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

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Сибирская государственная геодезическая академия

Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии

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

01

Полеиенков Валерий Николаевич

УДК 528.1:658.5.011.56

Новосибирск-1996

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Панкрувин В.К., кандидат технических наук, доцент Афонин К.Ф.

Ведущая организация ПО "Инагеодезия"

Федеральная служба геодезии и картографии России

1996г. в7Ь часов на заседании диссертационного совета Д 064.14.01 Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. СГГА, аудитория N 403.

С диссертацией в виде научного доклада иовно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Диссертация в виде научного доклада разослана ____1996г.

Защита состоится

-¿г-

Ученый секретарь диссертационного совета

Середович В.А.

-3-

Обвая характеристика работы

Актуальность темы. Классические методы построения геодезических сетей (ГС), сбора измеренной геодезической 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 рагвитие спутниковых технологий создания геодезических сетей. Более того, космические определения опираются на классическую геодезическую основу, используют ее и обрабатываются совместно. Результаты космических измерений, как и вновь проводимых классических, требуется упорядочивать и хранить в базе геодезических данных вместе с результатами прошлых измерений. Это позволит в настоящем 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 провлое изучается многики науками, среди которых геодезия занимает не последнее место. Ученые неоднократно будут возвращаться к результатам прошлых геодезических измерений, применяя более адекватные, более точные методы обработки, так как эти измерения несут геометрический и гравиметрический образ Земли эпохи измерений. Поэтому очень вагно сохранять первозданные геодезические измерения в геодезических базах данных вместе с методами и технологиями математической обработки, которые в будущем могут дополняться, совершенствоваться и изменяться.

В настоящее время в России получают свое развитие гео-янформационнне системы (ГИС) и кадастр, решающие 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 даае в разных картографических проекциях. Поэтому часто возникает задача преобразования координат. Для решения многих задач в городах требуется оперативно выяснять их геодезическую изученность, получать геодезические данные, развивать геодезическую сеть города, обновлять ее, переуравнивать, следить за изменениями координат пунктов сети.

Многие элементы такой информационной системы разрабатывались ранее и были реализована на ЕС ЗЗН Я.Я. Иодисок, Г.Н. Ефимовым. Д.В. Лисицккм, Г.С. Лисицкой, fl.fi. Кониченко, Б.И. Мицкевичем. Исследования по данной теме велись автором под ру-

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

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, СНБД и единых форматов данных, учитывающей накопленный положительный опыт, достигнутые результаты, а также последние теоретические и практические достижения в этой области ведущих ученых-геодезистов В.В. Бузука, й.й, Визгина, Ю.П. Гуляева, Ю.И. Маркузе, М.М. Машимова, В.К. Панкрушина, il.fl. 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, слежение за внутренним состоянием базы геодезических обьектов и системы, формирование обьектов обработки, выбор технологии обработки, достраивания автоматизированной информационной системы С АИС) 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, обеспь'ивающих точность и надежность конечных результатов.

АИС ГС должна функционировать на современных ПЭВМ, используя при этом систему управления базами данных реляционного типа (СУБД) 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

преяставлення в ЛСБГД (ШС ГС;

3) разработаны программные средства, настроенные на ЛСБГД и обеспечивавшие выполнение 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.

ЙИС ГС разработана по договору 02.49 с Федеральной службой геодезии и картографии России, проила опытную эксплуатации в ПО "Инягеодезия" и внедрена в следующих организациях: ЗапсибйГП, ПО "Инягеодезия", ВжАГП, БалтйГП. Верхяеволнское ЙГП. Кузбасс-маркиейдерия, СГГА, АО "Стройизыскания'Чг. Новосибирск).

Апробация работы.

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

1) XIII междуведомственном совещании по изучению современных движений земной коры на геодинамических полигонах (г.Ташкент. 1391 г.);

2) научно-технической конференции с международным участием " Современные технологии геодезического, фотограмметрического и картографического обеспечения землеустройства и земельного кадастра в Сибирском регионе" (г. Новосибирск. СГГП. 1934 г.);

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

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

Структура ПИС ГС и ее функции

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

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

-позволяющие формировать обьекты обработки (объект обработки - произвольное сечение базы геодезических данных, имеющее определнный смысл с точки зрения геодезической науки и (или) производства);

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

:зллип-: :c:ict.: : эна- : :верт,: :злеи. : -¡типы : :аери : : : :геаде-: ¡типа :

:сояды : :высот: : ки : :дглы : гпркве-: :цент-: :_см_: :абри-: :зичес-: :цент~:

:сист. : ;-: ггериз.: г---:дет*я : : ров : -.веса : : сы ; : кие : :рсв и:

:коор- : : пан-: :напр^~: :п,лтш: ;оазнск: :при- : :изм«-: : : :пр;;ас-: :репе-:

гяинат : : ктк : гвлениа: :линий: :език. : :6f.ри : :рвкий: : : : ра : :ров :

____♦_______I_______I_________\_______(___________{_____________+_____________¡'________)___

Ввод онкбзнно-числовпй информации ; : Ввод растровой инфор.: _________________'.----------______(_____________________________________________»___________

Б Р, 3 й ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ О Б Ь Е К Т С В (СУБД)

---------»---------------------------------------!---------------- ------«----- -----

Система запросов : Математическая о&работ-: :Сов»естная: '.Обработка : '.Модели- :

па геодезическую : .ка числовой информации :->-.'обработка :-<-:растровой : :рованке :

информации : ;ка пункте или объекте ; : ; ¡информации: : сетей :

_______♦__________________________________________________♦_____________»____________♦_____

выходные документы :

_____♦________________<_________________)_______________I_______________I______

Растровая; :Текстоеая : : Графопо-: : Зкрак : : Копия на :

печать : : печать : :строитель: : дисплея : : диске :

Рис. 1. Структурная схема ЙИС ГС.

путем сванироьания;

-вывода из БГД по запросам ягодной геодезической информации. результатов ибрабожи, специальной, нормативно-справочной в диалоговом реяиме на различкие вжвккг устройства (печать, дисплей. дискету);

-слсдкяие за внутренним состоянием БГД (стэреякек, непротиворечивость»:, спасением, сжатием данных. переносом данных из БГД в архив и обратно и целостности даннях);

-поаяержйсавкиз контекстную покожь и справку зо время работы с РЖ ГС;

-настрой!«« нКС ГС на раоотч. «зприкер: автокатяческкй ид;*, интерактивный режим, еистонн координзт для входных и выходных данннх и т.д.:

-обработки прерываний. например; переход из автоматической обработки в диалогов1« аре '.рааепке о'ЗзаОотки и т.д.;

-администрирования:

-моделирования П'и» ззачеыш построений с лсег^осдучайнн-ки овибкамк измерений по чьашшояч закону распределения:

-оираостки.

В нКС ГС все депкае делятся на два класса; рнеаякг и внутренние, хранимое в оГЛ.

Внешние вхоачне к выходные да»нае поступав? з систему или выдаются из ¡¡се з виде вхсдянх и внхояга.'х ор» в я.-,грогом или пмфичискок Риде и располагается на различных нсеи;елях кяФорка-ции. Вид. ферма и содерхз!"ие входных и выхедпяя док>'яе1!тев опре-деягялч 'прмагигнчхи документами. дсйствцв»цкк з топзграфо-гооде-зичосчом ппемзгодстве.

Вм<''ЯН!'е входмн.> д'я-.яя;' я^ тудахт в Л;!С П ^ ;;ч гэрактмв -нем ;:е;?дмо ряох свсдок ее: та гея измерений, прнтемс^мх и5 пд:;;кт. зид я 'роумл потерях мзкеяма.пзно приодихена к стандартным с дамкам:

пункт г асд^сРче; кей с.-:ти;

знак нивелир ¡ей сети:

гат-тлог координат ■ еедеапческих пунктов;

клтгиг остронемкч"с:'их п"нхт ¡в и азихепез;

каталог вдеот ч^оя V. реперов;

еииема планозях координат;

сиег°.м вясот:

'.дедки егдог. м.я! направления:

сводки зенитям;- р.я:с горний иди "оспя-адьь^х углов;

список базисов, базисных сторон к длин линий:

список азимутов:

ведомости элементов приведения;

полигонометрические ходы;

геодезические приборы;

типы центров и реперов:

кроки и описание места положения пунктов или знаков. Вся вводимая информация растекается по соответствующим Файлам т.сШГ обьекта. АИС ГС позволяет в интерактивном режиме просматривать и корректировать содержимое ойьекта. как в форме сводок результатов измерений на каждом пункте, так и в форме полей записей файлов +.сМ обьекта.

Внутренние данные хранятся в файлах *.сМ--БГД, которые создает и обрабатывает ЙИС ГС, опираясь на СУБД и логическую структуру базы геодезических данных (ЛСБГД) (табл.1).

Таблица 1

Перечень файлов, входящих в ЛСБГЛ. и их назначение

: имя тип назначение

: 1 2 3

аьг Файл, описывавший пункты по классификатору

kl.punkt.dbf

рипИ (М Файл общей информации о пунктах

аЬт-1 б Файл, содержащий абрисы пунктов

ше2Со_р Файл, содержаний описание местоположения

пунктов

ХУ ЙЬГ Файл координат пункт

ег.эсого ЙЬГ Файл групп сторон на пунктах

гЪзгопа ЙЬ1 Файл сторон на пунктах

егпарг >зь г Файл групп направлений на пунктах

па рг аьг Файл направленна на пункта:

8гигпарг <М Файл групп уравненных направлений на нчнктах

игпарг ёЫ Файл уравненных направлений на пунктах

гггепН сМ Файл групп зенитных расстояний, вертикальных

углов на пунктах

иео 1 Файл зенитных расстояний и вертикальннх углов

: 1 г 3

на пунктах

ргеи ЙЬГ Файл превышений на пунктах

аг.Ьаг (М Файл азимутов и базисов на пунктах

сеп!ег <м Файл центрировок на пунктах

гейикс! <м Файл редукций на пунктах

хой ЙЬГ Файл ход

1геиво1 <м Файл треугольников на пункте

ро1из <м Файл полисов на пункте

рипкЛ.^ Файл,описывавший информацию на пунктах

аШрз <м Файл эллипсоидов

уега Файл стандартных весов для плановых сетей

уега(1 ЙЫ Файл стандартных весов для высотных сетей

к1..215 ЙЬГ Файл систем координат

<м Файл системы высот

к1_Ъу1п <м Фай." типов приборов

к!_дг1п йЫ Файл групп приборов

1пзи1 <М Файл характеристик приборов

1пзЬг2 Файл приборов

1пзЬгЗ <м Файл численных значений характеристик

приборов

к1_к!азз <м Файл классов пунктов плановой геодезической

сети

к1_к11] (М Файл классов пунктов высотной сети

к I _рипкЬ (М Файл типов пунктов по построению

к1_гпак <М Файл типов знаков

оЬ]ес!_и ЙМ Файл описания объектов

ЕаШоЬЗ <М Файл, описывавший пункты, относящиеся к

каждому объекту

к1_сеп1г Файл типов центров

сеп1г_дг сМ Файл описания групп типов центров

р2С <М Файл, содержащий чертежи центров

эоо^ (М Файл соответствий номенклатурных NN

центров по альбомам 1945г и 1978г

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

зависело от количества пунктов обьекта, обьема информации на пунктах, а также от числа объектов в базе данных. Для этого в ЛСБГД создан файл полноты информации на каждый пункт рипМ-Г.<М, в котором указывается, какая информация существует на данном пункте, в каких файлах *.(М 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 *.<1ЬГ без прямой фильтрации этих файлов. Обращение к файлу punkt.-f.dbf 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. Иня пункта не нужно путать с названием пункта, которое вводится самостоятельно. Имя пункта задается пользователем. может совпадать с названием пункта, но должно быть уникальным, а внутрисистемный номер пункта АИС ГС присваивает какдоку пункту автоматически, и он. такие как и имя. уникален. Все файлы ЛСБГД связаны между собой только через внутрисистемные нскера пунктов. И только файл аа!поЬЬ<М содержит номера всех объектов, внутрисистемные номера пунктов и 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 аа1поЬ].сМ, рипкЬ_Г. (М. дгпарг.<Ы, парг.йЫ", из которой она хорошо видна.

Таблица 2

Структура файлов па!поЬ1.<М, punkt._f.dbf, grr.3pr.dbf, парг^ЬГ.

:и«я поля тип Формат назначение :

: 1 2 '3 _ _ г ;

аа!поЬ] поМес! припМ 1еу рш1к1_Г аы число число символ :Файл, описывавший пункты, относящиеся :к каждому объекту 4 :Номер объекта 6 ¡Внутрисистемный номер пункта 15 :Имя пункта .-Файл, описнвавдйй информацию на пунктах

ЛИ-

: 1 2 3 : 4

пригМ число 6 ¡Внутрисистемный N пункта

огр число 1 ¡Количество ОРП на пункте

гпак число 1 .•Количество стенных реперов.марок на

¡пункте

эепЬг число 1 ¡Количество снесенных центров на пункте

п_рип№ число 6 ¡Я записи в ршМ.йЬГ для данного пункта

п_ша!п число 6 :К записи в иат.р.ёЬГ для данного

число ¡пункта

ху число 1 ¡Наличие координат на пункте

п_ху число 6 ¡И записи в ху.сМ для данного пункта

Ь число 1 ¡Наличие геодезической высоты на пункте

з(;ог число 1 ¡Наличие сторон на пункте

б1ог_Ь число б записи,в вг.э^гсмМ-начала

:" цепочки" для данного пункта

310г_8 число 6 ¡К записи в йг_51ого.(1ЬГ-конца "цепочки"

¡для данного пункта

ип_з1ог число 1 ¡Наличие "обратных" сторон на пункте

и_г1ог_Ь число 6 записи в з1;огопа.(М-начала "цепочки"

¡для данного пункта для "обратных" изме-

нений

и_зЬог_е число 6 :Н записи в з!;огопа.(М-конца "цепочки"

¡для данного пункта для "обратных" изке-

: рений

агЬаг число 1 ¡Наличие азимутов и базисов на пункте

агЬаг_Ь число 5 записи в аг-Ьаг.йЬГ-начала "цепочки"

¡для данного пункта для "прямых" изме-

нений

агЬаг_8 число 6 ¡И записи в аг_Ьаг.(М-конца "цепочки"

¡для данного пункта для "прямых" изме-

нений

ип_агЬаг число 1 ¡Наличие "обратных" азимутов и базисов

¡на пункте

и-агЬаг_Ь число 5 ¡К записи в аг.Ьаг.сМ-начала "цепочки"

¡для данного пункта для "обратных" изме-

нений

: 1 2 3 ' : 4 :

и_агЬаг_е ЧИСЛО 6 записи в аг_Ьаг.<М-конца "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

рГвУ ЧИСЛО 1 .•Наличие превышений на пункте

ргеи.Ь ЧИСЛО 6 записи в ргеу.сШГ-начала "цепочки" :для данного пункта для "прямых" измерений

ргеи_е ЧИСЛО 6 записи в ргеу.<М-конца "цепочки" :для данного пункта для "прямых" измерений

ип_ргеу ЧИСЛО 1 :Наличие "обратных" превышений

и_ргеу_Ь ЧИСЛО 6 записи в ргеу.(М-начала "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

и_ргеу_е ЧИСЛО 6 :К записи в ргеу.сШС-конца "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

парг ЧИСЛО 1 :Наличие групп направлений на пункте

парг_Ь ЧИСЛО 6 записи в егпарг.сМ-начала "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

парг.е ЧИСЛО 6 записи в дтпарг.йМ-конца "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

ип_парг ЧИСЛО 1 ¡Наличие "обратных" направлений на пункт

и_парг_Ь ЧИСЛО 6 записи в парг.<М - начала "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

и_парг..е число 6 записи в парг.сМ - конца "цепочки" :для данного пункта для "обратных" изменений

¡тар г число 1 .•Наличие групп уравненных направлений :на пункте

ипарг.Ь число е :Н записи в егигпарг.<1ЬГ-начала"цепочки" :для данного пункта для групп измерений

ипарг.е число 6 •.И записи в бгигпарг .(М-конца "цепочки" :для данного пункта для групп измерений

: 1 2 3 4 :

uruunapr :число 1 Наличие "обратных" измерений на пункте

ц.цпарг_Ь число 6 N записи в urnapr.dbf-начала "цепочки"

для данного пункта для "обратных" изме-

рений

u.unapr_8 .число 6 N записи в urnapr.dbf-конца "цепочки"

для данного пункта для "обратных" изме-

рений

zenit число 1 Наличие зенитных расстояний и вертикаль

ных углов на пункте

zenit.b число 6 f( записи в grzenit.dbf-начала "цепочки"

для данного пункта для групп измерений

zenit.e число 6 N записи в grzenit.dbf-конца "цепочки"

для данного пункта для групп измерений

un_zenit число 1 Наличке "обратных" зенитных направлений

на пункте

u.zenlt_b число б Н записи в ugol.dbf-начала "цепочки"

для данного пункта для "обратных" изме-

рений

u_zenit_e число 6 N записи в ugol.dbf-конца "цепочки"

для данного пункта для "обратных" изме-

рений

centr число 1 Наличие центрировок на пункте

rucentr число 6 N записи в файле center.dbf-начала

S-centr число 6 N записи в файле center.dbf-конца

redukci число 1 Наличие редукций на пункте

n.redukci число 6 N записи в файле redukci.dbf-начала

e,redukci число 6 N записи в файле redukci.dbf-конца

grnapr т Файл групп направлений

ngr число 2 N группы направлений

npunkt число 6 Внутрисистемный N пункта стояния

adres-gr число 6 N записи для последующей группы на

этом пункте в grnapr.dbf

adres-n число 6 N записи в napr.dbf, с которой на-

чинаются записи для данной группы

: 1 2 3 4 :

поиег число 4 Тип прибора по классификатору ¡П5(;Г2.<М

рг1еа число 2 Количество приемов

ко1парг число 2 Количество направлений в данной группе

ско1 число 7. 4 С.К.О. из одного приема С")

ско2 число 7. 4 С.И.О. из п приемов (")

с!аЬа 1 дата 8 Дата начала наблюдения группы(дд/мм/гг)

рг!гпак число 2 Признак приведения (10-изнеренная, 20-сферическая.ЗО-плоская Л1-10+С.21 -20+С, 31-30+С, 12-10+С+К,22--2СчС+!2. 32-30гСШ

п.Ьуре число 2 N типа группы направлений по классификатору к1-рипк1.сМ

Ь число «т /. А "4 Высота верха визирной цели знака (м)

М число 7. 4 Высота горизонтальной оси инструмента^

МаЫе число 7. 4 Высота столика (м)

дата е Дата окончания наблюдения (дд/мм/гг)

гйГгаксу число ?. 4 Коэффициент горизонтальной рефракции

поаег.г СКйВОЛ 15 Заводской номер прибора

число 8. 4 Значение характеристики N4 из inst.rl.db прибора с номером=Н0КЕЯ из inst.r3.dbf

парг .(М Файл направлений

припМ число 6 N пункта-станции из файла дгпарг. с!ЬГ

аег число 2 N группы, к которой относится данное направление

лр2 число 6 Внутрисисгекяый N смежного пункта

мгег. ег число 6 N записи в дгпагр.йЬГ, в которой содер-аится информация о данной группе

&ЙР85_П число 6 N следующей записи в парг^ЬГ, р которой пункт ИР2 выступает как сменный

вгрг число 12. 4 Измеренное значение исправления (гпнисс.сссс)

с число 10. 4 Поправка за центрировку (")

г число 10. 4 Поправка за редукцию (")

зГега число 8. 4 Поправка за переход с эллипсоида на

Таблица 2(продолжение) 4 :

ик1оп

ипо

ид1

пк1а5Эр

шы

ге1'_р

р_рг!гпа

число число число

число

число

число символ

8. 4 8. 4 8. 4

8. 4 1

плоскость с")

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

Признак: нестандартная г (1 или 0) Поправка за горизонтальную рефракциюС") Признак наличия поправок: ЙВС0ЕЕ£Н (обозначение битов слева направо) й -наличие поправки эа центрировку

(1 или 0) В -наличие поправки за редукции (1 или 0)

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

Е -наличие поправки за высоту наблюдаемой цеди (1 или 0)

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

Й -наличие поправки за горизонтальную

рефракцию (1 или 0) Н -не используется

Информация, представленная в ЛСБГД, ее форматы, и тип форматов призваны обеспечить хранение исходной и обработанной информации в принят::/, единицах измерений, а также решение . максимально возможного числа информационных, производственных, научнс-прсиз-водстзешшх, асичнкх. исследовательских и учебных задач, как по точности, так и по разнообразию. Причем, по точности Форматы ДСБГД чпреидают потребности производства на порядок.

Обрабатывающие функции ЙИС ГС реализуются комплексом, обеспечивающим решение полного перечня задач, составляющих содержание всех этапов обработки геодезических измеренийСпредварительной, 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 а/естиградусных зонах Гаусса-Крвгера. Все информационные и вычислительные функции АИС ГС могут выполняться над отдельным объектом или совокупностью обьектов, над любой совокупностью пунктов или элементов сети одного или нескольких обьектов.

В 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 обьектами 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.

Лля обьектов обработки предусмотрены следующие процессы: вычисление приближенных координат; вычисление поправок в направления за центрировку: вычисление поправок в направления за редукцию; вычисление 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 в 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 плоски* 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 угла 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 мояет выстраивать в любую повторяемую последовательность, которую можно закрепить за объектом обработки. Если пользователь не определяет порядок обработки для объекта, 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 Функция АИС ГС.

В обоих режимах 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 реиения уравнений поправок или систем нормальных уравнений, среди которых особое место занимает метод и алгоритм рекуррентного уравнивания Ю.И. Маркузе. С точки зрения метода наименьших квадратов все методы дают абсолютно одинаковые результаты. Функция уравнивания плановой и высотной сети в АИС 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 зарубежными математиками Г.И. Марчуком, В.И. Воеводиным. В.П. Ильиным, Л. Хейгманом, Л. Янгом, а такие геодезистами H.H. Быковым. Г.Н. Ефимовым и другими. Б представленной работе автором выбран этот метод, во-первых, из-за возможности компактного представления матрицы уравнений поправок в памяти ПЭВМ, 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 вычисления 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 основа минимизации квадратичной Формы kosho записать в следующем виде

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

F(u)=(u,Au)/2-(b,u).

(1)

Поскольку

F( u )=F(H)t-( (u-TD.Atu-H) )/2,

(2)

и„ -произвольное начальное приближение.

fi+f/ 14 Ч I W , « 1

u =u + А,р . 1=0.1 — г'1-1 , если 1=0.

(i*<) U)

tli , (i-O . , о

г + otLc . 1 = 1,2.

r(i) =b-Au(U, 1=0.1.

(3)

Сг'".Аса-°)

Л;= -:-г—. 1=0.1....

(с<0,йсс°)

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

[ руу ] = £ р (а.„ ах„ +а1г а у +... и +а.!в дуг„ +1. ) =в1 п. (4)

или

tpvv]=t ДХ.АТр fiM)/2+(flTP L. ДХ)=л!п. (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:

х„ ->1, у2 ->2..... хги_->2п-1. у2л ->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 может быть представлена следующими векторами: nip, at, bl, npp, a2, Ь2, 1 размерности k, где

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

Ц =>/р!Ц-свободный член i-ro уравнения поправок, умно-венный на корень из веса.

at; = Tpi al^ ■ biL = Jp[ bi-L.

a2i = VpT a21 , b21 = TFT b2-t-

коэффициенты i-го уравнения поправок для пунктов nip и прр соответственно. Обозначим рабочие векторы размерности п через гх, 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=—i

do 1 1=1,oxy x(i)=0.d0 y(i )=0.d0 rxcn-O.dO ry(i )=Q.d0 apxl(i)=0.d0 apylCi )=0.d0 pxiC i ) = 0.d0

1 pylU)=0.d0

2 kb=kb+i lf(kb.gt.2*oxyJreturn pvv=0.d0

с вычисление c<i по формулам (3) aa=0.d0 bb = 0.dO

lf(kb.ne.O)then do 3 1=1,oxy bb=bb+rx( i )*apxl( i) bb=bb+ry(i )*apyl(i) aa=aa+pxl(i)*apxl( i)

3 aa=aa+pyl(1 )*apyl(i) alf=-bb/aa

do 4 i=l,oxy

pxl( i )=rx( i )+alf*pxl( 1)

py1Сi) -г у Сi )+alf*pyl(1)

rx(i ) = 0.d0

ryei ) = 0.d0

apxl(i )=0.d0

4 apyl(l)=0.dQ endlf

с вычисление суммы Сруу] и векторов с исключение из уравнений поправок поправки за ориентирующие с углы

12 йо 5 1=1.кур

1£(кпдиеч.0)кпв= 'Г.

ог.оуС1).ед.'2').апй.кпдЪ.ед.О)ЪЬеп

[ШоуСП.еч. ¿о 6 5=1.кпд га2(] )=0.й0 бЬ2(I )=0.с10 и=оу(1 ) Ьпрр(1 )=п1рС1) кпд= 1

йо 7 1=1.1+100 {ПоуШ.пе.и^оЬо 8 кпд=кпв+1 1прр(кпд)=прр(5) загс 1) = эа2(1 )+а1С 5) эЬ2С 11 = эЬ2с 1 )+Ы( ]) йа2С кпб )=эа2с кпв 1+а2С]) бЬ2с кпв ) = бЬ2С кпд )+Ь2С]) $кпд=кпд йо Э 3=1,кпг эа2(] )=эа2(} )/зкпд эЬ2( ] )=гЬ2( ] )/зкпе етШ

¡Ккпдиед.О.апй.кпд.пе.О )кп§1=кпд (6)

11=п I р( 1)

¡р=прр(1)

га 1=а 1С1)

гЫ=Ы(П

га2=а2С1)

гЬ2=Ь2(П

1 ГСкпдЪ.еч.О )ЪЬеп

г 1 =га1 *хс ¡1 )+гМ*.у( П )+га2+хС ¡р)+гЬ2*у( 1р)-ь1С 1; г2=га1*рхК ¡1 нгЫ*ру1( II )+га2*рхИ 1р)+гЬ2*руИ 1р) еЬе

кпд1=кпдЬ-1 1=кпд-кпд1+1

г 1 = (га 1 -эа2с 1 л*х( П )КгЫ-гЬ2с 1 ))*у( П) + !(1) г2=Сга1-за2( 1) ЬрхК 11)+(гМ-эЬ2( 1) НруК 11)

6

9

гl=rl+í ra2-sa2Ct))*x(ip)+( rb2-sb2(t))*y(íp ) r2=r2+(ra2-sa2(t ) )*pxl(ip )+(rb2-sb2(t) )*pyi(ip ) do 10 1=2,kng Ifс j.ne.t)then

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

10 continue endlf

pvu=pvv+rl*rl rxí 11 )=rx( 11 )+ral*rl ry( il )=ry( il )+rbl*rl rx(ip )=rx(íp )+ra2*rl rycip )=ry(ip)+rb2*rl apxU il )=apxl(il )+ral*r2 apyl(il)=apyl(ll)+rbl*r2 apxlí ip )=apxl( ip)+ra2*r2 5 apylc ip )=apyíc ip)trb2*r2 if(npr.eq.0)then npr = l

do 11 i=l,oxy pxlt i )=rx( i ) pyl( i )=ryC i ) rx(i ) = 0.d0 ry(i ) = 0-dO apxK i )=0.d0

11 apyl(i )=0.dO goto 12 endif

с вычисление Л-спо Формулам (3) aa=0.d0 bb=0.d0 do 13 l=l,oxy bb=bb+rx( i )*pxi( i ) bb=bb+ry(i)*pyl(i) aa=aa+pxi(i)*apxl(i) 13 aa=aa+pyl(i)*apyl(i ) lam=bb/aa do 14 Ы.оху

-24-

x( i )-х( i Mantpxlc i) 14 v( i )=y( i MamtpyU i) goto 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 al, М, 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.

Для вычисления весов Функций по формулам

[ руу 3

f2 f2 +.. .+2fa l2n q12n

п ЧгВ2л

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

Рассмотрим вычисление весовых коэффициентов в АИС ГС на примере первой строки обратной матрицы нормальных уравнений .

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

систему уравнений

<1ц 1м =1 I

d*, qM +...+йгг„о1ги=0 L . (8)

+ ...+d4níhq,4y, = 0 J

где D=ftTP fl. A

Поставим вопрос, какими должны Сыть свободные члены L 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.41] = 1. [а.2 П = 0... Да.П=0,

где ам ,а.г ,...а,а„ -коэффициенты уравнений поправок. Очевидно, что при подстановке уравненних координат в уравнение поправок ми получим:

L=U,

а также

[ам 1Ыа.4 v]=0. [а.г 1 Ыа.гvl=0____[а.г111Ыа.гоу]=0.

Необходимо добиться, чтобы

[а.ДЫам~]/о. [а.ДЫа.г~Ь0,..Да.глТЫа.2Ч~Ь0.

Для этого возмутим уравненное значение первой координаты на величину х4=х^+1 и пересчитаем свободные члены уравнений поп-равок_и нормальных уравнений. Нетрудно показать, что в результате получим

(а.4 1 Ыам ач]. Са.г 1 Ыа,4 а.г],... [а.г^ГЫам a.2ll].

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

-26-

=-1. 13г =0.....ахаь., = 0. луг„ --0.

что к следовало ожидать. Реким эту систему уравнений поправок безусловной минимизацией методом сопряженных градиентов (6) или систему нормальных уравнений, что эквивалентно. При этом возмущенная переменная х4 -х^ +1 будет зафиксирована как исходная. Тогда система примет такой же гид, как и исходная система нормальных уравнений, но без первой строки и первого столбца и с правыми частями

[з,Л а,г 3, [а.^ а.^ 3,..Лэ„| а.1м3

размерности 2п-1. Ь результате получии новый вектор уравненных координат Т размерности 2п-1 и вектор поправок и к измеренным, величина;,:. Вектор поправок удовлетворяет следующим условиям

[а.г'у3=0. [а.3'у]=0,..Ла.г1^]=0

и

Сам3,,.

Разделив каждый компонент вектора'и на величину [уу]., , подуши вектор свободных членов Ь уравнений поправок, которая обладает искони» свойством

[а.Ды, [а.аТ] = 0... Ла.2Т]=0,

откуда следует, что

.....^^л^3^3--

а та!: кг к (к,--::,, )=1 по построении, то

а=1/Гуу],. (! 0

А

Следомтельно, ¡входе безусловны;: минимум суммы квадрате;-уравнений пилраеск методом сопряженных градиентов (5; со свооод-ннм.1 члена'::: ¿^ .....ам и при условии, что порьай пере-

менная >:л очагт считайся исходной. в результате нагш;|. по-

-27^ ^

вый вектор уравненных координат X и сумму [уу] , а по формулам (9) элементы обратной матрицы

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

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

- уравнять исходную систему уравнений поправок (4) со Сйободники членами .....безусловной минимизацией методом сопряженных градиентов, считая при зтзи I-ый компонент вектора X исходным, что равносильно реыению исходной систем.; нормальных уравнений, но без I- ой строки и I- го столбца и с правыми частями [а.-ь а м ],..Да.£, а.;.,,] Да.£. а.¿+1].....[а.^ а.гп3.

В результате получим новый вектор уравненных координат X , сумму [уу]^ и по формулам (8) 1- уи строку обратной матрицы системы нормальных ур^-шений как

«ЧГ^-*« .....Ш)

а так какТ^ -х;_ =1. или -у^ в зависимости от того, 1-чктног или нечетное будем иметь

(12)

Данний метод позволяет постепенно накапливать ?ессвне коэффициенты по мере вычисления весов функций и весов координат. 3 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, осуцествляется по запросам пользователя посредством удобных мене и подсказок по стандартным формам документов. 3 качесте выходных данных могут выступать все входные данные и результаты растения всех геодезических задач, яолученнуе в процессе обработки информации обьектз: 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 АИС ГС, являюиаяся 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 АИС 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 АИС 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 А.А..Полещенков В.П., Абрамович Б.Л.//Проблемы автоматизации топографо-геод' ических и картографических работ: Матер. Всесоюзн. науч.-техн. конф. .Новосибирск, май 1981 г. -М. 1982, с.88-91.

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

3. Изучение деформации городских территорий на базе городского геодезического кадастра/ Полещенков В.Н., Яшкин Л.11.//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.. Полещенков В.Н.//Автоматизированная информационная система крупномасштабная: Сб. науч. тр. НИИПГ.-М.:ЦНИИГАиК,1991.-Вып.14, с.34-3?.

5. Программное обеспечение технологического процесса решения инженерно-геодезических задач на ЦМР/ Полещенков В.Н., Супру-ненко М.Я.//Автоматизированная информационная система крупномасштабная топографическая: Сб. науч. тр. НИИПГ.-М.:11НИИГАиК. 1991. -Вып.14. с.45-4?.

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

наземних измерений при создании кадастровых планов/ Лвбнвая Л.С., Полещенков В.Н.//Вестник Сибирской государственной геодезической академии: ССГй.-Вып. ¡.-Новосибирск, 1995, с.60-63.

Лицензия ЛР N 020461 Дата выдачи 04.03.1992г.

Подписано в печать 1996г.

Обьеа 1.9 печ.л., 1.8 уч.-изд.л. ЗаказИТира» 100

630108. Новосибирск. 108. Плахотного. 6. РИ0. КПД СГГй