2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室1工程测量A第第5章章 误差理论的基本知识误差理论的基本知识2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室2第第5 5章章 测量误差及数据处理的基本知识 5.1 5.1 概述概述 5.2 5.2 测量误差的种类测量误差的种类 5.3 5.3 偶然误差的特性及其概率密度函数偶然误差的特性及其概率密度函数 5.4 5.4 衡量观测值精度的指标衡量观测值精度的指标 5.5 5.5 误差传播定律误差传播定律 5.6 5.6 同精度直接观测平差同精度直接观测平差 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室3 测量与观测值测量与观测值 观测观测与观测值的分类与观测值的分类 观测条件（观测条件（仪器精度、观测者水仪器精度、观测者水 平、外界环境素平、外界环境素） 等精度观测和不等精度观测等精度观测和不等精度观测 直接观测和间接观测直接观测和间接观测 独立独立观测和非独立观测观测和非独立观测5.1 5.1 测量误差概述测量误差概述2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室45.1 5.1 测量误差概述测量误差概述 测量误差及其来源测量误差及其来源 测量误差的来源测量误差的来源（1 1）仪器误差：）仪器误差：仪器精度的局限、轴系残余误差等。仪器精度的局限、轴系残余误差等。（2 2）人为误差：）人为误差：判断力和分辨率的限制、经验等。判断力和分辨率的限制、经验等。（3 3）外界条件的影响：）外界条件的影响：温度变化、风、大气折光等温度变化、风、大气折光等 测量误差的表现形式测量误差的表现形式 测量误差（真误差测量误差（真误差=观测值-真值）（观测值与真值之差）（观测值与观测值之差）2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室5例：误差处理方法例：误差处理方法 钢尺尺长误差钢尺尺长误差 l ld d 计算改正计算改正 钢尺温度误差钢尺温度误差 l lt t 计算改正计算改正 水准仪视准轴误差水准仪视准轴误差I I 操作时抵消操作时抵消( (前后视等距前后视等距) ) 经纬仪视准轴误差经纬仪视准轴误差C C 操作时抵消操作时抵消( (盘左盘右取平均盘左盘右取平均) ) 2.2.系统误差系统误差 误差出现的大小、符号相同，或误差出现的大小、符号相同，或 按一定规律性变化，具有按一定规律性变化，具有累积性累积性。 系统误差可以消除或减弱系统误差可以消除或减弱。 ( (计算改正、观测方法、仪器检校计算改正、观测方法、仪器检校) )测量误差分为：测量误差分为：粗差、系统误差粗差、系统误差和和偶然误差偶然误差5.2 5.2 测量误差的种类测量误差的种类1.1.粗差粗差( (错误错误) )超限的误差超限的误差2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室63.3.偶然误差偶然误差误差出现的大小、符号各不相同，误差出现的大小、符号各不相同， 表面看无规律性。表面看无规律性。 例：估读数、气泡居中判断、瞄准、对中等误差，例：估读数、气泡居中判断、瞄准、对中等误差， 导致观测值产生误差导致观测值产生误差 。 准确度(测量成果与真值的差异） 最或是值（最接近真值的估值，最可靠值） 测量平差（求解最或是值并评定精度）4.4.几个概念几个概念: : 精（密）度（观测值之间的离散程度）2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室7举例举例: : 在某测区，等精度观测了在某测区，等精度观测了358358个三角形的内个三角形的内 角之和，得到角之和，得到358358个三角形闭合差个三角形闭合差 i i( (偶然误偶然误 差，也即真误差差，也即真误差) ) ，然后对三角形闭合差，然后对三角形闭合差 i i 进行分析。进行分析。 分析结果表明，分析结果表明，当观测次数很多时，偶然当观测次数很多时，偶然 误差的出现，呈现出统计学上的规律性。误差的出现，呈现出统计学上的规律性。而而 且，观测次数越多，规律性越明显。且，观测次数越多，规律性越明显。5.3 5.3 偶然误差的特性偶然误差的特性2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室82008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室9可以归纳出偶然误差的四个特性：可以归纳出偶然误差的四个特性：特性(1)、(2)、(3)决定了特性(4)，特性特性(4)具有实用意义。具有实用意义。 3.3.偶然误差的特性偶然误差的特性(1)(1)在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超 过一定的限值过一定的限值( (有界性有界性) )；(2)(2)绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机 会多会多( (密集性密集性) )；(3)(3)绝对值相等的正误差和负误差出现的机会相等绝对值相等的正误差和负误差出现的机会相等( (对称性对称性) )(4)(4)当观测次数无限增加时，偶然误差的算术当观测次数无限增加时，偶然误差的算术 平均值趋近于零平均值趋近于零( (抵偿性抵偿性) )：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室101.1.方差与标准差方差与标准差 由正态分布密度函数式中 、 为常数； =2.72828x=y正态分布曲线(a=0)令：令： ，上式为：5.4 5.4 衡量精度的指标衡量精度的指标2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室11标准差 的数学意义 表示表示 的的离散程度离散程度x=y较小较大称为标准差标准差：上式中， 称为方差方差：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室12测量工作中，用中误差中误差作为衡量观测值精度的标准。中误差中误差: :观测次数无限多时，用标准差观测次数无限多时，用标准差 表示偶然误差的离散情形表示偶然误差的离散情形上式中，偶然误差上式中，偶然误差 为观测值为观测值 与真值与真值X之差：之差：观测次数观测次数n n有限有限时，用时，用中误差中误差m m表示偶然误差的离散情形：表示偶然误差的离散情形：i=i - X2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室13P123表5-22008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室14 m m1 1小于小于m m2 2, ,说明第一组观测值的误差分布比较说明第一组观测值的误差分布比较集中集中， 其其精度较高精度较高；相对地，第二组观测值的误差分布比；相对地，第二组观测值的误差分布比 较较离散，离散，其其精度较低：精度较低： m1=2.7是第一组观测值的中误差； m2=3.6是第二组观测值的中误差。2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室152.2.容许误差容许误差(极限误差)根据误差分布的密度函数，误差出现在微分区间d内的概率为：误差出现在K倍中误差区间内的概率为：将K=1、2、3分别代入上式，可得到偶然误差分别出现在一倍、二倍、三倍中误差区间内的概率： P(| m)=0.683=68.3 P(|2m)=0.954=95.4 P(|3m)=0.997=99.7 测量中，一般取两倍中误差(2m)作为容许误差，也称为 限差|容|=3|m| 或 |容|=2|m|2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室16 3.3.相对误差相对误差(相对中误差) 误差绝对值与观测量之比。 用于表示距离距离的精度。用分子为1的分数表示。分数值较小相对精度较高；分数值较大相对精度较低。 K2K1，所以距离，所以距离S2精度较高。精度较高。例例2 2：用钢尺丈量两段距离分别得用钢尺丈量两段距离分别得S S1 1=100=100米米,m,m1 1=0.02m=0.02m； S S2 2=200=200米米,m,m2 2=0.02m=0.02m。计算。计算S S1 1、S S2 2的相对误差。的相对误差。 0.02 1 0.02 1 K1= = ； K2= = 100 5000 200 10000解：解：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室17一一.一般函数的中误差一般函数的中误差令 的系数为 ， (c)式为：由于 和 是一个很小的量，可代替代替上式中的 和 ： (c)代入(b)得对(a)全微分：(b)设有函数：为独立独立观测值设 有真误差 ，函数 也产生真误差(a)5.5 5.5 误差传播定律误差传播定律2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室18对Z观测了k次，有k个式(d)对(d)式中的一个式子取平方：（i，j=1n且ij）(e)对K个(e)式取总和：(f)2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室19(f)(f)式两边除以K，得(g)式：(g)由偶然误差的抵偿性知：(g)式最后一项极小于前面各项，可忽略不计，则：则：前面各项即即(h)2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室20(h)考虑考虑 ，代入上式，得中误差关系式：，代入上式，得中误差关系式：上式为上式为一般函数的中误差公式一般函数的中误差公式，也称为，也称为误差传播定律。误差传播定律。2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室21 通过以上误差传播定律的推导，我们通过以上误差传播定律的推导，我们可以总结出可以总结出求观测值函数中误差的步骤求观测值函数中误差的步骤： 1.列出函数式；列出函数式； 2.对函数式求全微分；对函数式求全微分； 3.套用误差传播定律，写出中误差式。套用误差传播定律，写出中误差式。 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室22 1.倍数函数的中误差 设有函数式 (x为观测值，K为x的系数) 全微分 得中误差式例：例：量得 地形图上两点间长度 =168.5mm0.2mm, 计算该两点实地距离S及其中误差ms：解：解：列函数式 求全微分 中误差式二二 .几种常用函数的中误差几种常用函数的中误差 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室232.线性函数的中误差线性函数的中误差 设有函数式 全微分 中误差式例：例：设有某线性函数设有某线性函数 其中其中 、 、 分别为独立观测值，它们的中误差分分别为独立观测值，它们的中误差分 别为别为 求Z的中误差 。 解：解：对上式全微分：由中误差式得：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室24 函数式 全微分 中误差式 3.算术平均值的中误差式算术平均值的中误差式 由于等精度观测时， ，代入上式： 得 由此可知，算术平均值的中误差比观测值的中误差缩小了缩小了 倍。 对某观测量进行多次观测(多余观测)取平均， 是提高观测成果精度最有效的方法。2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室254.和或差函数的中误差和或差函数的中误差 函数式： 全微分： 中误差式：当等精度观测时： 上式可写成：例：例：测定A、B间的高差 ，共连续测了9站。设测量 每站高差的中误差 ，求总高差 的中 误差 。 解：解： 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室26观测值函数中误差公式汇总 观测值函数中误差公式汇总观测值函数中误差公式汇总 函数式 函数的中误差一般函数倍数函数 和差函数 线性函数 算术平均值 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室27误差传播定律的应用误差传播定律的应用 用DJ6经纬仪观测三角形内角时，每个内角观测4个测回取平均，可使得三角形闭合差 m m1515 。例例1：要求三角形最大闭合差m15 ，问用DJ6经纬仪观测三角形每个内角时须用几个测回？ =(1+2+3)-180解：解：由题意：2m= 15,则 m= 7.5每个角的测角中误差：由于DJ6一测回角度中误差为：由角度测量n测回取平均值的中误差公式：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室28误差传播定律的应用误差传播定律的应用例2：试用中误差传播定律分析视距测量的精度。 解:(1)测量水平距离的精度 基本公式： 求全微分： 水平距离中误差： 其中： 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室29 观测值的算术平均值观测值的算术平均值(最或是值) 用观测值的改正数用观测值的改正数v v计算观测值的计算观测值的 中误差中误差 (即:白塞尔公式)5.6 5.6 同（等）精度直接观测平差同（等）精度直接观测平差2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室30 一一. .观测值的观测值的算术平均值算术平均值(最或是值、最可靠值) 证明算术平均值为该量的最或是值： 设该量的真值为X，则各观测值的真误差为 1= 1- X 2= 2- X n= n- X对某未知量未知量进行了n 次观测，得n个观测值1,2,n,则该量的算术平均值为：x= =1+2+nnn上式等号两边分别相加得和：L= 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室31当观测无限多次时：得两边除以n：由当观测次数无限多时，观测值的算术平均值就是该 量的真值；当观测次数有限时，观测值的算术平均 值最接近真值。所以，算术平均值是最或是值。L X2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室32观测值改正数特点二二. .观测值的改正数观测值的改正数v v ： 以算术平均值为最或是值，并据此计算各观测值的改正数 v ，符合vv=min 的“最小二乘原则”。Vi = L - i (i=1,2,n)特点特点1 改正数总和为零：改正数总和为零：对上式取和：以 代入：通常用于计算检核L= nv=nL- nv =n -=0v =0特点特点2 vv符合符合“最小二乘原则最小二乘原则”：则即vv=(x-)2=min=2(x-)=0dvv dx(x-)=0nx-=0x= n2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室33精度评定 比较前面的公式，可以证明，两式根号内的部分是相等的，即在 与 中：精度评定精度评定用观测值的改正数v计算中误差一.计算公式(即白塞尔公式)：2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室34证明如下：证明如下：真误差：真误差：改正数：改正数：证明两式根号内相等对上式取n项的平方和由上两式得其中:2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室35证明两式根号内相等中误差定义:白塞尔公式:2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室36解：该水平角解：该水平角真值未知真值未知，可用，可用算术平均值的改正数算术平均值的改正数V V计计 算其中误差：算其中误差：例：例：对某水平角等精度观测了5次，观测数据如下表， 求其算术平均值及观测值的中误差。算例1:次数观测值VV V备注1764249-4162764240+5253764242+394764246-115764248-39平均764245 V =0VV=60 7642451.74 2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室37距离丈量精度计算例算例算例2：对某距离用精密量距方法丈量六次，求对某距离用精密量距方法丈量六次，求该距离的算术该距离的算术 平均值平均值 ； 观测值的中误差观测值的中误差 ； 算术平均值的中误算术平均值的中误 差差 ； 算术平均值的相对中误差算术平均值的相对中误差 ：凡是相对中误差，都必须用分子为1的分数表示。2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室38第五章 作业 1.系统误差与偶然误差有什么不同？偶然误差具有哪些特性？ 2.绝对误差和相对误差分别在什么情况下使用？ 3.有函数z1=x1+x2，z2=2x3，若存在m1=m2= m3，且x1，x2，x3均独立，问mz1与与mz2的值是否相同，说明原因。 4.图上量得一圆的半径r=31.34mm，已知测量中误差为0.05mm，求圆面积及周长中误差。 5.在一个三角形中观测了、两个内角，其中m=20、m=30，求第三个角的中误差是多少？2008年12月2日天津城市建设学院土木系测量教研室396.进行三角高程测量.按h=Dtg汁算高差,已知=20,m=1，D=250m，mD=0.13m，求高差中误差。7.用经纬仪观测某角共8个测回,结果如下:563213，563221,563217,563214,563219，563223, 563221，563218试求该角最或是值及其中误差。8.某经纬仪测水平角,一测回的中误差m=15,欲使测角精度达到m=5,需观测几个测回?第五章 作业