Research Collection
Doctoral Thesis
Genauigkeitsuntersuchung der graphischen Triangulation
Author(s):
Kobelt, Karl Publication Date:
1917
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-000090528
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ETH Library
Genauigkeitsuntersuchung
der
graphischen Triangulation
Von der
Eidgenössischen Technischen Hochschule
in Zürich
zur Erlangung der
Würde eines Doktors der technischen Wissenschaften
genehmigtePromotionsarbeit
vorgelegt von
Karl Kobelt, dipl. Ingenieur
aus Marbach (St. Gallen)
Referent: Herr Prof. Dr. F. BAESCHL1N Korreferent: Herr Prof. Dr. M.OROSSMANN
177
ZÜRICH d 1917.
Diss.-Druckerei Gebr. Leemann & Co.
Stockerstr. 64,
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Meinen Eitern gewidmet.
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Inhaltsverzeichnis
Seite A. Genauigkeitsuntersuchung beim graph. RUckwärtseinschneiden.
Einleitung 7
I. Analytische Bestimmung der Punktgenauigkeit .... 9
II. Bestimmung der Konstanten mt 16
III. Graph. Bestimmung der Punktgenauigkeit 21
1. Methode (mit gebräuchlichen Zeichnungsinstrumenten) . . 21
2. Methode (mit Nomogramm) 22
IV. Punktfehlerkurveaplan 32
V. Zulässige Genauigkeit und Grenzkurve 38 B. Genauigkeitsuntersuchung beim graph. Vorwärtseinschneiden.
I. Analytische Bestimmung des mittleren Punkt fehlers ... 50
II. Punktfehlerkurvenplan 52
C. Der mittlere Ho'henfehler bei graph, eingeschnittenen Punkten.
I. Analytische Bestimmung des mittleren Höhenfehlers .
•
. . 53
II. Tabelle fur den mittleren Höhenfehler 61
III. Nomogramm für den mittl Höhenfehler 63
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A. Genauigkeitsuntersuchung beim graph. Rückwärtseinschneiden.
Einleitung.
Die pothenot'sche
Aufgabe
wird indertopographischen
Praxis fast durchwegs nach dem indirekten Lehmann'schen Verfahren mit Hilfe desfehlerzeigenden
Dreiecksgelöst.
Die
Genauigkeit
des aus dreigegebenen
PunktenA, B,
C rückwärts bestimmten neuen Punktes P hängt nicht allein von den Fehlernab,
welche durch Instrument und Beobachter ver¬ursacht
werden,
sondern dieHauptfehlerquelle liegt
im Probleme selbst. Je nach der Lage des Punktes P zu denAusgangspunkten,
undje
nach derLage
dieserAusgangspunkte
untersich,
wird die erreichbareGenauigkeit
eine andere sein.Sowohl bei der
indirekten,
als bei der direktenAuflösungs¬
methode machen sich in
jedem
Fall 2 Fehlereinflüssegeltend,
wenn auch in etwas verschiedener Form.
1. Je weiter P von den Punkten A,
B,
C entferntliegt,
umso schleifender werden sich die 3 Visurstrahlen bei der in¬direkten Methode
schneiden,
und umsoweniger
genau lassen sich beim direkten Verfahren die Zentren der 3 Konstruk¬tionskreise konstruieren!
2.
Liegt
P auf dem durch ABCgehenden Kreise,
oder in seiner unmittelbarenNähe,
so ist dieBestimmung
von P keineeindeutige,
oder eine ganz ungenaue. Die Ursacheliegt
in der nicht erkennbaren fehlerhaftenOrientierung
beim indirekten Verfahren und in zu schleifenderSchnittbildung
der 3 Konstruktionskreise bei direkter
Lösung.
Es ist somit in Rücksichtauf diese
systematischen
Fehlerbelanglos,
nach welchem von den vielen in der Literatur ange¬gebenen
Verfahren diePunktbestimmung durchgeführt wird,
ins¬besondere ob nach direkter oder indirekter Methode. Die ge¬
nannten Fehlerursachen haften an den Verhältnissen des Pro¬
blèmes selbst.
In
nachfolgenden Ausführungen
werden dieGenauigkeits¬
verhältnisse eines
beliebigen pothenotischen
Falles(also
für ganzbeliebige Gruppierung
der 4 Punkte A,B,
C undP)
näher unter¬sucht.
1. Vorerst wird ein
analytischer
Wert für den mittleren Fehler des Punktes Pangegeben.
2. Dann stellen wir
graphische
Verfahrenauf,
damit derTopograph
auf demFelde,
ohnejede
Rechenarbeit beibeliebigen Punktgruppierungen
die erreichbareGenauigkeit
des poth. bestimmten Punktesprüfen
kann.3. Ferner möchten wir durch Punktfehler-Kurven¬
pläne
die Genauigkeitsverhältnisse im Bildefestlegen.
4. Es soll eine
Genauigkeitsgrenze vorgeschlagen
werden.Dabei
geben
wir demTopographen
ein Mittel an dieHand,
das ihnbefähigen soll,
ohneRechnung
und ohne Zwischenkonstruktion ausden Lageverhältnissender 4 Punkte A,B, C,
P beurteilen zukönnen,
ob diezulässige Genauig¬
keit erreicht werden kann oder nicht.
I. Analytische Bestimmung der Punktgenauigkeit.
In den Astronomischen Nachrichten Nr. 1117
(Bd. 47)
ver¬öffentlicht der dänische Finanzminister Andrä im Jahre 1858 eine
analytische Bestimmung
derGenauigkeit
despothenotisch
ermittelten Punktes.Andrä bestimmt nach dem Gauß'schen
Fehlergesetz
die Glei¬chung
der wahrscheinlichstenFehler-Ellipse
und leitet Formeln ab für die große und kleine Halbachsederselben,
woraus sich der mittlere Punktfehlerangeben
läßt.Unsere
nachfolgende Ableitung
führt auf etwasanderemWege
zum selben Resultat
(siehe Fig. 1):
Man bezeichnet mit
A, B,
C die wahrenProjektionen
derObjekte
auf demMeßtischblatt,
mit P denwahrenOrt derStation,
mitQ
die fehlerhafte Bestimmungderselben,
mit uu a2) a3 die Winkel der VisurenPA, PB,
PC mit einerbeliebigen
durch Pgezogenen x-Achse. Unter der
Voraussetzung,
daß die Einstel-lungsfehler
als verschwindend anzusehensind,
werden die in den verschiedenenEinstellungen
durchQ, parallel
mit der Kante des Lineals gezogenen LinienQA', QB', QC
unter sich dieselben Winkel(«3
—a,)
und (a2—ai) einschließen wie die StrahlenPA, PB,
PC.Wird durch
Q
ein neuesSystem
von LinienQA", QB", QC"
beziehungsweise
zuPA, PB,
PCparallel
gezogen, so bilden diese Linien überalldenselben,
von der fehlerhaftenOrientierung
des Meßtisches herrührenden Winkel m mit denRichtungen QA', QB'r QC.
Die
Perpendikel
von A aufQA',
von B aufQB'
und von C aufQC
können als die zusammengesetzten mit derselbenGenauig¬
keit
gegebenen
wirklichenBeobachtungsfehler angesehen
werden.Bezeichnet man daher diese
Fehler,
die zum Teil aus fehlerhafterTischorientierung,
zum Teil ausZeichnungsfehlern bestehen,
mitVi, v2, v3, so ergeben sich bei
Berücksichtigung
nur der ersten Potenzen von co und q nachFig.
1 dieGleichungen:
Vi — i-iw
+
q sinOp + «i)|
v2 = r2w
+
q sin[ff + a2) (1)
v3 = r3w
+
q sin(ff + «3) 1
Wir setzen nach Fig. 1:
qsin<p
= y; qcos<p = x und führen alsAbkürzungen
ein:cosa = a; sina = b.
Obiges Gleichungssystem geht
über in:Vi =r1w
+
aiy+ biX|
v2 =r2«
+
a2y+ b2x
'(2)
v2 =r3w
+
a3y+ b3x I
Diese
Gleichungen (2)
können alsFehlergleichungen
mit den drei Unbekannten œ, x, yangesprochen
werden. Wirsetzen eine
Ausgleichung
nach der Methode der kleinstenQua¬
drate an, trotzdem diese nicht
notwendig
wäre zurBestimmung
von 3 Unbekannten aus nur 3
Gleichungen.
Es steht uns aber nichts imWege, gleichwohl
diesen Ansatz zu machen. Er emp¬fiehlt sich
geradezu
zurBestimmung
der mittleren Fehler von x und y, also in 2 zueinander senkrechten Richtungen, weil die direkteBestimmung
mit Hilfe des Gauß'schenFehlerfortpflan¬
zungsgesetzes
algebraisch
sehrkompliziert
sein würde.Die
Verbesserungen
Vi, v2, v3 sindje
=0,
weil keine Wider¬sprüche
imGleichungssystem (2)
auftreten.Die
Absolutglieder
derFehlergleichungen
sind =0,
weil derKoordinatenanfangspunkt
als mit P zusammenfallend angenommen worden ist.Die
Normalgleichungen
fürGleichungssystem (2)
lauten:[rr> + [ar]y + [br]x +
0 = 0|
[ar> + [aa]y + [ab]x +
0 = 0(3)
[br> + [ab]y + [bb]x +
0 = 01— 11 —
Wir eliminieren w. Aus der ersten der
Gleichungen (3) folgt:
~
[rr]
'[rr]
Diesen Wert für œ in
(2) eingesetzt ergibt:
die umgewan¬delten
Fehlergleichungen
mit nur 2Unbekanntenxundy.
Vi = U
[ar]
C "$> + (*
Ijrj/ oder inv3 =
as'y 4- b3'x
^=(»,-,0), + ^-^):
Form(4)
Die mittleren Fehler der Unbekannten x und y
ergeben
sich zu:m _
1/
*_
|/ [aV]
M*- mi
F [b'b'-l]
- mi 'r [aVïïbV] -[a'b']2
M _M
1/TbVT
_ m1/ [bV]
Das
Quadrat
des mittleren Punktfehler sistdefintions¬gemäß gleich
der Summe derQuadrate
der mittleren Fehler in zwei auf einander senkrecht stehendenRichtungen:
M? =
Mx2 + My2 oder,
wennobige
Werteeingesetzt:
[aV3 + [bV]
M2--
mî
[a'a'][b'b']-[aV]2
Hierbei kann der mittlere Fehler der Gewichtseinheit
(5)
m,
nicht
angegeben werden,
weil[pvv]
=0 und n—u=0. In Abschnitt II wirdgezeigt,
wie nu auf anderemWege,
durchpraktische Beobachtungen gefunden
werden kann.Die Ausdrücke
a',
b' in Gl.(5)
werden wieder durch die ur¬sprünglichen
Koeffizienten a,b,
rausgedrückt.
[a'a]
=(3l
—nfe) + (as
—r,[bV]
=[bb]
-W
[ar]
2[rrJ
Somit
Jf2:
[^^(.-^(^-^^....(a
r3[rr]J
=
[aa]
-^*
[rrj
r»[rr]nbs l3[rr]
=
[ab]
-[aa]
—^ -f [bb]
—^
N-^N-fêîVN-W
[arHbr]
[rrj.
mï (6)
a,= cos a,;
b, = sin a,
siehe Gl.
(1)
und(2)
Lassen wir die x-Achse mit der
Mittel-Richtung
zusammen¬fallen,
so kann nachFig.
2 gesetzt werden:a2=0
«3=—»?
somit:
[aa]
=cos21 -f~
cos2'J~f"
1[bb]
== sin2§ -f- sin21)
[ab]
= sin|
cos|
—sin »/cos ij[ar]
= a^os|
-f-bx
cos17-f-
ct[br]
=a! sin£
—bx
sin r\[rr]
=a! + b? + c?
} (7)
— 13 —
[ar]2
= ajcos21 -\- bf
cos2rt-\- c\-\-2
&tbt
cosScosrj-\-
2 ax ct cos| -f- -(-
2bi
ct cosjj[br]2
=af sin21 -\- bf sin21;
— 2 ajbx
sin £sin ?j[ar] [br]
=af
sin|
cos|
—bf
sin 17cosrç-|-
a!bx sin|
cos17"—
— a!
bx
cos£
sin 17-f-
ax cx sin£— bxCx sin 77„,_m,
([aa] [rr]
-[ar]2 + [bb] [rr]
-[br]2) [rr]
-mi"
([aa][rr]_[ar]2)([bb][rr]-[br]2)-([ab][rr]-[ar][br])2
_ m2
([aa]
+[bb])[rr]-[ar]2-[br]2
~
m]
([aa][bb]-[ab]2) [rr]
-[ar]^[bb]
-[br]2[aa] + 2[ar][br][ab]
I II III IV
Zahler= 3•
(af + bf -j- cf)
—(a? + bf + cf -j-
2 atbt
cos(£+>?) + -(-
2 at Ci cos£ -j-
2bx
ct cos»7=
2af + 2bf + 2cf —2aib!
cos(£ + r;)
—2 ax cx cos£—— 2
bi
cx cosj;aus der
Figur
2:bf -j- cf
—2bi
Cx cost] =a2Ja? + cf
— 2 ax Cx cos£
= b2 ! -f-a? + bf
—2 axbi
cos(rj + D
=c2)
Zähler = a2
+
b2-f
c2I.[rr]
IV.
II.
111.
a?
sin2 £cos2 rj-f- b2sin2£cos2
rj-\-
c2sin2(£ -f- rj) +
a2 cos2£sin2
rj-f- b2£0S2£sin2
rj +cxsin2£
-f-
2a?
sin£
cos£sin
»;cosjj-j-
2b?
sin£
cos£
sin r;cos»/-f- c|
sin2/;+
a2sin21 + afsin2»;
+ b2sin2£
-\- bfsin2r;
> pos.
2a2sin2
£eos2£
•2b?
sin|
cos£ sin»;
cos»;-f-2ax bx
sin2£
cos£
cos>;—(—
2 ax cx sin2£
cos£
2a2sin
£
cos£sin
»/cosrj-j-
2b2 sin2»;cos2 »y2ax
bx sin^sin
>; cos2 rj —2 ax cx sin£
sin »;-(-2b!
cx sina rjcos»;2bx
cx sin£
cos£
sin2.
—2 axbxsin
£
cos2£
sin »;+
2 axbx
cos£ sin21?
cosrjCOSTJ
a2sin2
£cos2£-f- b,sin2£cos2
»;-f-c2sin2£ -}~2ax
bx sin2£cos£cos
rj-f-2ax
cx sin2£cos£ -f- 2bx
cxsin2£cos
>;-f-
a2 cos2£
sin2jj-f-
b2 sin2»ycos2
»;+c2sin2»y -[-2ax bx cos£sin2»;
cos»;+ 2ax
cxcos£ sin2»; -(-
2bj
cx sin2 rjcos17af
sin2£
cos2£ -f~ bf
cos2£sin2
rj+
a2 sin2£
cos2 »;+
b2sin2»ycos2
»;-f- a2sin2£ -)- b2sin2»;
—2 ax bx sin
£
cos2£
sin »;—2 ax
bx
sin£
sin i?cos2»;—
2ax
bx sin£sin
rjI
neg.Nenner = a2 sin2/^
-f- b^
sin2£ -J- ci
sin2(£
+»?) +
2 axbx
sin£
sin »; — 2 ax cx sin r\sin(£ + rj)
Nenner =
(ax
sinrj+ bx
sin£
—cx sin(£ + *?))2
2bxcx sin
£
sin(£ -f- »?)
If2 :m
a2
+
b2+
c2(ax
sin rj-f- bx
sin£
- cx sin(£ -f- »?) )2 (A)
pos.
neg
— 15 —
In Gl.
(A)
treten 8 variable Größen auf. Ihrer 5genügen jedoch,
um dieLage
der PunkteA, B, C,
Peindeutig festzulegen.
Die 3
überzähligen
Variabein können auf Grund desgeometrischen Zusammenhanges
mit den 5notwendigen
Variabein durch diese letztern ausgedrückt werden.Aus
Fig.
2folgt:
. , a sinri = sintf, —
Ci
... b
sinS= sina, —
Ci
bf
4-c2—a.
a24-c?-b2
cos|——~
2at
C!Diese Werte in Gl.
(A)
eingesetzt:at sin »/+
bt
sinf
—ct sin(| -f- rj)
=a , b , . , . bf+cf—-a2
= —ax sin A H bt sinat -r- b sinax ———i
Cj Ci .
2
bx
cx. a
a'f + cf-b2
aSinft
2alCl
a .
a
fa2-c2 + b2\
, b .fb2-c?4-a2\
=—sin/ïj•b cosa1
-|
sin«,•acospx=
—sin(«! 4-/?i)
ci somit
3f-a^bXsinTa^^'mi (B)
Diese Formel B hatnun 6 Variable. Es ist nicht
zweckmäßig,
die letzteüberzählige
Variable auch nochauszuschalten,
weil der Ausdruck für AI eine sehrkomplizierte
Form annehmen würde.Andrä1)
hat ebenfalls dieseGleichungsform
für die Diskussion verwendet.Die
Ergebnisse
der einleitendgemachten Betrachtungen
über die Grenzwerte von M werden durchobige
Formelbestätigt.
!) Siehe Andrä (Astr. Nachr., Nr. 1117, Bd. 47).
Es ist:
21=co für P im Unendlichen
„ P auf demKreisdurch ABC
(oder
aufder GeradenABC)
21=unbestimmt für P zusammenfallend mit
A,
B oder C.21=Minimum für das Centrum des dem Dreieck ABC
einge¬
schriebenen
Kreises,
und unter allen Dreiecken für das Centrum desgleichseitigen
Dreiecks.II. Bestimmung der Konstanten
m^Der numerische Wert der Konstanten nu wird ermittelt aus
dem mittleren Punktfehler AI für
irgend
einen bestimmtenFall,
am besten für das Zentrum des einem
gleichseitigen
Dreieckeingeschriebenen
Kreises. Bei diesemgünstigsten
Fall würden sich die Fehlereinflüsseinfolge
schiefer Schnitte undinfolge
derOrientierungsschwierigkeiten
auf ein Minimum reduzieren.Die
praktischen
Versuche zurBestimmung
von nii sind von der Schweiz.Landestopographie (Abteilung
fürTopo¬
graphie)
in Bern unterLeitung
von HerrnIngenieur
Le upinwie
folgt durchgeführt
worden:Der Punkt
„Landestopographie"
auf der Zinne derTopo¬
graphischen
Anstalt istpothenotisch
mit dem Meßtischaufge¬
nommen worden aus den 3 Punkten:
„A
Brauerei Gurten"„
ti
Pauluskirche"A
Schloßhalde Schulhaus.Der
Neupunkt
ist durch 5Topographen (Leupin, Schwarz, Perrin, Nußberger
undTank) je
viermal, voneinanderunbeeinflußt,
konstruiertworden,
so daß 20vollständig voneinanderunabhängige Beobachtungen
für die drei Maßstäbe:1 : 10 000 1 : 25 000 1 : 50 000 vorliegen.
— 17 —
Es wurde Meßtisch Nr. 34 von der L. T.
(Hildebrand)
ver¬wendet. Die Meßtischblätter wurden auf dünne Aluminiumblätter
aufgezogen,
so daß derPapiereinsprung
zu Null angenommen werden konnte. Zum Auftragen der Dreieckspunkte, sowie zumAbgreifen
der Koordinaten des neu bestimmten Punktes wurde derKoordinatograph
Coradi derEidg.
Techn. Hochschule Zürich verwendet.Die Differenzen zwischen den aus den Koordinaten der Aus¬
gangspunkte
berechneten und den auf dem Meßtischblatt ab¬gegriffenen
Koordinaten desNeupunktes ergaben
die WerteAx
undAy,
als wahre Fehler inRichtung
der x-beziehungsweise y-Achse.
Diese Werte sind von 2 Herren .voneinander unbeein¬flußt erhoben worden.
Der wahre Punktfehler in der Form eines Vektors
ergibt
sich zu:e=
VÄTTÄ!
und der mittlere Punktfehler aus den 20
Bestimmungen
zu:M= +
1/13,
'
n
mit einem mittleren Fehler der
Bestimmung
von .1/:Jf„=±
0,707^
•Vn
a)
1 : 10 000:Ax Ay
£ £6Ax Ay
£ ££mm mm mm mm mm mm
0,04 0,00 0,040 0,00160 0,04 0,03 0,050 0,00250
0,09 0,08 0,120
0,014400,13 0,12 0,177 0,03140
0,05 0,10 0,112 0,01255 0,09 0,15
0,1750,03060
0,01 0,05 0,051 0,00260 0,01 0,01 0,014 0,00019
0,04
0,030,050 0,00250 0,01 0,01 0,014 0,00019
0,03 0,07 0,076
0,005770,05 0,12 0,130 0,01690
0,02 0,020,028 0,00078
0,03 0,02 0,0360,00130
0,12 0,08 0,144 0,02075 0,12 0,11 0,163 0,02650
0,040,05 0,064
0,00410 0,070,06 0,092 0,00846
0,01 0,020,022 0,00048
0,020,00 0,020
0,00040Ax Ay
e eeAx Ay
£ eemm mm mm mm mm mm
0,05 0,02 0,054 0,00292 0,01 0,01 0,014
0,000190,11 0,02
0,1120,01256
0,090,03 0,095
0,009010,00 0,01
0,0100,00010 0,05 0,04 0,064
0,00410 0,14 0,050,149 0,02220
0,130,02
0,134 0,01799 0,13 0,020,131 0,01720
0,140,02 0,141 0,01986 0,00 0,01 0,010 0,00010
0,030,01 0,032 0,00102 0,02
0,080,082 0,00671
0,050,13
0,139 0,019320,04
0,080,089 0,00790 0,04 0,11 0,117 0,01368
0,03 0,05 0,0580,00336
0,010,06
0,061 0,00372 0,00 0,03 0,0300,00090 0,03
0,01 0,032 0,00102(XI
==0,13948 [££]
== 0,20835M=
1/0.13948 +
0,20835 = ( Q931 40
MB =
-^=--0,707
=0,010 mmV 40 Somit
M— ± (0.093 +
0,010)
mmb,
1 : 25000:Ax Ay
e ££Ax Ay
£ ££mm mm mm mm mm mm
0,04 0,01 0,041 0,00168
0,030,01 0,032
'
0,00102
0,010,04
0,041 •0,00168
0,030,05 0,058
0,00336 0,08 0,020,082 0,00671 0,11 0,00 0,110 0,01212
0,01 0,03 0,032 0,00102
0,03 0,06 0,067 0,004490,01 0,03
0,0320,00102 0,03 0,02 0,036
'0,00130
0,01 0,01 0,014 0,00019 0,00 0,06 0,060 0,00360
0,06 0,07 0,092 0,00846
0,05 0,09 0,1030,01060
0,08 0,03 0,0850,00721 0,06 0,01
0,061 0,003720,06
0,050,078 0,00609
0,050,02
0,0540,00291
0,00 0,03
0,0300,00090 0,02 0,07 0,073 0,00531
19 —
Ax Ay
e ££Ax Ay
£ eemm mm mm mm mm mm
0,06
0,02 0,063 0,00396
0,05 0,030,058
0,003360,00
0,020,020 0,00040
0,030,06
0,067 0,004490,01 0,02 0,022
0,00049 0,030,07 0,076 0,00578
•
0,00 0,01 0,010 0,00010 0,03 0,06 0,067 0,00449 0,07 0,04
0,081 0,006560,02 0,04 0,045 0,00203 0,00 0,08 0,080
0,006400,02 0,10 0,102 0,01040 0,14 0,10 0,172 0,02960 0,15 0,11
0,186 0,034600,06 0,03 0,067
0,004490,04 0,04 0,057 0,00325
0,04 0,11 0,117[>]
=0,01368
0,050,15 0,158
[££]
=0,02500
= 0,10064 =
0,14183
M=
1/0,10064 + 0,14183
_ + „ogoJ
~ 38MB =
0,707
•-i==
= ±0,009
mmV
38Somit
M= ±
(0,080
+0,009)
mm c) 1 : 50 000:Ax Ay
e ee •Ax Ay
£ ££mm mm mm mm mm mm
0,06
0,06 0,0850,00721 0,01
0,030,032
0,00102 0,020,09
0,0920,00847
0,000,06
0,0600,00360
0,01 0,05 0,0510,00260 0,00
0,04 0,0400,00160 0,13 0,10 0,164 0,02690
0,11 0,080,136 0,01850
0,04 • 0,040,057 0,00325 0,05 0,02 0,054
0.002910,01 0,01
0,0140,00019 0,00 0,06
0,0640,00360
0,010,01 0,014 0,00019 0,04 0,05
0,0640,00410
0,090,03
0,0950,00901 0,08 0,07 0,106 0,01122 0,00 0,00 0,000
0,00000 0,000,04 0,040 0,00160
•0,00
0,010,010
0,000100,00 0,04 0,040 0,00160
Ax Ay
£ £6Ax Ay
£ ££mm mm mm mm mm mm
0,04 0,05 0,064 0,00410 0,04 0,05 0,064 0,00410 0,05 0,07 0,086
0,00740 0,040,06 0,072 0,00519 0,02 0,03
0,0360,00130 0,01 0,03 0,032 0,00102
0,050,02 0,054 0,00292
0,050,05 0,071 0,00503
0,010,05
0,0510,00260 0,02
0,04 0,0450,00203 0,08 0,07 0,106 0,01122
0.050,07 0,086 0,00740 0,06 0,01 0,061 0,00372
0,070,02 0,073 0,00532
0,000,00 0,000 0,00000
0,000,01 0,010
0,000100,02
0,00 0,0200,00040 0,00 0,00 0,000 0,00000 0,00 0,03 0,030
0,000900,06
0,02 0,063 0,00396lee]-.
=0,09248 M
==0,08390
1/0,09248+0,08390
V 40
— ± 0,066mm J/b=
0,707-
°<066 = +0,007
mml/40
Somit M= ±
(0,066
± 0007)
mmNach Gl.
(B) ergibt
sich unterBeachtung
dervorliegenden
Verhältnisse: ir 1010,
M — 1,2134 nii
a) Für Maßstab 1:10 000:
1,2134
m1 = ±(0,093
±0,010)
mmnii = +
(0.077
±0,008)
mm'b)
Für Maßstab 1:25000:1,2134
nii = ±(0,080
±0,009)
mmmt = +
(0,066
+0,007)
mmc)
Für Maßstab 1:50000:1,2134
nii = +(0,066
+0,007)
mmmi = +
(0,054
+0,006)
mmFür die Maßstäbe 1:25 000 und 1:50000
ergibt
sich eingerundeter
Mittelwert von:mt = +
(0,060
±0,007)
mm— 21 —
III. Graphische Bestimmung der Punkt¬
genauigkeit.
1. Methode.
Die in Abschnitt I
abgeleitete
Formel(A)
kann wiefolgt graphisch gelöst
werden(siehe Fig. 3)
:,, ,
Va2
+b2+
c2 ZM=+ mj : j-t—.—?—!— ,t-j—:=mi -cr
at sin T]-f- bj sin £ —ct sin(g-)- »;) JN Der Wert des Zählers Z ergibt sich aus den Dreiecks¬
abmessungen
alsHypothenuse
einesrechtwinkligen
Dreiecks mit den Katheten c und p, wobei p wiederumHypothenuse
einesrechtwinkligen
Dreiecks mit a und b als Katheten ist.Z=
ÄE
(nachFig. 3).
Zur
Bestimmung
des Nennerwertes N wird die Strecke a! der einen Außenvisur um P gedreht und auf der andern Außen¬visur
abgetragen. Analog
wirdbt
auf dieser zweiten Außenvisurum P
gedreht
und auf der ersterenabgetragen.
Von den neuenEndpunkten
F und G werden die Lote auf die Mittelvisurgefällt.
Die Strecke Ci auf der Mittelvisur wird um P
gedreht
und auf einer der beiden Außenvisurenabgetragen.
VomEndpunkt
K aus fällen wir das Lot k auf die andere Außenvisur.1. f
-+-
g+
k = N für P innerhalb des Dreiecks ABC.2.
f-f-g
—k== N für P außerhalb des Dreiecks A D C.wobei
f,
g und k alspositive
Strecken einzusetzen sind.Erläuterung:
Winkel £ und Winkel yliegen
immer zwischen 0° und 180°. Sini undsin»;
sind somit immer po¬sitiv,
also sind die Streckenaisin»;=f und bisin £=g immer
positiv.
Zur Diskussion von k unterscheiden wir zwei Fälle:
1. P innerhalb des Dreiecks ABC:
dann ist
(f + >?)
>180» somit k=Cisin(f +
ij)negativ
;2. P außerhalb des Dreiecks ABC:
(f + i7)<180°
somit k=Cisin
(£
+»;) positiv.
Zur Konstruktion von Z und N brauchen die in Fig. 3 ein¬
gezeichneten Hilfslinien
(Kreisbögen
undLote)
gar nicht not¬wendigerweise gezeichnet
zu werden.Die Konstruktion kann mit Zirkel und Winkel
genügend
ge¬nau
durchgeführt werden,
ohne daß eineinziger
Bleistiftstrich ge¬zogen werden muß.
Auf Seite 24 u. ff. wird
gezeigt,
wie auch noch nu auf Nganz einfache Weise
graphisch gelöst
werden kann.Will man nicht die
Punktgenauigkeit
als solchebestimmen,
sondern nurnachprüfen,
ob dervorliegende
Fall innerhalb einer bestimmtenGenauigkeitsgrenze liegt,
so kann aus dem Verhältnis—"p
ohneRechnung
sofort entschieden werden, ob Mzulässig
ist oder nicht.Für Mml =
0,3
mmund m1 = 0,06mm
folgt
z— .
0,06
=0,3
N 7
-7TZ-<f5 wenn M7M nicht überschritten werden soll.
N
Z 5 7
z.B. In
Figur 3)
:-^= ' > 5 weit außerhalb der Grenze.2. Methode.
Nomogramm
oder Rechentafel.Wir stellen den
analytischen
Ausdruck für diePunktgenauig¬
keit durch eine Rechentafel dar,
die,
einmalkonstruiert,
zurAnwendung
nur noch einer kleinen Zwischenkonstruktionbedarf;
dafür ist
jede
Rechenarbeit ausgeschaltet.Maurice
d'Ocagne
entwickelt in seinem Werk:„Traité
deNomographic"
die Methoden zur Konstruktion der Nomo- gramme.— 23 —
Im
Folgenden
soll die Theorieauszugsartig
soweit skizziertwerden,
als dies für das Verständnis zurHerstellung
unseresspeziellen Genauigkeitsnomogrammes notwendig
erscheint. Wir halten uns dabeihauptsächlich
an dieAusführungen
von F.Schilling: „Über *die Nomographie
von M.d'Ocagne.
EineEinführung
in dieses Gebiet."Leipzig
1900.1.
Begriff
der Funktionsskala.Um eine Funktion x=f
(a)
in Form einer Skaladarzustellen,
werden auf einer Geraden alsAbszisse,
von einemAnfangspunkt
aus, für aufeinanderfolgende Werte von a, die
entsprechenden
Strecken 1. f(o)
aufgetragen, wobei über den konstanten Modul 1 noch zweckmäßigverfügt
werden kann. DieBedeutung
des Moduls bestehtdarin,
daß man die Länge der Skalapassend
wählen kann. An die durch kleineQuerstriche
bezeichneten End¬punkte
der auf der Geradenaufgetragenen
Strecken werden nicht dieFunktionswerte,
sondern die Werte derunabhängigen
Variabein a angeschrieben.2. Rechentafeln für Gleichungen zwischen 2 Variabein,
a) Rechentafeln mit vereinigten Skalen.
Haben wir die Gleichung fi
(a±)
=f2 (a2),
d. h. F(a,
a2)=0 graphischdarzustellen,
so tragen wir auf einer Geraden vom ge¬meinsamen
Anfangspunkt
aus ingleicher Richtung
die beiden Skalen xt=1.fi(«i)
und x2=1.f2
(a,) auf und erhalten sofort für einen Wert «i denkorrespondierenden
Wert a2.Z. B. a2=
logb
x=1.a2 und x=1.
log
b.(Siehe Fig. 4.) b)
Cartesische Rechentafel.In der
Gleichung
f(au
a2)~0 setzen wir x=\1a1 und y=12
a2, wobei x und yrechtwinklige
Koordinaten seien. Man trägt also auf zwei senkrechten Koordinatenachsen zwei Skalen mitgeeigneten
Modulen auf. Je zweizusammengehörende
Werte«i, «2 werden dann mit Hilfe der durch
folgende Gleichung
«(«>.«.)
=f(t -t)=-0
dargestellten
Kurve aufeinanderbezogen.
3. Rechentafel für
Gleichungen
zwischen 3 Variabein.a)
Cartesische Rechentafel.Es sei die
Gleichung
f(ax
a2as)
=0 zwischen 3 Variabeinai, a2, a3
gegeben.
Setzen wir wieder wie oben x=lx
au y=12
a2, so stellt diegegebene Gleichung
in der Form f1-r—,-p~,a3l
=0für variable Werte a3 eine ganze Kurvenschar dar. Jede Kurve der Schar wird wiederum mit dem Parameter a3 beschrieben.
Sind dann außer dieser Kurvenschar
(a3)
auch durch die kotierten Punkte der Skalen auf den Koordinatenachsen dieParallelgeraden
zur Ordinaten-
beziehungsweise
Abszissenachse als Kurvenscharen(at)
und(a2) gezeichnet,
sobefriedigen
3 Werte au a2, «3 diegegebene Gleichung,
wenn die dreizugehörigen
Kurven durch denselben Punktgehen.
Werden also zwei bestimmte Werte «i und a, in die Tafel
eingesetzt,
so ist der nach derGleichung
f(at
a2a3)
=0 kor¬respondierende
Wert as ohne weiteres als Index der durch denSchnittpunkt
«ia2gehenden
Kurve as herauszulesen.Für die
Herstellung
desNomogrammes
bietenjene
Fälle besondereEinfachheit,
bei denen auch die Kurven(a3) Geraden,
z. B. Strahlenbüschel sind.
Die im
vorigen Paragraphen
erwähnte erstegraphische
Me¬thode zur
Bestimmung
des mittleren Punktfehlersergab
einen•7
Schlußwert M = nu —, der nach einer cartesischen Rechentafel N
mit den 3 Variabein
M,
Z und Ngelöst
werden soll. Gerade in diesem Fall kann die Kurvenschar(a3)
durch ein vom Koordinaten-Nullpunkt ausgehendes
Strahlenbüscheldargestellt
werden.Wir setzen x=U.Z und y=UN und erhalten die Aus-
gangsgl.
in der Form:— 25 —
m_
.y
^
=0mx
12 lj
welche Gleichung für jeden bestimmten Wert von M eine ihm
entsprechende
Geradedarstellt,
die durch den Koordinaten-An¬fangspunkt geht.
Für
l1=l2
=10mm und m1=0,06mm
erhalten wir für einen konstanten Abzissenwert x= 100mm dieentsprechenden
Ordi-natenwerte y.
M
(mm)
y(mm)
0,05
1200,10 60
0,15
400,20
300,25
240,30
200,35 17,13
0,40 15
0,45
13,330,50 12
0,55 10,90
0,60
10Die Größen Z und N brauchen nicht
zahlenmäßig
erhoben zu werden. DieZirkelgrößen
können direkt als Abszissen und Ordi- natenabgetragen
werden. Die Gerade desStrahlenbüschels,
die durch den so bestimmten Punkt(Z, N)
hindurchgeht,
trägt als Index den gesuchten mittleren Punktfehler M.Will man nicht den mittleren Punktfehler selbst
erheben,
sondern nurfeststellen,
ob dervorliegende
Fall innerhalb der auf¬gestellten Grenzen
liegt
odernicht,
so braucht man sich nur dieNeigung
eineseinzigen
Strahles zu merken.Z. B.i'für
-Mzulassig
=0,3
mmhat der Grenzstrahl die
Neigung
20=
±
100 5
Man kann sich auf dem Meßtischblatt irgendwo nebenaus dieses
rechtwinklige
Dreieck mit dem Kathetenverhältnis —- 5aufzeichnen,
und hat dann nur zuprüfen,
ob der Punkt mit denZirkelgrößen
N und Z als Abszisse undOrdinate,
innerhalb oder außerhalb des Dreiecks liegt.b)
Collineare Nomogramme.Wir unterwerfen die Cartesische Rechentafel einer duali- listischen oder
reziproken Transformation,
wieeine solche im
speziellen
Fallebeispielsweise
die Polarenver¬wandtschaft in Bezug auf einen
Kegelschnitt
darbietet(Prinzip
der Dualität derprojektiven Geometrie).
Wenn wir noch die Kotejeder
Geraden dem letztererentsprechenden
Punkte zufügen, so treten also an Stelle der drei Systeme kotierter Geraden drei Kurven kotierter Punkte.(Siehe
d'Ocagne, p. 125 oderSchilling,
S.24.)
Fig. 6.Die
Gerade,
welche die dengegebenen
Werten at und a2entsprechenden
Punkte der Punktreihen(at),
(a2)verbindet,
schneidet die dritte Skala(«3)
in einemPunkte,
dessen Kote «3die
gesuchte
Größegibt.
Praktisch kann die dualistische Umformung umgangen werden durch
Einführung
von Parallel-Koordinaten /n, v, denen 2 Gerade als /*- und v-Achsen mit denAnfangspunkten
A und Bzu Grunde liegen. Als Parallelkoordinaten ^ und v einer Ge¬
raden g sind die mit Vorzeichen zu nehmenden Strecken zu
verstehen,
welchejene
auf den Achsen abschneidet. Fig 7.Die
Gleichung
ersten Grades: a^+
bv+c=0 stellt dann in unsern Linienkoordinaten einen Punkt dar.Führen wir
zugleich
noch ein cartesischesKoordinatensystem ein,
dessenAnfangspunkt
0 derMittelpunkt
von AB und dessen i-undjy-Achsen
die Gerade OB und die Parallele durch 0 zu deni»v-Achsen sind,
so ist in demselben der durch die letzte Glei¬chung
definierte Punkt auch durch die Koordinaten bestimmt:e .b— a
_
c
^-°b^fa;
?; ~ ~H"a
i no AB.,
wo o = OB =——- ist.
— 27 —
In unserem
Genauigkeitsnomogramm
müssenfolgende
Glei¬chungstypen dargestellt
werden:1.
Typus
: F(«t
«2c3)
=f, (ßl) +
f2(«2) + f3 (a3)
= 02.
Typus
: F(«x
«2ß3)
=fx («,)-f3 («,) + f2 (a2)
= 0Im
Folgenden
wird fi(ax)
der Einfachheit halber mitfi,
f2(a2)
mitf2,
f3 (as) mit f3 bezeichnet.1.Typus: ft +
fg+ f»
=0Wir setzen
U
fi=^ und12.
f2=v, worauf dieGleichung über¬geht in:
u v
f"
+-f + f3
= 0Diese neue
Gleichung
bestimmt in dem eben definierten cartesischenHilfskoordinatensystem
die Punkte:Während die ^t- und v-Achsen unmittelbar als Träger der Funktionsskalen
(at)
und(a2)
mit den. Modulenli
und12 gewählt
sind, wird derTräger
der Funktionsskala(a3)
durch die Parallelezu diesen
geliefert,
welche die Strecke AB in einem Punkte Cso teilt, daß
AC
_lt
CB
_
12
ist,
und zwar ist auf dieser mitpositiver Richtung
versehenen Parallelen einfach von C aus die Funktionsskala w=l3f3 zu kon¬struieren,
wobei1 -
^2
13 -"17+17
Die 3 Punktskalen sind also auf 3
Parallelgeraden aufzutragen.
2.
Typus:
f!.f3+ f2
=0.Wir wählen wiederum lt fi=u; 12
f2
=v, als Punktskalen auf 2parallelen
Geraden. Diese Werte obeneingesetzt ergibt:
f ^- + V
12
== 0, eine
Gleichung
von derallgemeinen
Form(a
f.i-\-
b•v + c =0)
wobei a=
b = i
i2
c= 0
somit die cartesischen Koordinaten im
Hilfssystem:
Biese dritte Punktskala
liegt
auf der dieNullpunkte
der [x- und v-Skalen verbindenden Geraden AB.4. Rechentafeln für
Gleichungen
zwischen mehr als 3 Variabeln.Wir erwähnen hier nur die
vereinigte
collineare Re¬chentafel,
die in unserem Falle zur Anwendung kommt. Die ver¬einigte cartesische Tafel würde
analog
behandelt.Ist eine Funktion
F(au
u2, a3, aà,a5)
mit 5 Variabein »i, «2, o-z, «4, a5darzustellen,
so werdenje
zwei der Variabein zusammen¬gefaßt
zu einer Hilfsvariabeln.Z.B.:
(au a2)
=z1(«3, a4)=Z2
wodurch die eine Funktion aus 5 Variabein
übergeht
in 3 Funk¬tionen zu 3 Variabein:
f
(«1,
Ö2,Zl)=0
f(a8,
a4)z2)
=0f
(zi,
Z2,a5)
=0welche,
wie obenangegeben,
z. B. durch oollineare Rechentafelngelöst
werden können.Wir erhalten 7 Punktskalen für die Variabein:
ai, a2, a3, a4, ab, Zi, Z2,
welche in ihrer Gesamtheit die
Ausgangsfunktion
darstellen.— 29 —
Die Skalen Zi und z2 sind
Hilfsskalen,
die nichtaufgezeichnet
zu werden
brauchen,
da wir uns um ihre besondern Werte nicht interessieren. Jedoch bilden ihre Träger, diesogenannten Zapfen¬
linien,
den Zusammenhang der einzelnen collinearen Rechentafelnzu 3 Variabein untereinander.
Die n Variabein der
Ausgangsfunktion
könnten natürlich auch auf andere Artengruppiert werden,
z. B.:F(a1,a2,as,a4, ab)
—0.
f
Ol,
«2,Zi)
=0f
(z1(«3, z2)
= 0f
O2, «4,05)
= 0Konstruktion des Nomogrammes für den mittleren Punktfehler.
(Fig. 8.)
Im Abschnitt II ist die Zahl der Variabein in Gl.
(B)
bis auf1
Überzählige
reduziert worden.Wie schon
erwähnt,
würde der Ausdruck für Mkompliziert
und für dieDarstellung
durch einNomogramm ungeeignet»
wollten wir diese
überzählige
Variable auch noch eliminieren.Wir
gehen
daher aus von Gl.(B):
M=mi?d«±V±* (B)
ab.sin
(ßj 4-A)
Das Nomogramm soll konstruiert werden für die Maßstäbe 1 : 50 000 und 1: 25
000,
also für Maximalabmessungen auf dem Meßtischblatt fürabccx
von 15 cm, und für eineSkalenlänge
von 10 cm.
Wir setzen:
1.)
a2 + b2=z2a2
+
b2 - z2=0(ft
+f» + fs
=0)
u=
l!a2; aL*
=225 somit 10=lt
•225;
u=0,0445a2(1)
v=
l2b2; bLx
=225 somit l0=l2-225;
v=0,0445b2 (2)
w=
l3(-zO;l3
=-^4^^=-0,0222;w
=0,0222ZH3)
AC:CB= 1 :1
2.)
a2+
b2+
c2= z2i\ 4-
c2—z|
=011 =
1! zï;
u=0,0222
z2(4)
v=
l2c2; cl«
=225 t=0,0445
c2(5)
i / ai
0,0222-0,0445
w=l3(-zj);l3=-0!Q222 + 0)0445=-0,0148;w
=0,0148z2(6)
A C:CB=0,0222 :
0,0445
= 1:2 Skala(4)
ist identisch mit(3).
Skala
(5)
lassen wir mit(1)
zusammenfallen im Sinne einerVereinfachung
desNomogrammes.
3.)
Va ~T " ~i~c2 =z3 z3max(praktisch)
=20 angenommenZ2max == ^O
Zjj*ä Z2 U
f^.f, —f,
=0u=
l1f1;
10=+-20
u=0,5-z3 (7)
v =
12 f2
; 10 =la
•26 v =0,385
z2(neg) (8)
lx—l2a
, ,J,5—0,385-a
W==(5lT+l^;
<î==5'5 an^nommen; W = 5'50,5+
0,385-a<9>
i/o i i o • o
4.)
'a ~r "t"c =z4; z4max(praktisch)
=1,4 angenommen, a-bz4-b
— z3 = 0fi-fs+f.=
= 0u =
l1z4;
10 =1,-1,4
u= 7•z4(10)
v =
12 (— Zj)
; siehe(7)
v=0,5
z3(neg) (11)
w= d-
}-\2l
; d= 5,5li +- h
bK K 7 — 0,5b
w-5'5
7+0,5
bZömax
(praktisch)
=20(12)
c ,
Va2 +
b2+
c25.)- • •
a-b -Ci-Zs,
Z4-Cj z5 = 0
fl-t»-f.=
=0u=
lt
z4; siehe(10)
u = 7-z4(13)
v =
l2(-z5);
10 =12
20 v = 0,5z5(neg) (14)
U—l*Ci
. ..7 —0,5Cj-; d = 5,5 w= 5,5 /
(15)
li+U-c/ ' * 7
+ 0,5
ClVa2 +
b2+
c2_%i
''