การเล็งสกัดย้อน (Resection) ด้วยการวัดมุมภายใน ระยะทางและและมุมแบริ่งด้วยวิธีการคำนวณแบบ Least Squares (ตอนที่ 1)

จากที่เขียนโปรแกรมสำหรับเครื่องคิดเลขคำนวณเล็งสกัดย้อนสำหรับเครื่องคิดเลข Casio fx-9860G II SD ทำให้นึกถึงวิธีการคำนวณแบบ least squares ที่เป็นพื้นฐานเคยร่ำเรียนมา โดยเฉพาะการรังวัดในปัจจุบันที่การรังวัดระยะทางด้วยกล้องประมวลผลรวมทำได้ง่าย เมื่อรวมกับการรังวัดมุม จะทำให้มีค่าเกินหรือ redundant มาคำนวณในวิธีแบบ least square ได้ การรังวัดแบบเล็งสกัดย้อนบางตำราเรียกว่า free station

การวัดเล็งสกัดย้อนในยุคแรกจะวัดมุมจากหมุดสถานีหลักฐานกันเป็นหลัก และหมุดสถานีหลักฐานต้องมีค่าพิกัดและมีจำนวนอย่างน้อยสามหมุด ดังนั้นการวัดมุมอย่างน้อยสองมุมจะเพียงพอต่อการมาคำนวณ ในบทความนี้ผมจะพาไปทัวร์การคำนวณวิธี least squares ด้วยการใช้การรังวัดผสมประกอบด้วยการวัดมุมภายใน วัดระยะทาง และการวัดมุมแบริ่งหรือการวัดภาคทิศ จากนั้นจะยกตัวอย่างพร้อมทั้งวิธีการคำนวณ ปิดท้ายทดสอบผลลัพธ์การคำนวณด้วยโปรแกรม Microsurvey StarNet

การวัดแบบ 2D

การวัดแบบนี้จะวัดมุมราบและระยะราบก็พอนำมาคำนวณหาค่าพิกัดของ free station ได้ ตัวอย่างที่ผมจะแสดงการคำนวณในลำดับต่อไปจะเป็นการวัดแบบ 2D เพื่อลดความซับซ้อน

การวัดแบบ 3D

การวัดระยะทางจะวัดแบบ Slope distance วัดมุมดิ่ง ถ้าทราบค่าระดับของหมุดสถานีหลักฐานและวัดความสูงของเป้าที่ตั้งบนสถานีหมุดหลักฐาน จากนั้นวัดความสูงกล้อง เมื่อนำมาคำนวณร่วมกับมุมราบแล้วจะได้ค่าพิกัดของ free station รวมทั้งค่าระดับด้วย

แนะนำตำรา

เมื่อผมกลับไปดูวิธีการคำนวณด้วย least square แต่กลับพบกับความนะจังงัง ว่าความรู้ที่รับการประสิทธิประสาทมาบัดนี้ได้คืนท่านอาจารย์ที่มหาวิทยาลัยไปจนหมดแล้วสิ้นเชิง นั่งงงกับการตั้งสมการ Observation Equation อยู่นานพอสมควร เมื่อไม่เป็นผลก็ต้องกลับไปหาตำราค่อยๆพลิกความทรงจำกลับมาใหม่

ตำราที่จะแนะนำให้อ่านเป็นของ Mr.Rod Deakin (Rodney Edwin Deakin) ถ้าดูตามโปรไฟล์ก่อนจะเกษียณเป็นอาจารย์ให้มหาวิทยาลัยสอนเรื่อง Engineering Survey มาก่อน ตำราหรือบทความที่แต่งนั้นมีความหลากหลายมากในเว็บไซต์ส่วนตัวนี้ อ่านง่าย เพลินจนลืมไปว่าเรื่องที่อ่านนั้นยาก

ตามไปดูหน้า least squares ลองเลื่อนไปด้านล่างดูเรื่อง “Notes on Least Squares” คือตำราที่จะมาแนะนำกันมีทั้งหมด 10 บท เนื่องจากผมพอมีพื้นฐานมาบ้างเล็กน้อย จึงไม่ได้อ่านเรียงหน้าตั้งแต่บทที่ 1 แต่อาศัยข้ามไปอ่านบทที่ 7 ก่อน พอเจอเมตริกผมงงก็ข้ามไปอ่าน “Appendix A” เฉพาะเรื่องเมตริก บวก ลบ คูณ อินเวอร์ส แล้วค่อยกลับมาอ่านบทอื่นๆอีกที ดังนั้นคนที่ห่างเรื่องนี้นานๆแนะนำให้ไปดูเรื่องเมตริกอันดับแรก

บทที่ 7 อนุกรมเทเลอร์

สำหรับการคำนวณเล็งสกัดย้อนด้วยวิธี least square ปฐมบทจะอยู่ที่บทที่ 7 เริ่มต้นจากอนุกรมเทเลอร์ เหตุที่เราต้องใช้เพราะว่าสมการที่จะนำมาคิด  resection นั้นไม่ใช่สมการแบบเชิงเส้นหรือ linear equation ดังนั้นจะต้องมีการถอดสมการเชิงเส้นออกมาและอยู่ในรูปอนุกรม เพื่อให้สามารถนำมาคำนวณได้ จะมีตัวอย่างสมการ Observation Equation 2 ตัวอย่างคือ

• วัดมุม (Measure direction)
• วัดระยะทาง (Measure distance)

บทที่ 9 คำนวณเล็งสกัดย้อน (Least Squares Resection)

บทนี้จะเริ่มตั้งแต่ตั้งสมการ  Observation Equation (ไม่เชิงเส้น) ของการวัดมุม จาก free station ไปยังหมุดสถานีหลักฐาน จากนั้นจะถอดสมการไม่เชิงเส้นด้วยอนุกรมเทเลอร์ แล้วก็มีตัวอย่างแสดงวิธีการคำนวณ

บทที่ 10 คำนวณเล็งสกัด (Least Squares Bearing Intersection)

ผู้อ่านอาจจะสังเกตสองคำคือเล็งสกัดกับเล็งสกัดย้อน

• เล็งสกัดย้อน (Resection) คือไปตั้งกล้องที่  free station แล้ววัดมุมภายในไปหาสถานีหมุดหลักฐาน

• เล็งสกัด (Bearing Intersection) จะเป็นการวัดมุมแบริ่ง ตัวอย่างได้แก่การวัดดาวเหนือในสมัยก่อน คือเราจะมีหมุดคู่เป็น base line ต้องการทราบมุมแบริ่งของ base line นี้ก็ตั้งกล้องที่หมุดตัวแรกแล้วอาศัยวัดดาวเหนือกับหมุดอีกตัวบน base line ดังนั้นถ้าวัดแบริ่งสัก 2 base line ไปตัดกันก็จะได้ค่าพิกัด

การถอดสมการเล็งสกัดย้อนด้วยอนุกรมเทเลอร์

ต่อไปมาลองดูสมการที่เราใช้คำนวณหามุมและระยะทาง โดยที่ทราบค่าพิกัด ซึ่งเป็นสมการพื้นฐานของงานสำรวจ ในที่นี้เป็นสมการไม่เชิงเส้น เราจะมาถอดสมการออกมาเป็นเชิงเส้นด้วยอนุกรมเทเลอร์ แผนผังด้านล่างเป็นงานเล็งสกัดย้อน ตั้งกล้องที่จุด P_i วัดมุมไปหาสถานีหลักฐานที่ทราบค่าพิกัดคือจุด  P₁, P₂, P₃, … P_k

การวัดมุมในทางปฏิบัติจะส่องไปหาสถานีแรก P₁ ตั้งมุมราบเป็น 0 แล้วกวาดไปสถานีที่ 2 วัดมุมได α_i1 กวาดไปหาสถานีหลักฐาน P₂ วัดมุมได้ α₁₂ ทำเช่นนี้เรื่อยๆ จนถึงสถานีหลักฐาน P_k จะได้มุม α_ik แต่ในงานสำรวจด้านตรีโกณมิติเราจะไม่คำนวณโดยใช้มุมภายในแต่จะใช้มุมอะซิมัท ดังนั้นมุมภายในเหล่านี้ต้องเปลี่ยนเป็นเทอมของมุมอะซิมัททั้งหมด ซึ่งไม่ได้ยุ่งยากอะไร ถ้าทราบมุมอะซิมัทที่ไปหาสถานีแรก P₁ ก็จะทราบอะซิมัทสถานีที่เหลือทั้งหมด แต่ในความเป็นจริงเราไม่ทราบ เพราะว่าค่าพิกัด P1 ยังไม่ทราบในตอนนี้

สำหรับสมการคำนวณหาอะซิมัทและระยะทางระหว่างจุด P_i และ P_k เมื่อทราบค่าพิกัดคำนวณได้ดังสมการ

เป็นสมการไม่เชิงเส้นครับ ทำการถอดสมการด้วอนุกรมเทเลอร์สมการมุมอะซิมัทมาได้ดังนี้ หมายเหตุผมจะพาไปแบบรวบรัด รายละเอียดอ่านได้ที่ตำราที่แนะนำไปข้างต้น

โดยที่ E = E₀ + ΔE และ N = N₀ + ΔN ส่วน E₀ และ N₀ คือค่าเริ่มต้นเป็นค่าประมาณการ ส่วนค่า ΔE, ΔN เป็นค่าปรับแก้ (correction) ซึ่งสองตัวนี้จะคำนวณได้จากสมการ least squares ที่กำลังจะว่ากันต่อไป และถ้าดูสมการจะเห็นว่าติดค่าอนุพันธ์ (ดิฟ) ซึ่งค่าดิฟหาได้ดังนี้

จากสมการด้านบน a_ik, b_ik เรามีค่าประมาณการเริ่มต้น E_i, N_i ดังนั้นสามารถหาค่าพวกนี้ได้ มาดูสมการระยะทางค่าดิฟ หาได้ดังนี้

จากสมการด้านบน c_ik, d_ik เรามีค่าประมาณการเริ่มต้น E_i, N_i ดังนั้นสามารถหาค่าพวกนี้ได้เช่นเดียวกัน

ตั้งสมการ Observation Equation สำหรับการวัดมุมภายใน (เล็งสกัดย้อน)

สมการ Observation Equation เป็นสมการที่เป็นหัวใจของการคำนวณ least squares ถ้าตั้งสมการนี้ได้ก็สามารถคำนวณต่อได้ แต่งานรังวัดถ้าวัดเกินมาจะมี residual เป็นส่วนเกิน สมการ Observation Equation ของการวัดมุมอะซิมัทแสดงได้ดังนี้

v_ik คือ residual คงไม่ลืมกันนะว่า มุมอะซิมัท Ø_ik จากสถานีตั้งกล้องไปยังแต่ละสถานีหมุดหลักฐานเท่ากับ อะซิมัทไปหมุดสถานีหลักฐานตัวแรก Z_i บวกด้วยมุมราบที่กวาดไป α_ik เขียนในรูปอนุกรมเทเลอร์ดังนี้

ในกรณีงานรังวัดเล็งสกัดย้อน ΔN_k และ ΔE_k ทราบค่าพิกัดดังนั้นเทอมตัวนี้จะเป็นศูนย์ กลายเป็นสมการนี้

ตั้งสมการ Observation Equation สำหรับการวัดระยะทาง

คล้ายๆกับสมการสำหรับการวัดทิศทาง แสดงได้ดังนี้

เขียนในรูปอนุกรมเทเลอร์

ตั้งสมการ Observation Equation สำหรับการวัดแบริ่ง (เล็งสกัด)

ถือว่าเป็นอาหารเสริมก็แล้วกัน สมัยนี้ยุค GNSS  คงหายากแล้วสำหรับการวัดภาคทิศอะซิมัทด้วยการวัดดาว

สมการเดียวกับที่เราใช้เล็งสกัดย้อน แต่ในที่นี้เราทราบค่าพิกัด N_k, E_k  ทำให้ ΔN_k และ ΔE_k เทอมตัวนี้จะเป็นศูนย์ และสมการจะคงเหลือดังนี้

ตัวอย่างงานรังวัดเล็งสกัดย้อนแบบรวมวัดมุม ระยะทาง และรังวัดภาคทิศ

มาถึงตอนนี้ผู้อ่านบางท่านเห็นสมการแล้วอาจจะงงงวยเหมือนผมในตอนแรกๆ มาลองแก้สมการดูจากตัวอย่างโจทย์ ที่นี้จะทำให้เข้าใจมากขึ้น ดูรูปด้านล่าง ตั้งกล้องที่จุด P ทำการรังวัดโดยที่วัดมุมไปยังสถานีหลักฐาน โจทย์ตัวนี้เป็นโจทย์ที่ผมเจอในอินเทอร์เน็ต เมื่อค้นหาการคำนวณเล็งสกัดย้อนแบบวิธีคำนวณ least square ดูได้ที่ลิ๊งค์นี้ โจทย์ที่จะคำนวณเปิดไปดูได้หน้าท้ายๆ

กำหนดค่าพิกัดหมุดสถานีหลักฐานดังตารางด้านล่าง วัดมุมโดยที่เล็งไปที่สถานี 1 ตั้งมุมราบเป็นศูนย์แล้ววัดมุมไปที่สถานี 2, 4, 5 และ 6 ทำการวัดระยะทางไปที่สถานี 1, 3  และ 5  รังวัดภาคทิศ (วัดดาว) ที่สถานี 1, 3 และ 6 ดังตารางด้านล่าง

คำนวณหาค่าพิกัดจุดตั้งกล้องโดยประมาณ

ผมใช้เครื่องคิดเลข fx 9860 GII SD คำนวณหาค่าพิกัดของ P  ด้วยโปรแกรม Resection ป้อนค่าพิกัดและมุมได้ดังนี้

จุด A, B และ C  ของเครื่องคิดเลขก็คือจุดที่ 1, 2 และ 6 ของโจทย์ด้านบนตามลำดับ

ผมจะใช้ค่าจุด P ที่ค่าพิกัดโดยประมาณ N = 193939.897 E = 110879.464 เพื่อเป็นค่าเริ่มต้นในการคำนวณด้วย least squares

เนื่องจากบทความยาวมาก ติดตามกันตอนที่ 2 ต่อนะครับ