IZ ZNANOSTI IN STROKE ANALIZA NATANČNOSTI DOLOČITVE KOORDINAT TOČK V RAVNINSKI MREŽI Z METODO MONTE CARLO mag. Tomaž Ambrožič* doc. dr. Goran Turk** Izvleček Obravnavana je analiza natančnosti določitve koordinat točk v ravninski geodetski mreži, ko so opazovanja simulirana in nato izravnana z metodo Monte Carlo. Na tak način dobljeni rezultati so primerljivi z rezultati iz kovariančne matrike. Čeprav je opisana metoda računsko mnogo zahtevnejša, nudi očitno prednost: pogreški opazovanj so lahko poljubno porazdeljene in medsebojno odvisne slučajne spremenljivke. Pri klasični metodi se predpostavlja, da so pogreški neodvisne, normalno porazdeljene slučajne spremenljivke. KLJUČNE BESEDE: simulacija Monte Carlo, izravnava geodetskih mrež Abstract In this article the analysis of the accuracy of the coordinate estimation in a plane geodetic network is performed employing the Monte Carlo simulation method. Results obtained by this method are comparable with the conventional method of covariance matrix. Although the proposed method is numerically less efficient, it offers one important advantage: measurement errors may be arbitrarily distributed and mutually dependent random variables, whereas in conventional methods they are assumed to be independent normally distributed random variables. KEYWORDS: Monte Carlo simulation, ; network adjustment 11 1. UVOD V članku bomo obravnavali horizontalne - ravninske geodetske mreže. Navajeni smo, da vse mere natančnosti določitve izravnanih koordinat točk v mreži izračunamo iz kovariančne matrike ocenjenih neznank Es^j;. Najpogosteje uporabljene lokalne mere natančnosti so elipsa pogreškov (podana z velikostjo velike in male polosi ter smernim kotom velike polosi) in standardni deviaciji koordinat točke. Navedene mere natančnosti lahko uporabimo tudi pri projektiranju mrež, saj so odvisne samo od oblike mreže in vrste opazovanj ter njihove natančnosti. FGG - Oddelek za geodezijo, Ljubljana FGG - Oddelek za gradbeništvo, Ljubljana Geodetski vestnik * V nadaljevanju bomo pokazali, da lahko pri projektiranju mrež natančnost določitve izravnanih koordinat točk v mreži ocenimo na drugačen način. Opazovanja simuliramo z metodo Monte Carlo in jih izravnamo. Postopek mnogokrat ponovimo. Kot rezultat dobimo oblak točk okoli predpostavljene pričakovane lege točke. Če čez oblak točk položimo elipso pogreškov, ki zajame izbran odstotek točk, dobimo vsem znano lokalno mero natančnosti - elipso pogreškov. 2. METODA MONTE CARLO Simulacije so numerično orodje, s katerim opravimo preizkuse na računalniku. Preizkus vključuje nek matematični ali logični model, ki opisuje problem, ki ga rešujemo. S simulacijami inženirji in drugi strokovnjaki rešujejo najrazličnejše probleme: obnašanje letala, delovanje telekomunikacijskega sistema, delovanje trga, vojskovanje in drugo. Poglavitna prednost simulacij je, da lahko z njimi rešujemo najrazličnejše probleme, ki jih drugače ne bi mogli rešiti. Pomanjkljivost te metode je, da ni zelo natančna, saj je njen rezultat le statistična ocena neznanega parametra neke slučajne spremenljivke. Druga pomanjkljivost simulacij je v tem, da so relativno počasen postopek. 12 Če simulacije izvajamo tako, da generiramo slučajne spremenljivke z določeno porazdelitveno funkcijo, jim pravimo metoda Monte Carlo. To ime se je prvič pojavilo med drugo svetovno vojno, ko so znanstveniki von Neuman, Ulam, Fermi in drugi v laboratorijih v Los Alamosu tudi s pomočjo simulacij žal uspešno skonstruirali prvo atomsko bombo. Sicer pa je ideja o generiranju slučajnih spremenljivk in njihova uporaba pri reševanju problemov bistveno starejša. Prvi dobro dokumentiran primer je opravil Comte de Buffon leta 1777, ko je v problemu, znanem kot Buffonova igla, s simulacijami določil vrednost števila n. Pozneje so generiranje slučajnih števil uporabili tudi Lord Kelvin (1901), W.S. Gosset (Student) (1908), Fermi (1930) in drugi (Kalos et al., 1986, Rubinstein, 1981). Z razvojem boljših, hitrejših računalnikov postaja metoda Monte Carlo uporabna za vse širši krog ljudi. Omenili smo že, da metoda Monte Carlo vključuje generiranje vzorca poljubno porazdeljene slučajne spremenljivke X s porazdelitveno funkcijo Fx(x). Generiranje vzorca slučajne spremenljivke X temelji na vzorcu enakomerno porazdeljene slučajne spremenljivke U s porazdelitveno funkcijo F^(u) = u (za 0 < u < 1). Vzorca povsem slučajne spremenljivke ni lahko generirati, poleg tega ima tak vzorec pomanjkljivost, da je enkraten in izračuna ne moremo ponoviti s povsem enakimi vrednostmi. Zato z računalniki običajno generiramo vzorce tako imenovanih psevdoslučajnih Geodetski vestnik števil, ki so pravzaprav zaporedja determinističnih števil z zelo veliko periodo ponovitve. Ta zaporedja imajo enake lastnosti kot zaporedja povsem slučajnih števil. Skoraj vsi računalniški programi, namenjeni računanju (na primer prevajalniki: Fortran, C, Pascal, Basic^ in drugi programi: Matlab, Mathematica, Excel), vključujejo tudi "generatorje slučajnih števil", s katerimi generiramo zaporedja psevdoslučajnih števil, ki ustrezajo vzorcu slučajne spremenljivke U, ki je porazdeljena enakomerno od 0 do 1. Vzorec poljubno porazdeljene slučajne spremenljivke oziroma vektorja lahko generiramo z različnimi metodami, ki so obširno opisane v literaturi (glej npr. Devroy, 1986). Te metode so: inverzna metoda, metoda sprejema in zavrnitve, polarna metoda, metoda trakov, mrežna metoda in druge. Najpogosteje uporabljamo inverzno metodo, ki je najprimernejša za generiranje neodvisnih slučajnih spremenljivk. 3. INVERZNA METODA GENERIRANJA VZORCA SLUČAJNIH SPREMENLJIVK Vzemimo, da imamo enako velika vzorca dveh slučajnih spremenljivk. Prva, X, je porazdeljena po porazdelitvi Fx(x), druga, U, pa je enakomerno porazdeljena od 0 do 1: Fu (u) = u (za 0 < u < 1). Elemente v obeh vzorcih razvrstimo po velikosti in predpostavimo, da je verjetnost, da sta slučajni spremenljivki X in U manjši od i-tega elementa ustreznega vzorca, enaka, ne glede na porazdelitev. To predpostavko v enačbi zapišemo takole: P[X