蔣德興

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 610300）

0 引言

測量學(xué)中的所有計算既要保證公式的正確、正負(fù)符號的正確和計算單位的正確，同時又要保證計算精度達(dá)到要求，計算精度指的是計算量的準(zhǔn)確程度以及計算量的有效位數(shù)。如果計算量不正確就談不上準(zhǔn)確程度，如果計算量正確但有效位數(shù)不夠同樣也談不上準(zhǔn)確程度。本文就測量學(xué)中坐標(biāo)正算與反算的準(zhǔn)確程度以及有效位數(shù)的取位問題進(jìn)行了探討。

1 坐標(biāo)正算

坐標(biāo)正算，就是根據(jù)直線的邊長、坐標(biāo)方位角和一個端點(diǎn)的坐標(biāo)，計算直線另一個端點(diǎn)的坐標(biāo)。如下圖1所示，設(shè)直線AB的邊長為D，坐標(biāo)方位角為α，已知點(diǎn)A（起點(diǎn)） 的坐標(biāo)為（X、Y），則直線未知點(diǎn) B（終點(diǎn)）的坐標(biāo)計算如下：

圖1 坐標(biāo)正算

A、B兩點(diǎn)間的縱坐標(biāo)增量Δx=Dcosα①

A、B兩點(diǎn)間的橫坐標(biāo)增量Δy=Dsinα②

B點(diǎn)的縱坐標(biāo)X=X+Δx③

B點(diǎn)的橫坐標(biāo)Y=Y+Δy④

由公式①、②計算A、B兩點(diǎn)間的縱、橫坐標(biāo)增量Δx、Δy時，α一定要是已知點(diǎn)A到未知點(diǎn)B的坐標(biāo)方位角，如果是未知點(diǎn)B到已知點(diǎn)A的坐標(biāo)方位角α，那么一定要加或減180°變成已知點(diǎn)A到未知點(diǎn)B的坐標(biāo)方位角α。由于邊長D在工程上一般取三位，即精確到mm位，所以坐標(biāo)增量Δx、Δy也精確到mm位，位數(shù)取多了意義不大，位數(shù)取少了精度不夠。坐標(biāo)增量的正負(fù)取決于三角函數(shù)值的正負(fù)，而三角函數(shù)值的正負(fù)又取決于坐標(biāo)方位角所在的象限。當(dāng)坐標(biāo)增量為正時，其正號一般要求寫上而不要省略。

由公式③、④計算B點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)X、Y時，就不存在收舍了，已知點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)增量是幾位，未知點(diǎn)縱、橫坐標(biāo)就是幾位。

2 坐標(biāo)反算

坐標(biāo)反算，就是根據(jù)直線兩個端點(diǎn)的已知坐標(biāo)，計算直線的邊長和坐標(biāo)方位角。如下圖2所示，若 A、B為兩已知點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(X，Y)和(X，Y),那么根據(jù)三角函數(shù)，可以得出直線邊長和坐標(biāo)方位角的計算公式為：

圖2 坐標(biāo)反算

Δx=X-X⑤

Δy=Y-Y⑥

D=√[(x-x)+(y-y)]=√(Δx+ Δy) ⑦

tanα=(y-y)/(x-x)=Δy/Δx=K ⑧

α=arctan(K)+常數(shù) ⑨

常數(shù)與AB方向所在的象限有關(guān)，即與縱、橫坐標(biāo)增量的正負(fù)號有關(guān)，下表1列出了各個象限的常數(shù)值：

表1 象限常數(shù)表

由公式⑤、⑥計算A、B兩點(diǎn)間的縱、橫坐標(biāo)增量時，一定要用終點(diǎn)坐標(biāo)減去起點(diǎn)坐標(biāo)。對于水平距離而言，無所謂起點(diǎn)與終點(diǎn)，但對于方位角而言，必須分清楚起點(diǎn)與終點(diǎn)，如果計算的是AB方向的坐標(biāo)方位角，那么A為起點(diǎn)，B為終點(diǎn)。如果坐標(biāo)增量的大小沒有錯，而算錯了正負(fù)號，后面對距離的計算沒有影響，但對方位角的計算就有影響了，影響了方位角所在的象限。公式⑤、⑥在計算時無收舍，原本是幾位有效位數(shù)，其結(jié)果也取幾位有效位數(shù)。

由公式⑦計算邊長時，一定要注意根號下需要一對中括號，否則就沒有根號到第二項(xiàng)的值。計算結(jié)果一定有個取位問題，按照前面的敘述，已知坐標(biāo)是幾位，邊長就取幾位有效數(shù)字。

由公式⑧計算方位角的正切函數(shù)值K時，那么是否K也取與已知坐標(biāo)相同的位數(shù)呢？答案是否定的！我們在工程上通常說坐標(biāo)、邊長以及坐標(biāo)增量取三位有效數(shù)字就能保證精度了，但方位角的計算我們通常要求精度達(dá)到1″，在這里的正切函數(shù)值該取多少位呢？下面用數(shù)學(xué)中的微分方程來探討這個問題：

將公式⑧兩邊取微分得到：secα·dα/ρ″=dK

dα=(dK/secα)·ρ″=(cosα)dK·ρ″，式中ρ″=206265″。

為了討論K的誤差對α的最大誤差影響，不妨取cosα=1，下面列出表2。

從表2可以看出，當(dāng)K取到小數(shù)點(diǎn)后面五位時，K的最大誤差（dK）為0.000005，而α的最大誤差（dα）為1.0″。在工程上，方位角的計算我們通常要求精度達(dá)到1″，所以我們得出重要結(jié)論：為了使方位角反算的精度達(dá)到1″，正切函數(shù)值K必須取到小數(shù)點(diǎn)后第五位。我們再來回答開始提出的問題：顯然，如果函數(shù)值K也跟著坐標(biāo)取三位的話，方位角的計算誤差就有可能達(dá)到上百秒，這顯然不能滿足工程上方位角反算的精度達(dá)到1″的要求。

表2 方位角反算誤差表

文章的最后我要再次探討方位角的反算公式：公式⑨是利用反正切函數(shù)求方位角，事實(shí)上當(dāng)邊長已經(jīng)計算出來后我們還可以反正弦或者反余弦來求方位角，其公式如下：

由公式①可得到cosα=Δx/D，α=arccos (Δx/D)+常數(shù) ⑩

由公式②可得到sinα=Δy/D，α=arcsin (Δy/D)+常數(shù)

我們在實(shí)際工作中，通常利用反正切函數(shù)來求方位角，而不用反正弦函數(shù)或反余弦函數(shù)來求方位角，其理由如下：（1）反正弦函數(shù)或反余弦函數(shù)求方位角時，要利用邊長，而邊長是計算值，有收舍誤差。反正切函數(shù)求方位角時，不需要邊長，這樣就少了一次計算過程中的收舍誤差。（2）反正切函數(shù)求方位角時，對于任何方向的方位角計算，其計算過程中的收舍誤差都不會帶來較大的方位角誤差，而反正弦函數(shù)時，對于接近坐標(biāo)南北方向的方位角的計算，由于Δy的值很小，正弦函數(shù)值（Δy/D)不會因?yàn)榉帜傅挠嬎阏`差而帶來較大的誤差，這種情況下反正弦函數(shù)計算方位角會比較準(zhǔn)確，這時的Δx非常大，非常接近于分母的值（邊長），恰恰此時反余弦函數(shù)計算方位角的誤差會比較大；對于接近坐標(biāo)東西方向的方位角的計算，由于Δx的值很小，余弦函數(shù)值（Δx/D）不會因?yàn)榉帜傅挠嬎阏`差而帶來較大的誤差，這種情況下反余弦函數(shù)計算方位角會比較準(zhǔn)確，這時的Δy非常大，非常接近于分母的值（邊長），恰恰此時反正弦函數(shù)計算方位角的誤差會比較大。以下表3的數(shù)據(jù)為例我們進(jìn)行驗(yàn)證。

表3 方位角反算對比表

從上表3可以看出：對于任意的方向，反正弦、反余弦、反正切所得的方位角基本一致；對于接近南北的方向，反正弦與反正切所得的方位角一致，而反余弦所得的方位角就與之相差較大；對于接近東西的方向，反余弦與反正切所得的方位角基本一致，而反正弦所得的方位角就與之相差較大。

3 結(jié)語

本文著重探討了坐標(biāo)反算中的取位和計算精確度的問題，并對方位角反算的三個公式作了對比，指出了其優(yōu)缺點(diǎn)。