第5章 测量误差知识.ppt

土木工程测量 主要内容水准测量角度测量距离测量测量误差 ObservationInaccuracy 小地区控制测量地形图测绘及应用施工测量与施工放样 第五章测量误差知识 第一节观测误差概述对未知量进行测量的过程称为观测 测量所获得的数据称为观测值 观测值与真实值 简称真值 之间的差异称为观测误差或测量误差 用li代表观测值 X代表真值 则 其中 i就是观测误差 通常称为真误差 简称误差 1 产生观测误差的原因 1 仪器 工具 仪器因素 仪器构造上的缺陷和仪器本身精密度的限制 2 观测者 人为因素 观测者的技术水平和感官能力 3 外界条件 环境因素 环境温度 湿度 风力 透明度 大气折光等 2 观测误差的分类和处理方法 观测误差可分为粗差 系统误差和偶然误差三种 1 粗差粗差又称 不正当误差 过失误差 属于大量级误差 含有粗差的测量值称为 坏值 或 异常值 产生原因 作业人员的疏忽大意 失职 如照错目标 读错 记错等 仪器受到干扰或发生故障 容许误差取得过小等 处理办法 严格按照测量规范 进行必要的重复观测 通过多余观测进行严密检核 验算 含粗差的观测值都不能用 一旦发现粗差 观测值必须舍弃并重测 观测误差的分类和处理方法 2 系统误差 systemerror 在一定观测条件下对观测量作一系列的观测 大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差 系统误差具有积累性 产生原因 如经纬仪竖盘指标差对竖直角的影响 地球曲率对测距和高程的影响等 消减办法 严格检校仪器 在观测方法和程序上采取必要措施 如角度测量中采取盘左 盘右观测 找出产生系统误差的原因和规律 对观测值进行改正 如对距离观测值进行三项改正 对竖直角进行指标差改正等 观测误差的分类和处理方法 3 偶然误差 accidenterror 在一定观测条件下进行一系列观测 大小和符号呈现偶然性的误差称为偶然误差 又称随机误差 此类误差表面上看来没有规律性 产生原因 不固定 难以控制 如估读误差 照准误差等 其大小 符号纯属偶然 处理办法 粗差可以发现并剔除 系统误差可加以改正 但偶然误差是不可避免的 大量的偶然误差具有统计规律性 可对其进行统计分析 并运用其统计特性来建立衡量测量精度的相关标准 偶然误差的特性 3 偶然误差的特性偶然误差在消除了粗差和系统误差的观测值中占主导地位 因此 本章主要研究偶然误差 对某未知量进行n次观测 其偶然误差具有统计规律 统计大量的实验结果 表明偶然误差有如下特性 1 范围 有界性 在一定观测条件下的有限个观测中 偶然误差的绝对值不超过一定限值 2 数值 超小性 绝对值小的误差出现的频率大 绝对值大的误差出现的频率小 3 符号 相等性 绝对值相等的正 负误差出现的频率大致相等 偶然误差的特性 4 累加相消性当观测次数无限增大时 偶然误差的算术平均值极限为零 即 其中 中括号 表示变量代数和 频率直方图以误差大小 为横坐标 以频率k n与区间d 的比值 k n d 为纵坐标 用直方图表示偶然误差的分布情况 偶然误差的特性 误差分布曲线误差个数n 同时无限缩小误差区间d 频率直方图成为光滑曲线 即误差分布曲线 是正态分布曲线 函数式为 为概率密度函数 为误差分布标准差 第二节衡量观测值精度的标准 从统计学角度上说 精度是指误差分布的密集或离散程度 它体现了观测结果的优劣 衡量精度的标准主要有以下几种 1 中误差标准差是衡量精度的一种理论表达式 但观测次数不可能无限多 因此实用中以中误差作为精度衡量标准的一种 其定义为 衡量观测值精度的标准 中误差又称均方误差 式中 2 i 2 i为观测真误差 中误差的几何意义即为偶然误差分布曲线的两个拐点横坐标 中误差与精度成反比 中误差与真误差均为绝对误差 2 相对误差采用中误差m的绝对值与观测值L的比值作为衡量精度的指标 称为相对中误差 是相对误差的一种 一般用K表示 即 衡量观测值精度的标准 距离测量中 还常用相对较差来检核 其定义为 相对较差是相对真误差 它反映往返测量的符合程度 注意 不能用相对误差来衡量测角精度 因为测角误差与角度大小无关 衡量观测值精度的标准 3 极限误差和容许误差极限误差是偶然误差绝对值的限值 偶然误差绝对值大于3 的概率仅为0 3 可以认为 3 是真误差的极限 即3 为极限误差 测量实践中 用容许误差对偶然误差的绝对值进行限制 根据精度要求的不同 测量规范常作如下规定 或 第三节误差传播定律 设观测值Z是独立观测变量X1 X2 Xi Xn的函数 即Z f X1 X2 Xi Xn Z的中误差为mZ 各独立变量对应的观测中误差分别为m1 m2 mi mn 各变量观测中误差与其函数中误差之间的关系 称为误差传播定律 由泰勒级数展开可推导得到其表达式为 推导过程见附录1 误差传播公式 简单函数的中误差传播公式 误差传播定律 例题 例5 1 y Dsin 观测值D 225 85m 0 06m 157 00 30 20 求 y的中误差m y 解根据误差传播公式有 则 y的中误差m y为 及 第四节等精度直接观测平差 除了标准实体或特殊观测量 如三角形内角和 任何单个未知量的真值都无法确知 为可靠估计真值 只有通过重复观测 提高测量成果精度 为消除重复观测值之间的矛盾 尽可能的估计真值 就必须按一定的数据处理原则 采用适当计算方法 对观测值加以必要而又合理的调整 予以适当改正 从而求得观测量的最佳估值 并对观测质量进行评估 这一数据处理过程称为测量平差或观测平差 在相同条件下进行的观测称为等精度观测 所得观测值称为等精度观测值 对一个未知量的直接观测值进行平差称为直接观测平差 最或是值 1 最或是值平差结果是得到未知量最可靠的估值 最接近真实值 称为最或是值 等精度直接观测平差中 观测值的算术平均值是未知量的最或是值 观测值与最或是值之差 称为最或是误差 用vi表示 设对某量进行了n次等精度观测 其观测值为l1 l2 li ln 该未知量的真值为X 各观测值的真误差为 1 2 i n 则其最或是值为 v 0 评定精度 观测值中误差 2 评定精度由于单个未知量的真值不可知 因此真误差也就不可知 所以不能直接由中误差的定义来求中误差 但是可以通过有限个等精度观测值li求出最或是值x 然后求出最或是误差vi 进而计算中误差m 由真误差 中误差的关系 利用最或是误差的概念 可得等精度观测的观测值中误差计算公式 推导过程见附录2 评定精度 最或是值中误差 由最或是值x 观测值中误差m 运用误差传播定律 可得最或是值中误差 推导过程见附录2 由上式可知 最或是值 算术平均值 的中误差与观测次数平方根成反比 因此增加观测次数n可提高最或是值的精度 但当n达到一定数值后 如n 10 再增加观测次数 则工作量增加 而提高精度的效果却不明显 故应设法提高观测值本身的精度 评定精度 例题 例5 2 对某角度进行了5次等精度观测 观测结果列于下表 试求观测值的中误差m 解计算最或是值x 最或是误差vi并列于表中 则观测值中误差m为 第五节不等精度直接观测平差 若观测时仪器精度不同 或观测方法不同 或外界条件不同 不同观测条件下的观测称为不等精度观测 获得的观测值称为不等精度观测值 对某未知量进行不等精度观测时 各观测值的中误差不同 观测值也具有不同的可靠性 因此 在对观测值进行最可靠估值时 就不能简单的取算术平均值 不等精度观测值的可靠性 可用观测值 权 来表示 观测值精度越高 其权越大 需要指出的是 权只具有相对意义 起作用的是各观测值权的比值 权通常用字母p表示 且恒为正 权与中误差的关系 1 权与中误差的关系观测值的中误差越小 其值越可靠 权就越大 因此可用观测值的中误差来定义观测值的权 设n个不等精度观测值的中误差为mi i 1 2 n 则权可由下式来定义 式中 可取任意正常数 选择适当的 值可使权成为便于计算的数值 权与中误差的关系 例题 例5 3 对某一角度进行了n次不等精度观测 求算术平均值x的权 解设一测回角度观测值的中误差为m 算术平均值x的中误差为 设 m2 由权的定义可得 算术平均值x的权为 等于1的权称为单位权 一测回观测值的权为 角度观测的权与其测回数成正比 加权平均值及其中误差 2 加权平均值及其中误差设不等精度观测值li的权为pi i 1 2 n 则加权平均值L0为不等精度观测值的最或是值 即 加权平均值中误差可用最或是误差vi li L0来表示 附录1中误差传播公式 设观测值Z是独立观测变量X1 X2 Xn的函数 即Z f X1 X2 Xn Z的中误差为mZ 各独立变量对应的观测中误差分别为m1 m2 mn 各变量观测中误差与其函数中误差之间的关系 称为误差传播定律 现推导中误差传播公式如下 设 1 式 1 中 Xi 独立变量真值 li 独立变量Xi的观测值 i li的偶然误差 附录1中误差传播公式 将式 2 按多元函数泰勒级数展开 有 则 2 3 式 2 中 Z为函数Z的误差 即 4 附录1中误差传播公式 又设各独立变量都观测了k次 则 Z的平方和为 5 附录1中误差传播公式 由偶然误差的相消性可知 当观测次数k 时 上式中 i m i m 的总和趋于0 并由中误差的概念 有 6 式 6 中 i 1 2 n 将 6 式带入 5 式并整理可得中误差传播公式 附录2观测值与最或是值的中误差公式 1 观测值的中误差公式某未知量的n次等精度观测值为l1 l2 ln 则真误差 i及最或是误差vi分别为 7 式 7 二式相减 可得 8 令x X 代入式 8 则有 9 附录2观测值与最或是值的中误差公式 式 9 两边取平方和 可得 10