测量(5测量误差的基本知识)

《测量(5测量误差的基本知识)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量(5测量误差的基本知识)（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一、测量误差概述 二、衡量测量精度的标准 三、误差传播定律 四、等精度直接观测平差 五、不等精度直接观测平差,第5章 测量误差的基本知识,5.1 测量误差概述,何谓误差？误差就是某未知量的观测值与其真值的差数。该差数称为真误差。即,式中vi为似真误差；li为观测值；x表示观测值的最或然值。,一般情况下，某未知量的真值无法求得，此时计算误差时，用观测值的最或然值代替真值。观测值与其最或然值之差，称为似真误差。观测值的最或然值是接近于真值的最可靠值，将在本章最后一节讨论。即,式中i为真误差；li为观测值；X表示真值。,1、仪器误差：测量工作中要使用测量仪器。任何仪器只具有一定限度的精密度，使观测值

2、的精密度受到限制。,2、观测者误差：由于观测者的视觉、听觉等感官的鉴别能力有一 定的局限，所以在仪器的安置、使用中会产生误差，如整平误差、照准误差、读数误差等。,5.1.1 测量误差的来源 产生测量误差的原因很多，其来源概括起来有以下三个方面。,3、外界条件的影响：测量工作都是在一定的外界环境条件下进行的，如温度、风力、大气折光等因素，这些因素的差异和变化都会直接对观测结果产生影响，必然给观测结果带来误差。,通常把仪器误差、观测者的技术条件（包括使用的方法）及外界条件这三方面因素综合起来，称为观测条件。 观测条件相同的各次观测称为等精度观测。相反，观测条件之中，只要有一个不相同的各次观测称为不

3、等精度观测。,5.1.2 测量误差的种类,按测量误差对观测结果影响性质的不同，可将测量误差分为粗差、系统误差和偶然误差三类。,1、系统误差 定义：在相同的观测条件下，对某量进行的一系列观测中，数值大小和正负符号固定不变，或按一定规律变化的误差，称为系统误差。,系统误差具有累积性，对观测结果的影响很大，但它们的符号和大小有一定的规律。因此，系统误差可以采用适当的措施消除或减弱其影响。,通常可采用以下三种方法： (1)观测前对仪器进行检校 (2)采用适当的观测方法，例如正倒镜观测法。 (3)研究系统误差的大小，事后对观测值加以改 正。,定义：在相同的观测条件下对某量进行一系列观测， 误差的出现的符

4、号和大小都不一定，表现出偶然性，这种误差称为偶然误差，又称随机误差。例如，水准尺读数时的估读误差，经纬仪测角的瞄准误差等等。对于单个偶然误差没有什么规律，但大量偶然误差则具有一定的统计规律。,i=ai+bi+ci-180,（i=1,2, 358）,2、偶然误差,【例1】 在相同的观测条件下，对一个三角形三个内角重复观测了100次，由于偶生误差的不可避免性，使得每次观测三角形内角之和不等于真值180。用下式计算真短i，然后把这100个真误差按其绝对值的大小排列，列于下表。,180个三角形内角和真误差分布情况,上表用较直观的直方图表示。横坐标表示偶然误差 ，纵坐标表示误差出现的相对个数 （又称频率

5、）除以区间间隔d （又称组距），即频率/ 组距，因此每个矩形的面积等于该区间误差出现的频率 。,+,(频率/ 组距),ki/n (频率),本例组距: d =0.2,(频率/ 组距),上图直方图顶端连线是一条对称的光滑曲线，称为高斯偶然误差分布曲线。在概率论中称正态分布曲线。,y=f (),y,d,i,长方条面积f (i) d是微 小区间( +d / 2, -d / 2) 内的概率p (i),由推导可知：,上图可知：p (i)= f (i) d = f (i) 1= f (i) ， 故 f ()可以理解为误差出现在 附近一个单位区间上的概率。,当=0 时，,为函数的最大值,f (),精度高,精度

6、低,h=2,h=1,式中h为精度指数 e为自然对数的底, e=2.7183,0,1. 有界性： 在一定的条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限度； 2. 集中性： 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多； 3. 对称性： 绝对值相等的正负误差出现的机会相等； 4. 抵偿性： 偶然误差的算术平均值趋近于零，即,偶然误差特性：,结论：在观测过程中，对于系统误差一般可以通过检校仪器、采用适当的观测法以及事后对观测值加以计算改正，因此，偶然误差是测量误差理论主要研究对象。根据偶然误差的特性对该组观测值进行数学处理，求出最接近于未知量真值的估值，称为最或是值；同时，评定观测结果质量的优劣，即评定精

7、度。,5.1.3. 观测值的精度与数字精度,观测值接近真值的程度，称为准确度（accuracy）。愈接近真值，其准确度愈高。系统误差对观测值的准确度影响极大，因此，在观测前，应认真检校仪器，观测时采用适当的观测法，观测后对观测的结果加以计算改正，从而消除系统误差或减弱至最低可以接受的程度。 一组观测值之间相互符合的程度（或其离散程度），称为精密度（precision）。一观测列的偶然误差大小反映出观测值的精密度。准确度与精密度两者均高的观测值才称得上高精度的观测值。所谓精度包含准确度和精密度。,数字的精度是取决于小数点后的位数，相同单位的两个数，小数点后位数越多，表示精度越高。因此小数点后位数

8、不可随意取舍。例如，17.62m与17.621m，后者准确到mm，前者只准确到cm。从这里可知：17.62m与17.620m，这两个数并不相等，17.620m准确至毫米，毫米位为0。因此，对一个数字既不能随意添加0，也不能随意消去0。,1、中误差 根据推导可知：精度指标h,5.2 衡量观测值精度的标准,式中：各偶然误差平方和， n偶然误差 的个数。,式中,m表示该组观测值的精度，它 代表该组观测值中任一个观测值的精度。根据推导可知偶然误差分布曲线拐点的横坐标 拐= m 这就是中误差的几何意义。,+m,-m,y,+,P(|)m,【例2】 ：甲、乙两组，各自在同精度条件下对某一三角形的三个内角 观

9、测10次，算得三角形闭合差i 如下： 甲组：+30,-20,-40,+20, 0, -40,+30,+20,-30,-10 乙组：+10,-10,-60,+20,+20,+30,-50, 0, +30,-10 （上列数据单位均为秒） 试问哪一组观测值精度高？,试解：计算甲乙两组的平均误差进行比较：,用平均误差衡量结果是：甲=乙。但是，乙组观测列中有较大的观测误差，乙组观测精度应该低于甲组，计算平均误差反映不出来，所以平均误差衡量观测值的精度是不可靠的。,正确解法：用中误差公式计算得:,因此,甲组观测值的精度较乙组高。m甲=27,表示甲组中任意一个观测值的误差（或称单位观测值的中误差）。 m乙=

10、30表示乙组中任意一个观测值的误差。,2、极限误差,定义：由偶然误差的第一个特性可知，在一定的观测条件下， 偶然误差的绝对值不会超出一定的限值。这个限值就是 极限误差。, ,y,P（ -m +m） 68.3,P（-2m+2m） 95.4,P（-3m+3m） 99.7,在区间（-m，m）内偶然误差出现的概率值为68.3。说明大于一倍中误差的偶然误差出现的概率为31.7。,在区间（-2m，2m）内偶然误差的概率值为95.4。说明大于二倍中误差的偶然误差出现的概率仅为4.6。,在实际测量中观测次数很有限，绝对值大于2m或2m的误差出现机会很小，故取二倍或三倍中误差作为容许误差（多采用2m），即,容=

11、2m 或 容=3m,在区间（-3m，3m）内偶然误差的概率值为99.7。说明大于三倍中误差的偶然误差出现的概率仅为0.3。,对于衡量精度来说，有时单靠中误差还不能完全表达观测结果的质量。例如，测得某两段距离，一段长200m，另一段长1000m，观测值的中误差均为0.2m 。从表面上看，似乎二者精度相同，但就单位长度来说，二者的精度并不相同。这时应采用另一种衡量精度的标准，即相对误差。,3、相对误差,相对误差：是中误差与观测值之比，是个无量纲数，在测量 上通常将其分子化为1。即用K=1/N的形式来表示。上例前者的相对中误差为0.2/200=1/1000，后者为0.2/1000=1/5000。显然

12、，相对中误差愈小（分母愈大），说明观测结果的精度愈高，反之愈低。,相对中误差常用在距离与坐标误差的计算中。角度误差不用相对中误差，因角度误差与角度本身大小无关。,常用几种相对误差计算式：,5.3 误差传播定律,在实际测量工作中，某些量的大小往往不是直接观测到的，而是间接观测到的，即观测其它未知量，并通过一定的函数关系间接计算求得的。,非线性函数,表述观测值函数的中误差与观测值中误差之间关系的定律称为误差传播定律。,例如： h=a-b 线性函数,误差传播定律：,倍数函数： Z=KX,则,【例3】： 在1：500地形图上量得某两点间的距离d=234.5mm, 其中误差 md=0.2mm ，求该两点

13、的地面水平距离D 的值及其中误差 mD 。,解:,1.倍数函数,和差函数 Z=X1X2 且X1、X2独立。则,【例4】 ： 已知当水准仪距标尺75m时，一次读数中误差为 （包括照准误差、气泡置中误差及水准标尺刻划中误差），若以二倍中误差为容许误差，试求普通水准测量观测n站所得高差闭合差的容许误差。,2.和差函数,【解】：水准测量每一站高差：,则每站高差中误差,观测n站所得总高差,则n站总高差h的总误差,若以二倍中误差为容许误差，则高差闭合差容许误差为,【例5 】 ：DJ6型光学经纬仪观测角度，瞄准误差为m瞄，读数误差为m读，求(1)观测一个方向的中误差m方；(2)半测回的测角中误差 m半(3)

14、两个半测回较差的容许值容；,(1)观测一个方向的中误差m方 观测一个方向包含瞄准误差m瞄与读数误差 m读，,(2)半测回的测角中误差 m半,(3)两个半测回较差的容许值容,容=312=36 考虑到其他因素，测回法规定两个半测回较差的容许值 容=40,当和差函数为 y=x1x2xn 设x1、x2、xn的中误差分别为m1、m2、mn时，则,即函数y的中误差的平方等于各观测值xi中误差的平方和。 当x1、x2、xn为等精度观测值时，则 m1= m2 =m3= mn=m 此时上式改变为,线性函数 Z=K1X1+K2X2+.+KnXn+K0,3.线性函数,即线性函数中误差的平方，等于各常数与相应观测值中

15、误差乘积的平方和。,【例6】 对某量等精度观测n次，观测值为l1、l2ln，设已知各观测值的中误差m1=m2= mn=m，求等精度观测值算术平均值x及其中误差M。,【解】等精度观测值算术平均值x,上式表明，算术平均值的中误差比观测值中误差缩小了n倍，即算术平均值的精度比观测值精度提高n倍。测量工作中进行多余观测，取多次观测值的平均值作为最后的结果，就是这个道理。但是，当n增加到一定程度后(例如n=6) ，M值的减小的速度变得十分很慢，所以为了达到提高观测成果精度的目的，不能单靠无限制地增加观测次数，应综合采用提高仪器精度等级、选用合理的的观测方法及适当增加观测次数等措施，才是正确的途径。,上式可改写为,算术平均值x的中误差M,一般函数,4.一般函数,【例7】 测得两点地面斜距L=225.850.06m，地面的倾斜角= 17301，求两点间的高差h及其中误差mh 。,【解】根据题意可写出计算高差h公式为 h=Lsin,因为,所以上式变为,将上式微分转为中误差，上式可写成,现举2实例说明解题步骤： 例1：量得圆半径R=31.3mm，其中误差mR=0.3mm, 求圆面积 的中误差。 例2：某房屋, 长边量得结果: 80