмотрена простая возможность подключения любых новых обрабатывающих программ в виде исполняемых модулей написанных на различных языках программирования, после чего, эти программы могут быть включены в общую схему обработки как в автоматическом, так и в интерактивном режиме.

Результаты решения задач, получаемые, как действия над соответствующими объектами обработки, по предусмотренным технологией алгоритмам, помещаются в отведенные для них файлы *.<М.

Технологическая схема обработки геодезических сетей предусматривает. как правило, последовательное укрупнение или разукрупнение обьектов обработки.

Для обьектов обработки предусмотрены следующие процессы: вичисление приближенных координат: вычисление поправок в направления за центрировку; вычисление поправок з направления за редукцию; вичисление поправок в направления за переход к геодезическим линиям;

вычисление поправок в направления за уклонение отвесных линий;

вычисление поправок в направления за высоту наблюдаемых целей;

вычисление поправок е направления за переход на плоскость ;

уравнивание направлений на пункте, измеренных в нескольких группах по классам:

совместное уравнивание направлений на пункте, измеренных в нескольких группах:

вычисление угловых невязок в треугольниках по сферическим направлениям:

вычисление угловых невязок в треугольниках по плоским направлениям:

вычисление свободных членов полюсных условий по сферическим направлениям:

вычисление свободных членов полюсных условий по плоским направлениям:

вычисление поправок в стороны за центрировку; вычисление поправок в стороны за редукцию; вычисление поправок в стороны за переход к центрам пунктов;

вычисление поправок в стороны за переход к геодезическим линиям:

вычисление поправок в стороны за переход на плоскость; обработка базисов и азимутов; обработка групп ориентирных пунктов; вычисление поправок в зенитные расстояния или углы наклона за центрировку:

вычисление поправок в зенитные расстояния или углы наклона за- редукцию;

вычисление поправок в зенитные расстояния или углы наклона за разность высот пунктов;

вычисление поправок в зенитные расстояния или углы наклона за рефракцию;

вычисление поправок в зенитные расстояния или углы наклона за кривизну Земли;

вычисление прямых превышений по зенитным расстояниям или углам наклона:

вычисление превышений по прямым и обратным зенитным расстояниям или углам наклона;

вычисление невязок превышений в треугольниках; приближенное вычисление высот;

уравнивание высотной сети по результатам тригонометрического нивелирования;

оценка точности уравненных элементов высотной сети; Формирование полигонометрического хода; вычисление угловой и линейной невязок полигонометрического хода;

уравнивание плановой сети:

оценка точности уравненных элементов плановой сети. Все перечисленные процессы обработки и вновь добавляемые, кроме уравнивания и оценки точности плановой и высотной сети, пользователь может выстраивать в любую повторяемую последовательность, которую можно закрепить за объектом обработки. Если пользователь не определяет порядок обработки для обьекта, то АИС ГС автоматически переходит к стандартной системе обработки.

Все функции йИС ГС выполняет в двух принципиально разных режимах:

- в первом режиме по мере накопления геодезической информации АИС ГС автоматически переходит к функциям обработки, продолжению обработки или повторной обработке, каждый раз порождая след обработки, фиксируемый в соответствующем файле. Просмотр и анализ этого файла позволяет вскрыть возможные ошибки исходных данных, неполноту результатов предварительных вычислений в обьекте. неустраненные противоречия и их причины. Данный режим может прерываться на ввод и вывод геодезической информации, на выполнение служебных функций, на переход в другой режим или прекращение работы. Первый режим выполняется всегда, сразу после включения ПЭВМ и запуска АИС и настройки, как полный автомат;

- во втором режиме АИС ГС представляет собой развитую сеть меню, из которых пользователь в интерактивном режиме должен сам выбрать необходимую для него в данный момент функцию АИС ГС.

В обоих ре.жимах работы АИС ГС поддерживает контекстную помощь в зависимости от выполняемых в данный момент действий.

Кроме того. АИС ГС обеспечивает автоматический контроль вычислений и возможность визуального контроля посредством выдачи специальных контрольных документов на экран и печать.

Уравнивание и оценка точности геодезической сети

В современной теории уравнивания разработано большое количество строгих методов решения уравнений поправок или систем нормальных уравнений, среди которых особое место занимает метод и алгоритм рекуррентного уравнивания Ю.й. Иаркузе. С точки зрения метода наименьших квадратов все методы дают абсолютно одинаковые результаты. Функция уравнивания плановой и высотной сети в ЙИС ГС выполняется в интерактивном режиме путем безусловной минимизации суммы квадратов уравнений поправок методом сопряженных градиентов.

Теоретические и вычислительные основы метода сопряженных градиентов и достоинства его по сравнению с другими методами ре-

иения систем линейных уравнений или безусловной минимизации квадратичной положительно определенной Формы хорошо изучены отечественными и зарубеяными математиками Г.И. Марчуком, В.И. Воеводиным, В.П. Ильиным, Л. Хейгманом, Д. Янгом, а также геодезистами О. Быковым, Г.Н. Ефимовым и другими. В представленной работе автором выбран этот метод, во-первых, из-за возможности компактного представления матрицы уравнений поправок в памяти [¡ЭВМ, что позволяет уравнять геодезическую сеть с максимальным числом определяемых пунктов при заданном обьеме оперативной памяти ПЭВМ. Во-вторых, использование метода сопряженных градиентов позволяет применить единый подход к вычислении поправок к координатам и вычислению весовых коэффициентов. В-третьих, метод сопряженных градиентов, хотя и является итерационным, но сходится к истинному решению за конечное число итераций при отсутствии ошибок округлений. В-четвертых, вычислительный алгоритм получается коротким и прозрачным, что важно само по себе.

Известные теоретические основы минимизации квадратичной Формы монно записать в следующем виде

где и=А Ь-решение системы, и поскольку Й является положительно определенной матрицей, отсюда следует, что задача решения системы Аи-Ь эквивалентна задаче минимизации Р(и), а формулы для метода сопряженных градиентов имеют вид:

РС и ) = ( и. Аи )/2-С Ь. и).

(1)

Поскольку

Р(и)=Р(иМ(и-ц),А(и-ц))/2.

(2)

и0 -произвольное начальное приближение.

и(;+,)--и<;) + 1--0.1....

г<" . если 1=0.

(3)

Ы.;- -:—:—гт—г-, 1 = 1,2...,

(с'^йс""0 )

(с£0, гс1)) Л: = ---:—, 1=0.1....

(с£°.йсс°)

Применим эти формулы к уравнивании плановой сети посредством безусловной минимизации суммы квадратов уравнений поправок методом сопряженных градиентов

[руи]^ р. (а., лх,+а1гдуг + ...+а;21<_лх4ц_+а1гиЛугч + 11 =Е1ПЛ4) или

[риу]=С ДХ.ЙТр й Л.Х)/2+(ЙТР I, ДХ)=в1п. (5)

Для высотной сети они будут аналогичны. Перед процессом уравнивания пункты ГС автоматически перенумеровываются в произвольном порядке, но так, чтобы исходные пункты получали последние номера; первоначальные номера пунктов запоминаются в массиве. Обозначим через ДХ вектор поправок к координатам определяемых пунктов, получаемый из уравнивания, причем номера переменных Формируются следующим образом:

->!• ..... xa,..r>2n-i. У2и ->2п.

где n-число определяемых пунктов. Известно, что максимальное количество ненулевых коэффициентов при уравнивании параметрическим способом по направлениям для произвольного уравнения поправок равно четырем. Поэтому их компактная запись в памяти ПЭВМ монет быть представлена следующими векторами: nip, al. М, прр, а2, Ь2. 1 размерности к, где

к- число уравнений поправок, nip ,прр -новые номера пунктов,

Ц->/р1 -свободный член 1-го уравнения поправок, умно-аенкый на корень из веса,

al; = Ур^ all . blL = Jvl blL,

a2i = УрТ a2i . b2j. = УрТ b2i-

коэффициенты i-го уравнения поправок для пунктов nip и прр соответственно. Обозначим рабочие векторы размерности п через гк, ry, pxl, pyl. apxl. apyl, тогда алгоритм метода сопряженных градиентов для безусловной минимизации уравнений поправок (4) можно представить следующим образом:

прг=0 kngt=0 kb=-l

do 1 i = i.oxy x( i )=0.d0 yi i 5=0.dO rx(i)=0.dO py(1)=0.d0 apxli1)=0.dO apyl(i)=0.d0 pxl( 1)=0.dO

1 pvH 1 )=0 .dO

2 kb=kb+l if(kb.gt.2*oxy ¡return pvv-O.dO

с вычисление o(.i по формулам (3) aa=0.d0 bb=O.d0

lf(kb.ne.0)then do 3 i=l,oxy bb^bbfrxii )*apxi(i> bb=bb+ry(i HapyKi) aa=aa+pxl(1 )*apxl(i)

3 aa=aa+pyl(i )*apyl(i) alf=-bb/aa

do 4 1=1,oxy

pxU i )=rxc i )+alf*pxl( i)

pyIt i )=ry( i )+alf*pyl(I)

rx(i)=0.dO

ryei)=0.dO

apxlt i)=0.d0

4 apyl(1)=0.d0 endif

с вычисление суммы LpvvJ и векторов г ,с ,fic по Формулам (3) с исключение из уравнений поправок поправки за ориентирующие с углы

12 do 5 1=1,кур

lf(kngt,eq.0)kng=0

i f С С oye i ).eq. '1' ,or.oy(i ).eq.'2' Land.kngt.eq.O )then do 6 j=l,kng sa2(j )=0.d0

6 sb2(j)=0.d0 tc=oy( i) tnppC1 )=nlp(i) kng=i

do 7 5=1,1+100 if(oy( j ).ne.tc)goto 8 kng=kng+l tnpp(kng)=npp(j) sa2( 1 )=sa2( 1 )+al( j) sb2(i)=sb2(i)+bHi) sa2(kng)=sa2(kng)+a2( j i

7 sb2(kng)=sb2(kng)+b2( j)

8 skng=kng

do 9 j=l,kng sa2(j )=sa2(3)/skng

9 sb2( j )=sb2(j )/skng endif

if(kngt.eq.0.and.kng.ne.0)kngt=kng с 6)

ibnlpíi)

ip=npp(i)

ral=al(i J

rbl=bl(i)

ra2=a2(i)

rb2=b2(i)

IfCkngt.eq.Othen

rl=ral*xt i 1 )+rbl*y( i 1 )+ra2*x( íp)+rb2*y( ip )+l( i -r2=rai*pxií il Hrbl*pyl< И Hra2*pxli ip )+rb2*pyU ip) else

kngt=kngt-l t=kng-kngt+i

ri=(rai-sa2( 1 n*x( 11 mrbl-sb2( 1 ))*yt íl )+l( i) r2=(ral-sa2( 1 ))*pxi( i 1)+(rbi-sb2( 1) )*pyll il)

-23г i=ri+ira2-sa2(t) )*x(ip)+(rb2-sb2(t) )*y(ip) r2=r2+(ra2-sa2(t))*pxl( ip )+(rb2-sb2(t) )*pyl( ip) do 10 j=2.kng iftj ,ne.t)then

rl=rl-sa2(j )*x(tnpp(j ))-sb2(j )*y(tnpp(J)) r2=r2-sa2(])*pxl(tnpp(j ))-sb2(j)*pyl(tnpp( j)) endif

10 continue endif

pvv=pvv+ri*rl rxC ii)=гх(il )+rai*rl ry( il >=ry( 11 )+rbl*rl rx( ip )=rx( ip)+ra2*rl ry(ip)-ry£ip)+rb2*rl apxl( 11)=apxl(il )+ral*r2 apylt il )=apyl( il )+rbl*r2 apxl( ip)=apxl(ip Hra2*r2 5 apyliip )=apyl(ip )+rb2*r2 iftnpr.eq.O )then npr=l

do 11 i = 1. oxy pxl(i)-rx(i ) pyl(i)--ry( i) rx( i HO.dO ry(i ) = 0.d0 apxii1)=0.dO

11 apyii i )=0.dO goto 12 endif

с вычисление Aino формулам (3) aa=0.d0 bb=Q.d0 do 13 i=l,oxy bb=bb+rx(i )*pxl( 1) bb=bb+ry(i )*pyl(i) aa=aa+pxl( i )*apxl(1) 13 aa=aa+pyl(1 )*apyl(i) laa=bb/эа do 14 1=1,oxy

-24-

х( 1)-х(1)-1ат*рх1(1) 14 у( 1 )=у( 1 ЫатгруИ 1) еоЬо 2

После выхода из этого процесса, а он продолжается 2п раз. вектор поправок ДХ прибавляется к начальному вектору координат и запоминается. По исправленному вектору координат вновь вычисляются коэффициенты а1, Ы, а2, Ь2 и свободные члены 1 уравнений поправок. Из вектора поправок ДХ выбирается максимальная по модулю поправка и сравнивается с установленным допуском; если она его превышает, то вышеприведенный вычислительный процесс (6) повторяется.

¿ля вычисления весов функций по формулам

[руу]

необходимо знать весовые коэффициенты, которые входят в эту функцию. Для их вычислений требуется либо обратить матрицу системы нормальных уравнений, что невозможно сделать из-за большого числа неизвестных, либо решать систему нормальных уравнений с дополнительными правыми частями типа (0.0...1...0) . Так как в ЙИС ГС система нормальных уравнений не составляется, то этот путь не приемлем.

Рассмотрим вычисление весовых коэффициентов в ЙИС ГС на примере первой строки обратной матрицы нормальных уравнений ,

...... Для их нахождения необходимо решить известную

систему уравнений

4« %А

йгл 9М +...+с1гг„с[,ги=0 . (8)

где й. А

Поставим вопрос, какими должны быть свободные члены [ уравнений поправок (4), чтобы задача безусловной минимизации суммы квадратов их методом сопряженных градиентов была равнозначна решению системы нормальных уравнений (8), что эквивалентно выполнению следующих условий:

[а.^Ы. [а.г1Ь0,..Да.ги'1Ь0,

где ам ,а.а ,...а,1и -коэффициенты уравнений поправок. Очевидно. что при подстановке уравненных координат в уравнение поправок мы получим:

а также

[ам 1Ыа., у] = 0, [а.г 1Ыа.2уЬО... .Са,г)11 Ыа.гпУЬО.

Необходимо добиться, чтобы

[а.Л7]^[ам~]/0, [а.г7Ыа.аУЬ0____Еа.^ТЫа.^уЬО.

Для этого возмутии уравненное значение первой координаты на величину х<=х1+1 и пересчитаем свободные члены уравнений поправок.и нормальных уравнений. Нетрудно показать, что в результате получим

[а.4 1 Ыа., а.*]. [а.г 1 Ыам а.а],...[а.гн1 Ыам а**).

Решение системы нормальных уравнений с такими правыми частями даст следующие поправки в координаты

-26-

Д.Х« =-1. АУг =0.....4X^=0. йУа„ =0.

что и следовало ожидать. Реиим эту систему уравнений поправок безусловной минимизацией методом сопряженных градиентов (6) или систему нормальных уравнений, что эквивалентно. При этом возмущенная переменная хА +1 будет зафиксирована как исходная. Тогда система примет такой же вид, как и исходная система нормальных уравнений, но без первой строки и первого столбца и с правыми частями

!ам а.г ], Сам а.3 ],..Лам а.гп]

размерности 2п-1. В результате получим новый вектор уравненных координатТ размерности 2п-1 и вектор поправок и к измеренным величинам. Вектор поправок удовлетворяет следующим условиям

[а.271=0, 1а,г'у]=0,.. .[а.аЦП=0

к

Разделив каждый компонент^вектора "У на величину [уу, получим вектор свободных членов Ь уравнений поправок, который обладает искомым свойством

Са.Ды, [а.гТ]=0...Ла.г^]=0,

откуда следует, что

а так как б^-х^Ы по построению, то

СЮ)

Следовательно, находя безусловный минимум суммы квадратов уравнений поправок методом сопряженных градиентов (6) со свободными членами а,,,, ,аг/) ....и при условии, что первая переменная х„ будет считаться исходной. в результате найдем но-

.4 =(У„ -У, ,С9)

чгп 2« л

вый вектор уравненных координат X и сумму [уу] , а по формулам С9) элементы обратной матрицы

Таким образом, чтобы найти весовые коэффициенты ¡-ой строки системы нормальных уравнений, необходимо:

- один раз уравнять исходную систему уравнений поправок (4) безусловной минимизацией методом сопряженных градиентов (6) или решить систему нормальных уравнений и получить вектор уравненных координат X:

- уравнять исходную систему уравнений поправок С4) со свободными членами .....а^ безусловной минимизацией методом сопряженных градиентов, считая при этом 2-ый компонент вектора X исходным, что равносильно решению исходной система нормальных уравнений, но без 1- ой строки и 1- го столбца и с правами частями 1а.I а ч 1,..Ла.£, а.^Ыа^ а.^].... Ла.;. а.2к]. В результате получим новый вектор уравненных координат X , сумму [уу*^ и по формулам (8) 1- ую строку обратной матрицы системы нормальных ур^нений как

а.^с^-х^/^з^у.^-^-^)/^]......- 41)

а так какТ^ =1. или -У;, -1 в зависимости от того,!-четное или нечетное будем иметь

^/[уу]',. (12)

Данный метод позволяет постепенно накапливать весовые коэффициенты по мере вычисления весов функций и весов координат. В АИС ГС приведенный метод позволяет уравнивать до 1000 определяемых пунктов, используя при этом только 640КЬ оперативной памяти ПЭВМ. При увеличении оперативной памяти в п раз он позволяет увеличить число определяемых пунктов в п раз.

Выходные данные Вывод геодезической информации, хранящейся в обьекте, осуществляется по запросам пользователя посредством удобных менв и подсказок по стандартным формам документов. В качесте выходных данных могут выступать все входные данные и результаты решения всех геодезических задач, полученные в процессе обработки информации объекта: геодезические приборы;

типы центров и реперов:

список и распределение невязок треугольников:

список и распределение свободных членов полюсных условий:

абрисы и описание местоположения пунктов и знаков;

алфавитный список пунктов;

карточки направлений и зенитных расстояний;

список координат и высот пунктов:

список сторон:

характеристика качества ходов полигонометрии; список координат пунктов по ходам полигонометрии; карточки предварительной обработки; каталожные карточки; карточки на зону перекрытия;

список невязок превышений в треугольниках по результатам тригонометрического нивелирования;

список превышений тригонометрического нивелирования; характеристика качества плановой сети.

Заключение.

1. Разработана автоматизированная информационная система ЙИС ГС, являющаяся единым программно-технологическим комплексом, отличительной особенностью которого является обьединение в нем математических функций, связанных с вычислительными операциями и уравниванием геодезических построений, с информационными функциями, связанными с ведением банка данных на сеть.

Такое обьединение отвечает современным требованиям, соответствующим возможностям персональной вычислительной техники, обеспечивает его универсальность и освобождает пользователя от необходимости обращаться к каким-то другим программным средствам.

2. Автоматизированная информационная система ЙИС ГС, разработанная для Федеральной службы геодезии картографии России, предназначена для решения различных задач проектирования и обработки плановых и высотных геодезических сетей, а также создания геодезической информационной системы, способна обеспечить потребности различных предприятий и организаций вне зависимости от их ведомственной принадлежности.

3. В рамках автоматизированной информационной системы разработан механизм, позволяющий легко включать новые программные средства, расширяющие информационные и обрабатывающие функции ЙИС ГС, что превращает этот комплекс в мощный инструмент

для научных исследований.

4. Разработана структура и единые форматы базы геодезических данных АИС ГС.

5. Разработаны алгоритмы и программные средства, настроенные на БГД. позволяющие обрабатывать ГС в различных системах координат.

6. Разработан алгоритм строгого уравнивания ГС методом сопряженных градиентов без составления системы нормальных уравнений, учитывающий разреженную структуру уравнений поправок.

7. Разработан метод и алгоритм вычисления весовых коэффициентов и весов функций методом сопряженных градиентов без составления системы нормальных уравнений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Система программ по математической обработке геодезических сетей/ Кониченко й.А..Полещенков 8.Н., Абрамович Б.Л.//Проблемы автоматизации топографо-геод- ических и картографических работ: Матер. Всесоюзн. науч.-техн. кони..Новосибирск, май 1981 г. Л. 1982, с.88-91.

2. Программное обеспечение базы данных геодезических сетей /Полещенков В.Н., Кониченко Й.Й..//Геодезия и картография, 1984.N 5. с.43-45.

3. Изучение деформации городских территорий на базе городского геодезического кадастра/ Полещенков В.П., Яикин Л.М.//XIII Междуведомственное совещание по изучению современных движений земной коры на геодинамических полигонах: Тез. докл.-Ташкент,1991, с.147-148.

4. О связи автоматизированной топографической информационной системы с другими системами территории/ Лисицкая Г.С.. Поле-щенков В.Н.//Автоматизированная информационная система крупномасштабная: Сб. науч. тр. НИИПГ.-М. :ЦНИИГйиК,1991.-Вып.14, с.34-3?.

5. Программное обеспечение технологического процесса решения инженерно-геодезических задач на ЦЙР/ Полещенков В.Н., Супру-ненко М.Я.//Автоматизированная информационная система крупномасштабная топографическая: Сб. науч. тр. НИИПГ.-М.:ЦНИИГАиК.1991. -Вып.14. с.45-47.

6. Автоматизированная информационная система локальных геодезических сетей/ Полещенков В.Н., Зеленина И.А.//Геодезия и картография. 1994. N 4, с.26-29.

7. Совместное использование результатов дигитализации и

наземных измерений при создании кадастровых планов/ Любнвая Л.С., Полеценков Б.Н.//Вестник Сибирской государственной геодезической академии: ССГА.-Вып. (.-Новосибирск. 1995, с.60-63.

Лицензия ЛР N 020461 Дата выдачи 04.03.1992г.

Подписано в печать 1996г.

Обьем 1.9 печ.л., 1.8 уч.-изд.л. ЗаказйТирак 100

630108. Новосибирск, 108. Плахотного. 6. РИ0. КПЛ СГГА