平差演算法為測量及空間資訊學處理多餘觀測的核心技術之一。本書透過矩陣代數論述間接觀測、條件觀測、混閤模式平差等。配閤著若乾簡例和附錄的說明,作者冀望能拉近理論與實際麵間的距離。
作者簡介
吳究
生於颱灣颱南市。於1974年畢業自成功大學土木碩士班測量組;1986年在德國漢諾威大學攝影及工程測量係取得工學博士。後於1987年任職於中央大學;教授重點科目,計測量平差、衛星導航等。
序
一、前言 1
二、矩陣代數 2
2.1 定義 2
2.2 運算規則 3
2.2.1 內積和外積 5
2.2.2 二次形 6
2.3 誤差傳播 7
2.3.1 機率和期望值 7
2.3.2 協方差傳播定律 10
習題 11
三、間接觀測平差 13
3.1 估計式 13
3.2 交會間接平差 14
3.3 平差效能 16
3.3.1 加權平均值 16
3.3.2 參數之相關 18
3.4 可靠度 20
3.5 粗差偵測 25
習題 27
四、條件觀測平差 28
4.1 估計式 28
4.2 幾何約製 29
4.2.1 角條件 30
4.2.2 邊條件 31
習題 32
五、混閤模式平差 33
5.1 觀測及參數 33
5.1.1 參數解答 33
5.1.2 方差分量估計 37
5.2 代數與幾何 38
5.2.1 正交投影 39
5.2.2 投影算子 40
5.3 差分組閤 41
習題 43
六、雙方程組平差 45
6.1 逐次平差解 45
6.2 最小約製 48
6.2.1 內約製平差 52
6.2.2 網形平差 53
習題 54
參考文獻 55
附錄、知其然與所以然 58
A 坐標之運算 58
A.1 餘弦函數與內積 58
A.2 行列式與麵積 59
B 趣味式子 61
C 觀點與演算法 62
D 乘子與固有值 63
D.1 正交方陣 64
D.2 誤差橢圓 66
E 逆陣公式 68
F 習題簡答 69
索引 72
自序
一而再、再而三地,從念頭麵、需求麵的招呼乃至可用教材的供應,促成瞭本測量平差書齣爐。土木係準予開課,若乾學生流露齣好奇,加上盡量顧及說服力等,這些因素多少影響章節排版和內涵深淺度。
通常,測量平差係指以最小二乘法對有多餘觀測的數據組,進行適應加權處理,除估計參數與精度外,亦評量整體的可靠度。由簡入繁,平差法應用的範圍雖然很廣,卻不離矩陣代數。於剖析間接觀測、條件觀測與混閤模式平差之際,理論和代數推導佔絕大部分;數值僅呈現於簡例中。
充其量,本集可供大專院校測量及空間資訊同業後進和前輩參考之用;離教科書尚遠,遑論國際接軌。Gauss的名言:稀少卻成熟(Few but ripe);摘為勉勵語。筆者感謝經費贊助者的慷慨,審查者所賜的意見,與傢人的愛心。
(一) 拿到《測量平差》這本書,真是有點意想不到的驚喜。我本來以為這會是一本枯燥到傢的教科書,畢竟“測量”這個詞本身就帶著一種技術流的嚴肅感,而“平差”更是聽起來讓人一頭霧水。但翻開第一頁,就被那種嚴謹又透徹的文字吸引住瞭。作者不是那種堆砌公式、讓你看瞭就想打瞌睡的學者,而是用一種很生活化、很能引起共鳴的方式來講解。比如,在講到誤差的來源時,他會舉很多生活中的例子,像是量一個房間的長度,你用捲尺量的三次,可能三次結果都不一樣,這看似小事,背後卻牽扯到測量誤差的概念。他花瞭很大篇幅去解釋,為什麼會有誤差,誤差是怎麼産生的,從儀器本身的精度問題,到操作人員的疏忽,甚至是環境因素的影響,都講得條條是道。而且,他並沒有止步於理論,而是花瞭大量的篇幅去介紹如何通過各種統計方法來處理這些誤差,讓測量結果更加可靠。特彆是關於最小二乘法的講解,真是讓我茅塞頓開。以前覺得這東西高深莫測,但作者用圖文並茂的方式,一步步地引導我們理解,為什麼最小二乘法能夠“最好的”去擬閤數據,找齣最可能接近真實值的測量結果。書中的案例也很多,不是那種空泛的理論推導,而是結閤瞭實際工程的例子,比如我們蓋房子,需要精確測量地基的尺寸,哪裏有一點點偏差,都可能導緻整個建築的質量受到影響。這本書就像一位經驗豐富的老師傅,帶著你一點點揭開測量平差的神秘麵紗,讓你不僅明白“是什麼”,更理解“為什麼”和“怎麼做”。即使是對於一些初學者來說,這本書的邏輯性也非常強,從基礎的概念講起,循序漸進,一點點地建立起對測量平差的認知體係。我個人覺得,對於很多從事工程、建築、地理信息等行業的專業人士來說,這本書絕對是案頭的必備。它的實用性,加上作者的講解功力,真的很難得。
评分(三) 當我開始閱讀《測量平差》時,我內心是抱著一種既期待又略帶忐忑的心情。期待的是,我希望能夠係統地學習這項重要的工程技術;忐忑的是,我擔心這會是一本晦澀難懂、充斥著繁復公式的理論書籍。然而,當我深入閱讀之後,我的顧慮完全被消除瞭,取而代之的是深深的贊嘆。作者的敘述方式非常獨特,他將測量平差這門看似艱深的學科,變得生動有趣,而且極具邏輯性。在開篇的部分,他並沒有直接切入復雜的數學模型,而是從“為何要平差”這個問題入手,探討瞭測量的本質——即人類在認識和改造自然過程中,對空間信息的量化需求,以及這種量化過程伴隨而來的不確定性,也就是我們所說的“誤差”。他用瞭很多貼近生活的例子,比如測量房間的長度,用皮尺量三次,結果可能三次都不一樣,為什麼會這樣?書裏就詳細地分析瞭這些誤差的來源,從儀器本身的精度限製,到操作人員的細微抖動,再到環境因素的變化(比如溫度導緻皮尺膨脹或收縮)。更重要的是,作者花瞭大量篇幅去講解如何“評估”和“控製”這些誤差。他並沒有將最小二乘法神化,而是將其置於一個更廣闊的統計推斷框架下進行闡釋,讓我們理解為什麼它是一種“最優”的解法,而不是唯一的解法。書中對於誤差的傳遞和纍積的講解,更是讓我眼前一亮。他用清晰的圖示和簡潔的文字,解釋瞭在一個多步驟的測量計算過程中,初始的測量誤差是如何一步步影響最終結果的。這對於實際工程中評估測量精度至關重要。我特彆欣賞書中對“精度”和“可靠性”這兩個概念的區分和強調。很多時候,我們容易混淆這兩者,而作者則通過具體的例子,讓我們明白,高精度並不一定意味著高可靠性,反之亦然。這本書不僅有理論深度,更充滿瞭實踐指導意義,許多章節都結閤瞭實際工程案例,比如道路測量、橋梁定位等,這些案例的引入,讓抽象的數學公式變得有血有肉,更容易被理解和應用。
评分(二) 《測量平差》這本書,讀起來就像是在和一位對這門學問瞭如指掌的大傢在對話。我之前對測量平差的概念一直有些模糊,覺得它就是一些數學公式的堆砌,但這本書徹底改變瞭我的看法。作者在書中花瞭相當大的篇幅去闡述測量數據的“可靠性”和“精度”問題。他用非常形象的比喻來解釋,為什麼即使是最高精度的儀器,也會産生誤差,而這些誤差並非我們想象中的那麼隨意,它們往往遵循一定的規律,可以被量化和控製。書中對於各種誤差的分類和分析,比如粗差、係統誤差和隨機誤差,講解得非常透徹。他會告訴你,如何通過一些初步的檢驗來剔除那些明顯不閤理的測量值,這就像是在剔除雜質,讓我們的數據更加純淨。然後,對於那些無法避免的隨機誤差,他則詳細介紹瞭各種統計方法,尤其是最小二乘法的應用。我印象深刻的是,作者並沒有直接拋齣復雜的公式,而是先從幾何學的角度,解釋瞭最小二乘法“最小化殘差平方和”的原理,然後纔逐步引入其在測量平差中的具體實現。他會用圖示來輔助說明,比如一個點的位置,通過多次測量得到一組數據,而最小二乘法就是在這些數據點周圍,找到一個最“貼近”所有點的最佳位置。而且,這本書不僅僅是理論,它還提供瞭很多實際應用的案例。例如,在城市建設中,道路、橋梁的建設都需要極高的精度,任何一個微小的偏差都可能帶來嚴重的後果。作者通過這些案例,讓我們看到測量平差在保障工程質量和安全方麵的重要作用。他還提到瞭誤差傳播的概念,也就是說,一個測量點的誤差,可能會影響到後續測量計算的精度。這一點非常有啓發性,讓我意識到,測量平差不僅僅是單個數據的處理,而是一個係統性的工程。這本書的編排也很用心,每個章節都承接上一個章節,邏輯清晰,結構緊湊。即便是一些復雜的數學推導,作者也能用清晰的語言將其解釋清楚,讓讀者能夠理解其背後的含義,而不是死記硬背。
评分(四) 初次翻閱《測量平差》這本書,就被其獨特的視角和嚴謹又不失溫度的敘述風格所吸引。作者並非簡單地羅列公式和定理,而是如同引路人一般,帶領讀者一步步探索測量世界中的“不確定性”及其應對之道。在論述誤差的起源時,書中並沒有迴避那些看似微不足道的細節。從測量儀器的固有缺陷,到操作者主觀判斷的微小差異,乃至於地球的重力場變化、大氣摺射的影響等宏觀因素,作者都娓娓道來,讓我們深刻認識到,測量本身就是一個充滿挑戰的過程。他特彆強調瞭“隨機誤差”的不可避免性,並將其與“粗差”和“係統誤差”進行瞭清晰的區分,這對於初學者來說至關重要。理解瞭誤差的性質,纔能有效地進行後續的平差處理。書中對最小二乘法的講解,更是我學習過程中的一大亮點。作者並沒有直接跳到復雜的矩陣運算,而是先通過直觀的幾何解釋,比如在二維空間中,用一條直綫去擬閤一組散點,最小二乘法是如何找到那條“最閤適”的直綫,它所追求的是什麼。然後,纔逐漸引入其在測量數據處理中的具體應用,如何通過迭代計算,找齣最可能接近真實值的測量結果。這使得原本高冷的數學方法,變得生動易懂。我尤其欣賞的是,作者在書中穿插瞭大量的實際工程案例。無論是城市規劃中的地籍測量,還是大型工程建設中的結構定位,書中的例子都非常貼切,讓讀者能夠看到測量平差在現實世界中的價值和重要性。他還會討論到誤差傳播的規律,即一個測量環節的誤差,會如何影響到整個測量網絡的精度。這一點在復雜工程項目中尤為關鍵,因為一個小的失誤,可能會導緻整個項目的精度齣現不可接受的偏差。這本書的語言風格也很有特色,既有學術的嚴謹,又不乏人文的關懷。作者在講解過程中,常常會插入一些啓發性的思考,讓我們不僅僅是學習技術,更能理解這項技術背後所蘊含的科學精神。
评分(五) 拿到《測量平差》這本書,我感覺就像是發現瞭一扇通往精密測量世界的大門。這本書給我的第一印象是,它不是一本“高高在上”的學術專著,而是更像一位循循善誘的老師,用清晰易懂的語言,為我們剖析測量平差的精髓。作者在書中花費瞭大量篇幅去講解“誤差”的概念,而且他的講解非常細緻入微。他會從最基礎的測量原理講起,解釋為什麼任何一次測量都必然會産生誤差,這些誤差是如何産生的,並且將其細分為粗差、係統誤差和隨機誤差。對於隨機誤差,作者詳細介紹瞭它的統計學特性,比如正態分布的規律,這讓我對那些看似隨機的測量結果有瞭一個更科學的認識。然後,書中進入瞭“平差”的核心部分,即如何處理這些誤差,以獲得盡可能準確的測量結果。其中,最小二乘法的講解是我認為最精彩的部分之一。作者並沒有簡單地給齣公式,而是通過圖示和邏輯推導,讓我們理解最小二乘法“最小化殘差平方和”的數學思想,以及它在實際測量數據中的應用。他會舉例說明,為什麼我們需要通過這種方法來“擬閤”數據,從而得到一個最優的估計值。而且,這本書的實用性體現在其豐富的案例分析上。書中會穿插很多實際工程中的測量場景,比如建築物的標高測量、地形圖的繪製、地籍測量的精度控製等等。通過這些具體的例子,我們能夠直觀地感受到測量平差在保障工程質量、提高生産效率方麵的重要作用。作者還會探討誤差傳播的問題,也就是說,一個測量環節的誤差,可能會如何影響到最終的計算結果。這讓我意識到,測量平差是一個係統性的工作,需要考慮每一個環節的精度。這本書的結構安排也非常閤理,從基礎概念到復雜模型,層層遞進,邏輯清晰,即使是初學者,也能在作者的引導下逐步掌握測量平差的要領。
评分(八) 讀完《測量平差》這本書,我最大的感受就是,原來測量不僅僅是“量”,更是一門關於“估算”和“優化”的藝術。作者在書中將誤差這個概念進行瞭非常詳盡的闡述。他並沒有迴避測量中必然存在的“不確定性”,而是將其視為研究的核心。從宏觀的地球物理效應,到微觀的儀器性能限製,再到操作人員的主觀判斷,書中都深入分析瞭各種誤差的來源,並將其細緻地分類。例如,他會區分“粗差”的隨意性,“係統誤差”的規律性,以及“隨機誤差”的統計學特徵。這種對誤差的深刻理解,是進行有效平差的前提。書中對“最小二乘法”的講解,堪稱經典。作者並沒有一開始就拋齣復雜的矩陣公式,而是從直觀的幾何意義入手,解釋瞭“最小化殘差平方和”的核心理念。他會用生動的例子,比如用一條綫去擬閤一堆散點,說明最小二乘法是如何找到那條“最能代錶”這些點趨勢的綫的。這種由易到難、循序漸進的講解方式,讓我這個數學基礎不算特彆紮實的讀者,也能輕鬆理解其精髓。而且,這本書的實用性非常突齣。書中穿插瞭大量的實際工程案例,從建築施工中的精確放樣,到城市地理信息係統的構建,再到航海、航空中的導航定位,都展示瞭測量平差在現實世界中的巨大價值。他還會深入探討誤差傳播的問題,即一個環節的誤差是如何影響整個測量網絡的精度,以及如何通過優化設計來減小誤差的影響。這本書的語言風格也很有特點,既有學術的嚴謹,又不失對讀者體驗的關注,讓整個閱讀過程都充滿樂趣和收獲。
评分(七) 《測量平差》這本書,給我的感覺就像是在參加一場關於“精確”的深度對話。作者的敘述方式非常引人入勝,他沒有把測量平差寫成一本枯燥的公式大全,而是將它描繪成一門充滿智慧和挑戰的科學。在講解誤差的來源時,書中展現瞭驚人的細緻。從我們熟悉的捲尺可能存在的細微誤差,到高級測量儀器可能齣現的係統性偏差,再到大氣溫度、濕度對測量結果的影響,作者都一一列舉,並且用清晰的語言解釋瞭這些誤差是如何産生以及對測量結果造成影響的。這讓我意識到,每一次精準的測量背後,都隱藏著無數細微的因素在起作用。書中對“最小二乘法”的闡述,是我認為最為精彩的部分。作者並沒有直接給齣復雜的公式,而是先從直觀的幾何角度,解釋瞭“殘差平方和最小”這一核心思想。他會用圖示來展示,當我們試圖用一條直綫去擬閤一組散點時,最小二乘法是如何找到那條“最貼閤”所有點的綫的。這種由淺入深、由形入數的講解方式,極大地降低瞭理解門檻,讓我能夠真正理解最小二乘法的原理和優勢。而且,這本書的實用性也非常強。書中穿插瞭大量實際工程中的案例,比如在城市建設中,如何通過測量平差來保證建築物的精確位置和尺寸,如何通過地形圖的繪製來反映地錶的高低起伏。這些案例的引入,讓抽象的數學概念變得具體生動,也讓我們看到瞭測量平差在保障社會運行、推動經濟發展中的重要作用。作者還會探討誤差傳播的規律,以及如何通過一些手段來減少和控製誤差的纍積。這一點對於任何需要進行精確測量的行業都至關重要。這本書的整體風格非常平衡,既有嚴謹的學術深度,又不乏通俗易懂的講解,讓我受益匪淺。
评分(六) 《測量平差》這本書,對我來說,是一次關於嚴謹與精確的深入體驗。在拿到這本書之前,我一直認為“測量”就是簡單地用工具去丈量,而“平差”更是遙不可及的數學概念。然而,通過這本書,我纔真正領略到測量背後蘊含的科學智慧和嚴謹邏輯。作者在開篇就旗幟鮮明地指齣瞭測量誤差的普遍性和復雜性。他沒有迴避那些惱人的“不確定性”,反而將其作為研究的起點,詳細剖析瞭各種誤差的來源,從儀器本身的物理限製,到操作人員的細微疏忽,再到復雜的自然環境影響,都做瞭詳盡的闡述。這種深入的分析,讓我對測量中的“誤差”有瞭全新的認識,不再將其視為“錯誤”,而是測量過程中固有的、可以被理解和控製的屬性。書中對於“最小二乘法”的講解,絕對是點睛之筆。作者並非直接拋齣復雜的矩陣公式,而是先從直觀的幾何圖形入手,解釋瞭“最小化殘差平方和”的原理,以及為何這種方法能夠找到數據中最“閤理”的估計值。他會用生動的比喻,比如用一條綫去“穿過”一堆雜亂的點,而最小二乘法就是找到那條最能代錶這些點趨勢的綫。這種循序漸進的講解方式,讓原本晦澀的數學概念變得清晰明瞭。而且,作者在書中穿插瞭大量的實際應用案例。從宏觀的國傢大地測量,到微觀的建築工程定位,書中都提供瞭具體的例子,展示瞭測量平差在保障工程質量、提高生産效率以及精確描繪地球錶麵的重要作用。他還會深入探討誤差的傳播與影響,讓我們意識到,在一個復雜的測量係統中,每一個環節的精度都至關重要。這本書的語言風格也極具特色,既有科學的嚴謹性,又不失通俗易懂的魅力,讓讀者在學習知識的同時,也能感受到作者對測量學深厚的熱情和深刻的理解。
评分(十) 翻開《測量平差》這本書,我立刻被其獨特的視角和嚴謹的邏輯所吸引。作者並沒有將測量平差寫成一本乾巴巴的教科書,而是將其描繪成一門充滿智慧和探索的科學。在論述誤差的起源時,書中展現瞭驚人的細緻。他不僅分析瞭儀器本身的固有缺陷,還探討瞭操作人員的主觀判斷、環境的細微變化,甚至是地球本身的物理特性對測量結果的影響。這種全方位的誤差分析,讓我深刻認識到,每一次看似簡單的測量,都隱藏著無數復雜的因素。書中對“最小二乘法”的講解,絕對是本書的一大亮點。作者並沒有直接拋齣繁復的公式,而是先從直觀的幾何角度,解釋瞭“最小化殘差平方和”這一核心原理。他會用圖示來展示,如何找到一條最能“代錶”一組散點趨勢的直綫。這種由淺入深、通俗易懂的講解方式,讓原本晦澀的數學概念變得清晰明瞭,我能夠真正理解其精髓。而且,這本書的實用性非常突齣。書中穿插瞭大量的實際工程案例,從城市建設中的精確放樣,到地理信息係統的構建,再到國傢大地測量,都生動地展示瞭測量平差在各個領域的廣泛應用和重要價值。他還會深入探討誤差的傳播規律,以及如何通過優化設計來減小誤差對整體精度的影響。這一點對於任何需要進行精密測量的行業來說,都具有極強的指導意義。這本書的語言風格也極具特色,既有學術的嚴謹,又不失對讀者體驗的關懷,讓我在這個閱讀過程中,不僅學到瞭知識,更感受到瞭作者對測量學深厚的功底和熱情的傳遞。
评分(九) 《測量平差》這本書,給我帶來的不僅僅是知識的增長,更是一種對“精確”的全新認知。作者在書中沒有迴避測量中必然存在的“誤差”問題,反而將其作為研究的重點。他從最基礎的測量原理入手,深入剖析瞭誤差的來源,包括儀器自身的限製、操作人員的主觀性,以及環境因素的影響,並將誤差細緻地分為粗差、係統誤差和隨機誤差。這種細緻的分類,讓我能夠更清晰地理解不同類型誤差的特性,以及它們對測量結果可能帶來的影響。書中對“最小二乘法”的講解,是我認為本書最核心、最精彩的部分。作者並沒有直接給齣復雜的數學公式,而是先從直觀的幾何角度,解釋瞭“最小化殘差平方和”這一核心思想。他會用圖示來幫助我們理解,為什麼通過這種方法能夠找到一組數據中最“閤適”的估計值。這種由淺入深、循序漸進的講解方式,讓原本高深的數學理論變得觸手可及。而且,這本書的實用性極強。書中穿插瞭大量的實際工程案例,比如在建築、交通、測繪等領域的應用,這些案例的引入,讓抽象的測量平差理論變得具體生動,也讓我們看到瞭這項技術在現實世界中的重要價值。作者還會深入探討誤差的傳播規律,以及如何通過優化測量設計來提高整體精度。這一點對於從事任何需要精確測量工作的專業人士來說,都具有重要的指導意義。這本書的整體風格也非常平衡,既有學術的嚴謹性,又不失通俗易懂的錶述,讓我能夠輕鬆愉快地學習和吸收其中的知識。
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