測(cè)量學(xué)-測(cè)量誤差的基本理論.ppt

第6章 測(cè)量誤差的基本理論,6.1測(cè)量誤差概述 6.2測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo) 6.3誤差傳播定律及其應(yīng)用 6.4算術(shù)平均值及其中誤差 6.5廣義算術(shù)平均值及其精度評(píng)定,6.1測(cè)量誤差概述,觀測(cè)中常見的現(xiàn)象舉例,1如圖1，對(duì)兩點(diǎn)的距離重復(fù)丈量n次，但結(jié)果不相等，即,。,2.對(duì)三角形三個(gè)內(nèi)角進(jìn)行觀測(cè)，得值a,b,c,但是,現(xiàn)象總結(jié)：(1)同一觀測(cè)量之間的值不相等,(2)觀測(cè)值與其理論值(真值)之間有差異. 原因:觀測(cè)中存在觀測(cè)誤差。,6.1測(cè)量誤差概述,一、測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因 誤差來源的三個(gè)方面： 1、觀測(cè)者 觀測(cè)者的感覺器官的鑒別能力限制；技術(shù)熟練程度。 2、測(cè)量?jī)x器 儀器本身器件之間裝配；使用過程中的變化。 3、測(cè)量環(huán)境（外界條件） 溫度、氣壓、大氣折光、風(fēng)力、大氣透明度等。 三者合稱為觀測(cè)條件 二、誤差分類： 真誤差的定義i=X-li 根據(jù)觀測(cè)誤差對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響性質(zhì)分為： 系統(tǒng)誤差、偶然誤差、粗差。,6.1測(cè)量誤差概述,二、誤差分類： 1、系統(tǒng)誤差 （1）定義：在相同的觀測(cè)條件下作一系列的觀測(cè)，如果誤差在大小、符號(hào)上表現(xiàn)出系統(tǒng)性，或者在觀測(cè)過程中按一定的規(guī)律變化，或者為某一常數(shù)，那么，這種誤差就稱為系統(tǒng)誤差。 （2）舉例：尺長(zhǎng)誤差（保持常數(shù)）；水準(zhǔn)測(cè)量中的i角誤差（系統(tǒng)性）；大氣折光，白天黑夜相反；鋼尺溫度變化，熱脹冷縮（有規(guī)律變化） （3）消除或減弱的方法 好的觀測(cè)方法 水準(zhǔn)測(cè)量中，前后視距相等，可以消除i角對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響；角度測(cè)量中，盤左、盤右取中數(shù)可以消除豎盤指標(biāo)差的影響。 加改正數(shù)方法。 例如，鋼尺量距時(shí)，加入尺長(zhǎng)改正、溫度改正等。,6.1測(cè)量誤差概述,二、誤差分類： 2、偶然誤差（隨機(jī)誤差） （1）定義：在相同的觀測(cè)條件下作一系列的觀測(cè)，如果誤差在大小和符號(hào)上都表現(xiàn)出偶然性，即從單個(gè)誤差看，該列誤差的大小和符號(hào)沒有規(guī)律性，但就大量誤差的總體而言，具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種誤差稱為偶然誤差。 （2）舉例：讀數(shù)誤差，照準(zhǔn)誤差 （3）消除或減弱的方法 采用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論進(jìn)行處理，減弱偶然誤差的影響。 3、粗差 （1）定義：指比可能產(chǎn)生的最大誤差還大的誤差（或錯(cuò)誤）。 （2）舉例：找錯(cuò)目標(biāo)、大數(shù)讀錯(cuò)等 （3）消除或減弱的方法 嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)定的程序進(jìn)行測(cè)量工作，加強(qiáng)檢核措施等。,6.1測(cè)量誤差概述,三、偶然誤差的特性 1.列表法分析 用601個(gè)三角形閉合差（真誤差）進(jìn)行分析，見表6-1,6.1測(cè)量誤差概述,偶然誤差的四個(gè)特性： 用真誤差 列于據(jù)表6-1數(shù)據(jù)分析，得偶然誤差的四個(gè)特性： （1）在一定的觀測(cè)條件下，偶然誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的限值。 （2）絕對(duì)值小的偶然誤差比絕對(duì)值大的偶然誤差出現(xiàn)的可能性大（頻率大或概率大）。 （3）絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的可能性相等。 （4）在相同觀測(cè)條件下，同一量的多次觀測(cè)值的偶然誤差的算術(shù)平均值，隨著觀測(cè)次數(shù)的無限增大而趨于零。即,分析方法：誤差分布表法、直方圖法、數(shù)字特征法。,6.1測(cè)量誤差概述,2.直方圖分析法 用表6-1的數(shù)據(jù)作出圖6-1的誤差分布圖，更加直觀的說明偶然誤差的特性。這種圖稱為誤差頻率分布直方圖。 橫坐標(biāo)表示誤差的數(shù)值大??； 縱坐標(biāo)表示誤差出現(xiàn)在該區(qū)間的頻率ni/n除以區(qū)間的間隔值d,即：ni/n/d 因此，各每個(gè)矩形的面積等于誤差出現(xiàn)于該區(qū)間的頻率,6.1測(cè)量誤差概述,3.偶然誤差的概率分布 當(dāng)誤差個(gè)數(shù)區(qū)域無窮、誤差區(qū)間無限小時(shí)，頻率直方圖變?yōu)楦怕史植紙D，其直方圖的頂端的折線變?yōu)楣饣那€。 該曲線在概率論中稱之為正態(tài)分布曲線。即偶然誤差屬于正態(tài)分布。 其概率分布密度函數(shù)為,6.1測(cè)量誤差概述,3.偶然誤差的概率分布 其概率分布密度函數(shù)為,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),精度的（定義）：精度就是指誤差分布的密集或離散的程度。 準(zhǔn)確度：所謂準(zhǔn)確度，是指隨機(jī)變量（觀測(cè)量）的數(shù)學(xué)期望與其真值的接近程度。 精確度：精確度是指隨機(jī)變量（觀測(cè)量）的數(shù)學(xué)期望與其真值的接近程度。 下圖說明三者之間的關(guān)系,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),衡量精度的指標(biāo) 在實(shí)用上，是用一些數(shù)字特征來說明誤差分布的密集或離散的程度，稱它們?yōu)楹饬烤鹊闹笜?biāo)。 常用的精度指標(biāo)有：中誤差、相對(duì)誤差、容許誤差。 一、中誤差 1中誤差的定義 在相同的條件下，對(duì)同一量進(jìn)行次觀測(cè)，所得各個(gè)真誤差平方的平均值的平方根，稱為中誤差，用m表示，即,m表示每一次觀測(cè)值的中誤差。,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),2用真誤差計(jì)算中誤差算例 例6-2,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),二、相對(duì)誤差 1中誤差的局限 例如，分別丈量了1000m及500m的兩段距離，它們的中誤差均為2cm，雖然兩者的中誤差相同，但就單位長(zhǎng)度而言，兩者精度并不相同。顯然前者的相對(duì)精度比后者要高。此時(shí)，須采用另一種辦法來衡量精度，通常采用相對(duì)中誤差。 2相對(duì)中誤差 相對(duì)中誤差定義：中誤差的絕對(duì)值與相應(yīng)觀測(cè)值之比值,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),3相對(duì)誤差 相對(duì)誤差定義：差值的絕對(duì)值與相應(yīng)觀測(cè)值之比值。,與相對(duì)誤差相對(duì)應(yīng)，真誤差、中誤差、極限誤差等均稱為絕對(duì)誤差。,相對(duì)精度是指長(zhǎng)度元素而言。如果不特別說明，相對(duì)精度是指相對(duì)中誤差。角度元素沒有相對(duì)精度。,62測(cè)量精度的評(píng)定指標(biāo),三、容許（極限）誤差 按正態(tài)分布表查得，誤差出現(xiàn)的概率分別為：,絕對(duì)值大于三倍中誤差的偶然誤差出現(xiàn)的概率僅有0.3%，大于二倍中誤差的概率只有4.5%。 這已經(jīng)是概率接近于零的小概率事件，或者說這是實(shí)際上的不可能事件。 故一般以三倍中誤差或二倍中誤差作為偶然誤差的極限值，并稱為容許（極限）誤差。即：,或,63誤差傳播定律及其應(yīng)用,誤差傳播定律概念：闡述觀測(cè)值中誤差與觀測(cè)值函數(shù)中誤差之間數(shù)學(xué)關(guān)系的定律，稱為誤差傳播定律。 一、和、差函數(shù)的中誤差 1.函數(shù)形式 設(shè)x、y為獨(dú)立觀測(cè)值，其中誤差為mx，my，觀測(cè)值的函數(shù)為 Z=xy 2.函數(shù)的中誤差計(jì)算式 則函數(shù)Z的中誤差計(jì)算式為,算例：見例6-3、例6-4,63誤差傳播定律及其應(yīng)用,二、倍數(shù)函數(shù)的中誤差 1.函數(shù)形式 設(shè)x為觀測(cè)值，其中誤差為mx，觀測(cè)值的函數(shù)為 Z=kx 2.函數(shù)的中誤差計(jì)算式 則函數(shù)Z的中誤差計(jì)算式為,算例：見例6-5,63誤差傳播定律及其應(yīng)用,三、線性函數(shù)的中誤差 1.函數(shù)形式 設(shè)x1，x2，xn為獨(dú)立觀測(cè)值，其中誤差為m1 ，m2， ， mn，觀測(cè)值的函數(shù)為,算例：見例6-6,2.函數(shù)的中誤差計(jì)算式 則函數(shù)Z的中誤差計(jì)算式為,63誤差傳播定律及其應(yīng)用 四、非線性函數(shù)的中誤差,算例：見例6-7,64算術(shù)平均值及其中誤差,一、算術(shù)平均值,即,64算術(shù)平均值及其中誤差,一、算術(shù)平均值,64算術(shù)平均值及其中誤差,二、算術(shù)平均值的中誤差 算術(shù)平均值的中誤差與單個(gè)觀測(cè)值的關(guān)系式,設(shè)單個(gè)觀測(cè)值的中誤差為m，算術(shù)平均值的中誤差為mx，則根據(jù)誤差傳播定律，得,64算術(shù)平均值及其中誤差,三、用觀測(cè)值的改正數(shù)計(jì)算中誤差 算術(shù)平均值的中誤差與單個(gè)觀測(cè)值的關(guān)系式。 在實(shí)際工作中，一般情況下，量的真值是不知的，故無法利用真誤差計(jì)算中誤差。 但是可以利用算術(shù)平均值和觀測(cè)值的差值-改正數(shù)計(jì)算。 1.改正數(shù)的計(jì)算 設(shè)對(duì)同一個(gè)量同精度觀測(cè)了n次，得觀測(cè)值,算術(shù)平均值為,64算術(shù)平均值及其中誤差,三、用觀測(cè)值的改正數(shù)計(jì)算中誤差 1.改正數(shù)的計(jì)算 則觀測(cè)值的改正數(shù)按下式計(jì)算,64算術(shù)平均值及其中誤差,三、用觀測(cè)值的改正數(shù)計(jì)算中誤差 2. 則觀測(cè)值的中誤差按下式計(jì)算,3. 算術(shù)平均值的中誤差按下式計(jì)算,其中,64算術(shù)平均值及其中誤差,四、用等精度雙觀測(cè)值的差值求觀測(cè)值的中誤差 1.雙觀測(cè)值的概念 對(duì)同一個(gè)量獨(dú)立觀測(cè)了兩次，得,則稱其為雙觀測(cè)值,2.雙觀測(cè)值的之差,3. 單次觀測(cè)值的中誤差,4.兩次觀測(cè)值平均值的中誤差,65廣義算術(shù)平均值及其精度的評(píng)定,一、“權(quán)”的定義 設(shè)觀測(cè)值Li的中誤差為mi，為任意常數(shù)，則定義的權(quán)為,二、常用的定權(quán)方法 1.水準(zhǔn)測(cè)量的權(quán) （1）按測(cè)站數(shù)定權(quán) 設(shè)某水準(zhǔn)路線的觀測(cè)高差為hi，測(cè)站數(shù)為ni， hi的中誤差為mi，c為任意常數(shù)，則hi的權(quán)為,65廣義算術(shù)平均值及其精度的評(píng)定,二、常用的定權(quán)方法 1.水準(zhǔn)測(cè)量的權(quán) （2）按水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度定權(quán) 設(shè)某水準(zhǔn)路線的觀測(cè)高差為hi，路線長(zhǎng)度Li千米， hi的中誤差為mi，c為任意常數(shù)，則hi的權(quán)為,65廣義算術(shù)平均值及其精度的評(píng)定,二、常用的定權(quán)方法 2.測(cè)量距離的權(quán) 設(shè)某段