地形變測(cè)量誤差分析與處理

李華清，張志雄

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)；2.包頭師范學(xué)院 圖書(shū)館，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

1 地形變測(cè)量誤差來(lái)源與分類

1.1 地形變測(cè)量誤差來(lái)源

地形變(現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)、變形和重力)是地形變測(cè)量的總體目標(biāo)，對(duì)某種測(cè)量手段而言，又有其各自不同的特定具體目標(biāo)，如邊長(zhǎng)、高程、某參考系中的坐標(biāo)、斷層位移、應(yīng)變、傾斜、重力加速度固體地球潮汐等。我們把希望通過(guò)測(cè)量所獲得的值稱為目標(biāo)值。由于地形變測(cè)量具有鮮明的動(dòng)態(tài)大地測(cè)量屬性特性，目標(biāo)值可以是某一時(shí)刻的一個(gè)量值，但許多情況下是一個(gè)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)方程。目標(biāo)值在一定的外界條件下，通過(guò)實(shí)際的操作儀器或管理儀器設(shè)備，還要使用一系列相關(guān)的方法來(lái)測(cè)量來(lái)獲取。觀測(cè)值的結(jié)果公式如下：

觀測(cè)值=目標(biāo)值+環(huán)境誤差+儀器設(shè)備誤差+人工誤差+粗差+方法誤差

①儀器裝備誤差：有結(jié)構(gòu)誤差、調(diào)整誤差與量值誤差等等。②人工誤差：測(cè)量工作人員在生理上的分辨力之微，以及器官生理的變化，反應(yīng)速度與原有習(xí)慣的誤差，還有就是測(cè)量工作人員粗心、不按說(shuō)明操作所出現(xiàn)的誤差。③環(huán)境誤差：各種環(huán)境因素不同于要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)以及隨著時(shí)間變化的測(cè)量裝置、測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程及測(cè)量本身的變化所引起的誤差。④方法誤差：由于測(cè)量手段、計(jì)算過(guò)程的不嚴(yán)謹(jǐn)，不科學(xué)所引起的誤差。

1.2 地形變測(cè)量誤差分類

一般測(cè)量誤差分為：系統(tǒng)誤差、偶然誤差、粗差三大類。觀測(cè)值由它們所影響，它們的關(guān)系如下：

觀測(cè)值=目標(biāo)值+系統(tǒng)誤差+偶然誤差+粗差

1.2.1 系統(tǒng)誤差。在同樣的條件下作出的一系列觀測(cè)，若誤差在大小與正負(fù)號(hào)上出現(xiàn)規(guī)律性；還有是在條件變化時(shí)，觀測(cè)過(guò)程中按某種線性變化，稱為系統(tǒng)誤差。

具體分為兩類系統(tǒng)誤差，其中一類是像尺長(zhǎng)誤差、i角誤差、基線誤差、鐘差等。在同樣的條件下作出一系列觀測(cè)，它們誤差在大小和正負(fù)號(hào)上會(huì)出現(xiàn)恒定性，多次觀測(cè)也無(wú)法消除其對(duì)結(jié)果的影響。另一類是定義為“按某種確定規(guī)律變化”的含義是：這種誤差可以用確定的數(shù)學(xué)形式表達(dá)。它們可以是一個(gè)或幾個(gè)因素的相關(guān)函數(shù)，這些函數(shù)可以用解析公式、曲線或數(shù)表格來(lái)表達(dá)。按變化規(guī)律不同又可分為：線性系統(tǒng)誤差、周期性系統(tǒng)誤差和復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差。例如溫度變化對(duì)尺長(zhǎng)的影響及多種環(huán)境變化所引起的相位延遲或季節(jié)變等。它們均可用某種確定性的數(shù)學(xué)形式來(lái)描述并在相當(dāng)大程度上來(lái)得到改正。系統(tǒng)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響十分顯著，所以必須采取有效的措施來(lái)減小或者消除系統(tǒng)誤差。

1.2.2 偶然誤差。在同樣的條件下作一系列觀測(cè)，若觀測(cè)誤差在正負(fù)號(hào)、大小上呈現(xiàn)出偶然性，從其表面上來(lái)看，該系列誤差大小與符號(hào)沒(méi)有規(guī)律性可言，但分析結(jié)果表明，它們卻服從另一個(gè)一定的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種誤差稱為偶然誤差。由于某一偶然誤差沒(méi)有規(guī)律性，誤差平均值接近零，意思是說(shuō)多次所測(cè)量的平均值的偶然誤差小于單詞所測(cè)量的單個(gè)測(cè)量組的偶然誤差小，即室友可抵償性。而系統(tǒng)誤差是沒(méi)有此性質(zhì)的。產(chǎn)生偶然因素的起因有很多，但大多數(shù)是難以控制的。例如儀器本身出現(xiàn)問(wèn)題、信號(hào)分辨能力的限制、觀測(cè)人員的估讀誤差、外界環(huán)境微弱的波動(dòng)等。此外，對(duì)系統(tǒng)誤差消除的不夠完整、不夠精確也會(huì)造成偶然誤差。

1.2.3 粗差。比較明顯的影響測(cè)量結(jié)果的誤差稱為粗差。它是比較隨意的觀測(cè)誤差，也可能是測(cè)量過(guò)程中的誤差，還有可能是由某種異常因子所引起的影響。

粗差出現(xiàn)的起因有很多，我們必須按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量和排查。相關(guān)工作人員必須要規(guī)范負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按照細(xì)則這樣才能避免粗差。出現(xiàn)粗差的原因有大數(shù)被讀錯(cuò)、碰動(dòng)儀器或天線、意外事故等。外界環(huán)境突然改變也可能導(dǎo)致粗差。特別注意的是，某些地震地形變(同震形變、同震波動(dòng))和某些可能的地震前兆信號(hào)也有可能以粗差的形式出現(xiàn)。

2 誤差的認(rèn)識(shí)及處理方法

2.1 系統(tǒng)誤差和粗差的認(rèn)識(shí)

地形變大地測(cè)量學(xué)是現(xiàn)代測(cè)量學(xué)的一個(gè)當(dāng)代一門新的前沿交叉子學(xué)科，所以在面對(duì)系統(tǒng)誤差與粗差，除了大地測(cè)量學(xué)已有的認(rèn)識(shí)還得有自己特有的新認(rèn)識(shí)。如前面所說(shuō)，地形變測(cè)量是在地球表面上實(shí)施的精密動(dòng)態(tài)過(guò)程觀測(cè)，并揭示與識(shí)別災(zāi)害地形變和災(zāi)害前兆為目標(biāo)。所以地形變測(cè)量認(rèn)為，按嚴(yán)謹(jǐn)來(lái)說(shuō)所有系統(tǒng)誤差并不是都要理解成誤差，現(xiàn)實(shí)上它們反映了大氣圈、水圈、宇宙天體和生物圈的諸多種動(dòng)力學(xué)因子對(duì)巖石圈作用以及巖石圈對(duì)這些作用的響應(yīng)。例如季節(jié)變、日周變、固體潮汐、水庫(kù)水荷荷載引起的形變，很明顯可以把它們理解成某種動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的響應(yīng)，比它們理解成誤差更為合理，系統(tǒng)誤差既有消除誤差的一面，又有提供有效信息的另一方面。

粗差也可以理解成測(cè)量中引起的失誤與錯(cuò)誤，還可以反映動(dòng)力學(xué)環(huán)境中的突發(fā)性狀況。比如說(shuō)，同震形變也可以引起記錄曲線的階躍，儀器系統(tǒng)對(duì)地震波的響應(yīng)也可以引起大幅度的波動(dòng)，但是有些突跳也不可能完全排除短臨前兆的可能，所以應(yīng)對(duì)粗差問(wèn)題時(shí)，不能一概而論，要具體問(wèn)題具體分析。

2.2 系統(tǒng)誤差的處理方法

2.2.1 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)識(shí)系統(tǒng)誤差的數(shù)學(xué)形式及其動(dòng)力學(xué)意義。根據(jù)前面，我們可以了解到系統(tǒng)誤差大多數(shù)來(lái)自大氣圈、水圈、宇宙天體和生物圈諸多動(dòng)力學(xué)因子對(duì)于巖石圈作用及巖石圈對(duì)這些作用的響應(yīng)。為了更好地了解，經(jīng)常出現(xiàn)的各種系統(tǒng)誤差的數(shù)學(xué)形式及其利用動(dòng)力學(xué)意義，必須持續(xù)進(jìn)行研究使認(rèn)識(shí)不斷深化，應(yīng)于相應(yīng)的氣象、水文、天文等相關(guān)信息進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.2 通過(guò)改善和保護(hù)觀測(cè)環(huán)境來(lái)屏蔽或者削弱系統(tǒng)誤差。改善觀測(cè)環(huán)境是屏蔽或削弱系統(tǒng)誤差的治本性措施。堅(jiān)實(shí)的基巖、可靠的觀測(cè)基墩、確實(shí)達(dá)到了規(guī)范要求的洞體和鉆孔的觀測(cè)環(huán)境，可以有效地屏蔽或極大地削弱系統(tǒng)誤差，確保觀測(cè)的質(zhì)量。

2.2.3 通過(guò)科學(xué)的觀測(cè)方法來(lái)抵償或削弱系統(tǒng)誤差。我們?cè)谥贫ㄓ^測(cè)規(guī)范時(shí)應(yīng)該盡可能考慮到一些問(wèn)題，例如水準(zhǔn)測(cè)量中前視與后視的距離相等來(lái)消除i角誤差、自記儀器要求定期嚴(yán)格標(biāo)定等一系列問(wèn)題。堅(jiān)決貫徹執(zhí)行觀測(cè)規(guī)范，對(duì)臺(tái)站實(shí)施科學(xué)技術(shù)管理、講究觀測(cè)方法是抵償和削弱方法性系統(tǒng)誤差的重要保障。

2.2.4 開(kāi)發(fā)利用系統(tǒng)誤差中所蘊(yùn)含隱藏的有用信息、開(kāi)拓新研究域，變廢為寶。我們所了解的不少系統(tǒng)誤差中蘊(yùn)含著有用信息，例如，年周變中蘊(yùn)含著大氣圈、水圈、巖石圈相互作用的信息，GPS測(cè)量中衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差蘊(yùn)含著電離層電子濃度和對(duì)流層水汽含量的信息，水庫(kù)蓄水量變化導(dǎo)致的地面垂直形變蘊(yùn)含著地下介質(zhì)黏滯系數(shù)信息及水庫(kù)荷載應(yīng)力場(chǎng)等變化信息。開(kāi)發(fā)并利用系統(tǒng)誤差所蘊(yùn)含的有用信息，有望開(kāi)拓新的研究應(yīng)用域，變廢為寶，為地球科學(xué)和防災(zāi)事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

2.3 粗差的處理方法

①測(cè)量時(shí)應(yīng)該認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范，最大限度地減少觀測(cè)人工誤差。②加強(qiáng)對(duì)臺(tái)站環(huán)境的管理和保護(hù)，最大限度地減少臺(tái)站環(huán)境粗差。③通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)識(shí)別粗差。它的基本思想是：給一個(gè)置信概率，并確定一個(gè)置信空間，超過(guò)這個(gè)限度的誤差，認(rèn)為它不屬于偶然誤差范疇，而判定其為粗差。實(shí)際上把粗差視為一個(gè)概率非常小的事件，以接近不可能事件，必是非正常的特殊原因。粗差的檢驗(yàn)與處理是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，現(xiàn)在有很多檢測(cè)原則，如肖維勒準(zhǔn)則、拉依達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、t檢驗(yàn)準(zhǔn)則等等。④通過(guò)長(zhǎng)期觀察研究提高識(shí)別不同來(lái)源的粗差能力。⑤研究可能與災(zāi)害形變和災(zāi)害前兆有關(guān)的粗差。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了地形變測(cè)量誤差來(lái)源于環(huán)境誤差、儀器設(shè)備誤差、人工誤差粗差、方法誤差以及誤差(主要是系統(tǒng)誤差和粗差)的相關(guān)認(rèn)識(shí)，探討了處理系統(tǒng)誤差時(shí)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)識(shí)系統(tǒng)誤差的數(shù)學(xué)形式及其動(dòng)力學(xué)意義等方法解決。應(yīng)對(duì)處理粗差是可以測(cè)量時(shí)應(yīng)該認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范、加強(qiáng)對(duì)臺(tái)站環(huán)境的管理和保護(hù)，最大限度地減少臺(tái)站環(huán)境粗差等方法來(lái)解決。通過(guò)處理減小或消除系統(tǒng)誤差和粗差的影響，從而讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確、更加可信。