地形变测量误差分析与处理

李华清，张志雄

(1.内蒙古科技大学；2.包头师范学院 图书馆，内蒙古 包头 014000)

1 地形变测量误差来源与分类

1.1 地形变测量误差来源

地形变(现今地壳运动、变形和重力)是地形变测量的总体目标，对某种测量手段而言，又有其各自不同的特定具体目标，如边长、高程、某参考系中的坐标、断层位移、应变、倾斜、重力加速度固体地球潮汐等。我们把希望通过测量所获得的值称为目标值。由于地形变测量具有鲜明的动态大地测量属性特性，目标值可以是某一时刻的一个量值，但许多情况下是一个随时间变化的动态方程。目标值在一定的外界条件下，通过实际的操作仪器或管理仪器设备，还要使用一系列相关的方法来测量来获取。观测值的结果公式如下：

观测值=目标值+环境误差+仪器设备误差+人工误差+粗差+方法误差

①仪器装备误差：有结构误差、调整误差与量值误差等等。②人工误差：测量工作人员在生理上的分辨力之微，以及器官生理的变化，反应速度与原有习惯的误差，还有就是测量工作人员粗心、不按说明操作所出现的误差。③环境误差：各种环境因素不同于要求的标准状态以及随着时间变化的测量装置、测量信号传输的过程及测量本身的变化所引起的误差。④方法误差：由于测量手段、计算过程的不严谨，不科学所引起的误差。

1.2 地形变测量误差分类

一般测量误差分为：系统误差、偶然误差、粗差三大类。观测值由它们所影响，它们的关系如下：

观测值=目标值+系统误差+偶然误差+粗差

1.2.1 系统误差。在同样的条件下作出的一系列观测，若误差在大小与正负号上出现规律性；还有是在条件变化时，观测过程中按某种线性变化，称为系统误差。

具体分为两类系统误差，其中一类是像尺长误差、i角误差、基线误差、钟差等。在同样的条件下作出一系列观测，它们误差在大小和正负号上会出现恒定性，多次观测也无法消除其对结果的影响。另一类是定义为“按某种确定规律变化”的含义是：这种误差可以用确定的数学形式表达。它们可以是一个或几个因素的相关函数，这些函数可以用解析公式、曲线或数表格来表达。按变化规律不同又可分为：线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差。例如温度变化对尺长的影响及多种环境变化所引起的相位延迟或季节变等。它们均可用某种确定性的数学形式来描述并在相当大程度上来得到改正。系统误差对实验结果影响十分显著，所以必须采取有效的措施来减小或者消除系统误差。

1.2.2 偶然误差。在同样的条件下作一系列观测，若观测误差在正负号、大小上呈现出偶然性，从其表面上来看，该系列误差大小与符号没有规律性可言，但分析结果表明，它们却服从另一个一定的概率统计规律，这种误差称为偶然误差。由于某一偶然误差没有规律性，误差平均值接近零，意思是说多次所测量的平均值的偶然误差小于单词所测量的单个测量组的偶然误差小，即室友可抵偿性。而系统误差是没有此性质的。产生偶然因素的起因有很多，但大多数是难以控制的。例如仪器本身出现问题、信号分辨能力的限制、观测人员的估读误差、外界环境微弱的波动等。此外，对系统误差消除的不够完整、不够精确也会造成偶然误差。

1.2.3 粗差。比较明显的影响测量结果的误差称为粗差。它是比较随意的观测误差，也可能是测量过程中的误差，还有可能是由某种异常因子所引起的影响。

粗差出现的起因有很多，我们必须按照标准来测量和排查。相关工作人员必须要规范负责，严格按照细则这样才能避免粗差。出现粗差的原因有大数被读错、碰动仪器或天线、意外事故等。外界环境突然改变也可能导致粗差。特别注意的是，某些地震地形变(同震形变、同震波动)和某些可能的地震前兆信号也有可能以粗差的形式出现。

2 误差的认识及处理方法

2.1 系统误差和粗差的认识

地形变大地测量学是现代测量学的一个当代一门新的前沿交叉子学科，所以在面对系统误差与粗差，除了大地测量学已有的认识还得有自己特有的新认识。如前面所说，地形变测量是在地球表面上实施的精密动态过程观测，并揭示与识别灾害地形变和灾害前兆为目标。所以地形变测量认为，按严谨来说所有系统误差并不是都要理解成误差，现实上它们反映了大气圈、水圈、宇宙天体和生物圈的诸多种动力学因子对岩石圈作用以及岩石圈对这些作用的响应。例如季节变、日周变、固体潮汐、水库水荷荷载引起的形变，很明显可以把它们理解成某种动力学过程对动力学过程的响应，比它们理解成误差更为合理，系统误差既有消除误差的一面，又有提供有效信息的另一方面。

粗差也可以理解成测量中引起的失误与错误，还可以反映动力学环境中的突发性状况。比如说，同震形变也可以引起记录曲线的阶跃，仪器系统对地震波的响应也可以引起大幅度的波动，但是有些突跳也不可能完全排除短临前兆的可能，所以应对粗差问题时，不能一概而论，要具体问题具体分析。

2.2 系统误差的处理方法

2.2.1 通过实验研究认识系统误差的数学形式及其动力学意义。根据前面，我们可以了解到系统误差大多数来自大气圈、水圈、宇宙天体和生物圈诸多动力学因子对于岩石圈作用及岩石圈对这些作用的响应。为了更好地了解，经常出现的各种系统误差的数学形式及其利用动力学意义，必须持续进行研究使认识不断深化，应于相应的气象、水文、天文等相关信息进行对比分析。

2.2.2 通过改善和保护观测环境来屏蔽或者削弱系统误差。改善观测环境是屏蔽或削弱系统误差的治本性措施。坚实的基岩、可靠的观测基墩、确实达到了规范要求的洞体和钻孔的观测环境，可以有效地屏蔽或极大地削弱系统误差，确保观测的质量。

2.2.3 通过科学的观测方法来抵偿或削弱系统误差。我们在制定观测规范时应该尽可能考虑到一些问题，例如水准测量中前视与后视的距离相等来消除i角误差、自记仪器要求定期严格标定等一系列问题。坚决贯彻执行观测规范，对台站实施科学技术管理、讲究观测方法是抵偿和削弱方法性系统误差的重要保障。

2.2.4 开发利用系统误差中所蕴含隐藏的有用信息、开拓新研究域，变废为宝。我们所了解的不少系统误差中蕴含着有用信息，例如，年周变中蕴含着大气圈、水圈、岩石圈相互作用的信息，GPS测量中卫星信号传播误差蕴含着电离层电子浓度和对流层水汽含量的信息，水库蓄水量变化导致的地面垂直形变蕴含着地下介质黏滞系数信息及水库荷载应力场等变化信息。开发并利用系统误差所蕴含的有用信息，有望开拓新的研究应用域，变废为宝，为地球科学和防灾事业做出贡献。

2.3 粗差的处理方法

①测量时应该认真负责，严格执行规范，最大限度地减少观测人工误差。②加强对台站环境的管理和保护，最大限度地减少台站环境粗差。③通过统计检验识别粗差。它的基本思想是：给一个置信概率，并确定一个置信空间，超过这个限度的误差，认为它不属于偶然误差范畴，而判定其为粗差。实际上把粗差视为一个概率非常小的事件，以接近不可能事件，必是非正常的特殊原因。粗差的检验与处理是一个相当复杂的问题，现在有很多检测原则，如肖维勒准则、拉依达准则、格拉布斯准则、t检验准则等等。④通过长期观察研究提高识别不同来源的粗差能力。⑤研究可能与灾害形变和灾害前兆有关的粗差。

3 结束语

笔者介绍了地形变测量误差来源于环境误差、仪器设备误差、人工误差粗差、方法误差以及误差(主要是系统误差和粗差)的相关认识，探讨了处理系统误差时可以通过实验研究认识系统误差的数学形式及其动力学意义等方法解决。应对处理粗差是可以测量时应该认真负责，严格执行规范、加强对台站环境的管理和保护，最大限度地减少台站环境粗差等方法来解决。通过处理减小或消除系统误差和粗差的影响，从而让实验数据更精确、更加可信。