本課程的內(nèi)容幾何量的電子測量技術(shù)幾何量：長度角度面積體積電子測量：傳感器電子測量原理測量可靠性本課程的意義生產(chǎn)力進步的直接動力是生產(chǎn)工具，代表生產(chǎn)力水平的要素也是生產(chǎn)工具。測繪技術(shù)的每一次革命實際都是由測量儀器技術(shù)所直接推動，一部現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展史很大程度上是一部現(xiàn)代測繪儀器科技的發(fā)展歷史。本課程的意義儀器的原理性突破大大降低了測繪勞動強度，大大提高了成果可靠性，甚至使測繪思維方法產(chǎn)生了實質(zhì)的變化。

早期的測繪是以三角測量和模擬水準為基本作業(yè)模式，使用的都是模擬式儀器，工作量大，數(shù)據(jù)處理量大，效率低，精度低，勞動強度大。上世紀60年代的電磁波測距技術(shù)實現(xiàn)了距離的毫米級測量，導(dǎo)線測量作業(yè)模式成為目前主要的測繪作業(yè)模式---現(xiàn)代測繪技術(shù)的第一次革命。本課程的意義電子測角技術(shù)的突破實現(xiàn)了角度測量的數(shù)字化，誕生了電子經(jīng)緯儀，進而和電子測距儀結(jié)合實現(xiàn)了全站儀。電子計算機技術(shù)大大提高了測繪的數(shù)據(jù)處理效率，測繪數(shù)據(jù)處理這個曾經(jīng)耗費大量勞動力的工作變得簡便易行---現(xiàn)代測繪技術(shù)的第二次革命。本課程的意義以電子條碼影象測量技術(shù)為支撐的電子水準自動讀數(shù)技術(shù)的突破，使得水準測量也實現(xiàn)了數(shù)字化。以電磁波測距技術(shù)為支撐的GPS定位技術(shù)實現(xiàn)了大跨度基線的直接測量，再次提高了測量效率---現(xiàn)代測繪技術(shù)的第三次革命。本課程的意義電子測量技術(shù)給測繪學(xué)帶來了機遇的同時也帶來了挑戰(zhàn)當測繪生產(chǎn)作業(yè)變得日益簡便的時候，我們對測量師的素質(zhì)要求能降低嗎？當各類新型電子化、數(shù)字化甚至智能化、自動化的測繪儀器日益普及的時候，測繪學(xué)的科學(xué)研究方向是什么？本課程的目標建立大視角的測量思維理解目前常用的幾類電子測繪儀器的基本工作原理理解幾類電子測繪儀器的常用功能理解幾類電子測繪儀器的原理誤差形成機理及其規(guī)律理解和掌握幾類電子測繪儀器的主要原理誤差檢驗和校正方法通過本課程的學(xué)習(xí)，我們將會以更寬的視角和更高的高度來理解測量的真正涵義。真正理解測繪規(guī)范，啟發(fā)新思維。同時我們還可能發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)理論中甚至存在著過于僵化和不合適宜的東西。第一章測量誤差評價引言測量學(xué)理論的現(xiàn)狀誤差分類認識論的誤區(qū)新概念測量理論1.1引言人類的工業(yè)文明恰恰就是給物理量賦予數(shù)量開始的。給物理量賦予數(shù)值的過程就是測量。與物理量的定義相一致的值就是真值。真值是未知值1、物理量的實際值是客觀唯一的，主觀給出的實際都是測量結(jié)果。【例】圓周率的真值---3.1415926…..2、并不排除測量結(jié)果和某個物理量的真值有正好碰巧完全絕對相等的時候，但這種情形即使出現(xiàn)了我們主觀卻不可能知道。3、如果真值都已經(jīng)確定知道，那就不需要再去測量了。測量結(jié)果是通過測量最終提交的表達被測物理量大小程度的數(shù)值。觀測值是指由傳感器直接讀取的原始數(shù)值。觀測值數(shù)據(jù)處理測量結(jié)果1、獲得最佳測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法；誤差即測量結(jié)果與真值之差，或觀測值與其真值之差，或某測量結(jié)果（觀測值）與某個參考量之差。誤差也是未知值測量理論的二大任務(wù)2、測量結(jié)果與真值接近程度---誤差大小的評價方法。所有測量，測量的目的都是為了追求最終測量結(jié)果的真實可靠。如何對測量結(jié)果的誤差進行評價呢?測繪成果的質(zhì)量用精度評價，那么電子測量呢？測量可靠性就是特指測量結(jié)果的真實性或測量結(jié)果與其真值的接近性。測量儀器的可靠性也就是儀器輸出的測量結(jié)果的可靠性。測量可靠性問題的根源是因為測量總有誤差測量可靠性評價就是對測量結(jié)果誤差大小程度的評價測量可靠性評價的意義維護科學(xué)量制體系完整統(tǒng)一的手段，決定量值傳遞順序的技術(shù)指標。原子鐘時間光速長度速度加速度質(zhì)量力功率功。。。測繪領(lǐng)域用精度來評價測量可靠性。單一測量結(jié)果沒有多余觀測，不能平差，不能統(tǒng)計精度，所以不能評價測量可靠性。這個說法對嗎？答案：否?。?！任何測量，最終提交的測量結(jié)果都是單一結(jié)果。正是單一測量結(jié)果與真值的接近程度才是測量可靠性評價需要研究的內(nèi)容。麻煩是：真值未知，誤差也未知。又有一種說法：測量可靠性評價只是計量學(xué)科的任務(wù)，跟我們測繪學(xué)、儀器學(xué)等學(xué)科沒有什么直接關(guān)系。計量部門不是有用于儀器檢驗校準的真值嗎？只要計量部門通過真值比對確保儀器都正常不就行了嗎？答案還是：否！誰給計量部門提供真值？計量部門的真值又是從哪里得來的？計量檢測領(lǐng)域以其他測量領(lǐng)域提供的“真值”或設(shè)備為基準，通過測量，提交測量儀器的誤差的測量結(jié)果。和其他測量領(lǐng)域提交某個物理量的測量結(jié)果是一回事。計量部門的“真值”實際是測量結(jié)果！譬如：給光電測距儀做計量檢驗的基線值一個完全獨立的計量學(xué)科是根本不存在的，所有測量學(xué)科事實上都是計量活動的直接參與者。真值也是由測量而得來，是一個可靠度更高的測量結(jié)果而已。那么，如何在沒有絕對真值的情況下評價測量結(jié)果的真實可靠度呢？如何評價測繪部門提供的長度基線的可靠度呢？為什么要用基線場檢驗測距儀而不能用測距儀檢驗基線場呢？各種各樣的不同可靠性等級的真值的排序依據(jù)又是什么呢？究竟應(yīng)該以什么指標作為衡量測量可靠性的依據(jù)呢？可見，計量的本質(zhì)還是測量。在測量追求真值的核心價值下，所有測量學(xué)科本來就是一個整體。測量可靠性評價當然應(yīng)該是一個統(tǒng)一的理論。小結(jié)1、測量可靠性評價就是對測量結(jié)果真實性的評價，就是對結(jié)果誤差的大小的評價。2、測量可靠性評價最主要任務(wù)是維護科學(xué)量制體系完整統(tǒng)一。3、計量學(xué)用于儀器校驗的許多所謂真值其實也是通過測量而得到的，甚至就是測繪、儀器行業(yè)提供的。4、一個獨立的計量學(xué)科是不存在的，所有測量學(xué)科包括測繪、儀器等都是計量學(xué)科的組成份子。5、測量學(xué)理論應(yīng)該是一個統(tǒng)一的理論。1.2測量學(xué)理論的現(xiàn)狀在當前的測量理論中，實際同時存在著三種不同邏輯思維的學(xué)派，它們甚至是互相矛盾的。誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差準確度trueness精度precision精確度accuracy(a)誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差粗差改正精度precision=精確度accuracy剔除(b)誤差分類已定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差隨機誤差改正不確定度(uncertainty)(c)三種不同思維的概念邏輯第一流派正因為精度和準確度不能合成，精確度包含精度和準確度雙重概念，所以《國際通用計量學(xué)基本術(shù)語（VIM）》、《通用計量術(shù)語及定義》從來都特別強調(diào)精確度是定性概念?！癟heconcept‘measurementaccuracy’isnotaquantityandisnotgivenanumericalquantityvalue.Ameasurementissaidtobemoreaccuratewhenitoffersasmallermeasurementerror.”誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差準確度trueness精度precision精確度accuracy第一流派的根本觀點是測量可靠性只能定性評價而不能定量評價。測量的精密性和準確性分別評價隨機誤差和系統(tǒng)誤差?！纠克疁蕼y量的一等、二等、三等、四等，導(dǎo)線測量的一級、二級、三級、圖根，水準儀的DS05、DS1、DS3，經(jīng)緯儀的J07、J1、J2、J6，等等，概念邏輯困擾【例】數(shù)顯卡尺的分辨誤差被認為是隨機誤差。實際測量時它并不導(dǎo)致重復(fù)觀測值發(fā)散。即，這個隨機誤差并沒有影響精密度！【例】在測繪領(lǐng)域，水準儀的諸多原理誤差如i角誤差、交叉誤差、補償非線性誤差等，都被歸類為有規(guī)律的系統(tǒng)誤差，但卻都影響水準網(wǎng)的精密度?！纠抗怆姕y距儀的加乘常數(shù)誤差被看作是系統(tǒng)誤差。但在計量檢驗中，加乘常數(shù)的檢測結(jié)果恰恰就是從離散的誤差樣本序列中分離出來的。系統(tǒng)誤差被分離出來后,殘差的離散度就變小了。這一事實恰恰證明：系統(tǒng)誤差事實上貢獻了發(fā)散！全站儀測距加乘常數(shù)誤差、軸系誤差等也影響導(dǎo)線網(wǎng)的精度而不是準確度。為解決這些邏輯麻煩，也曾經(jīng)有學(xué)者提出誤差類別可以相互轉(zhuǎn)換的“理論”。但是，卻從來沒有人承認準確度和精度可以相互轉(zhuǎn)換，實際上也沒有人能夠解釋“遵循隨機分布”和“不遵循隨機分布”如何相互轉(zhuǎn)換、確定規(guī)律和隨機規(guī)律如何相互轉(zhuǎn)換。這種“理論”顯然沒有邏輯性?！纠勘粶y電壓中的噪聲，當采用多路AD轉(zhuǎn)換器同步并行采樣獲得重復(fù)觀測值序列時，噪聲誤差也是產(chǎn)生系統(tǒng)性影響---隨機誤差產(chǎn)生了系統(tǒng)性影響。第二流派仍然承認誤差有類別之分，所不同的是：系統(tǒng)誤差的數(shù)值由計量校準領(lǐng)域給出，作為改正數(shù)用于改正測量結(jié)果。這樣就只存在精度評價隨機誤差了，精度自然就等于精確度，精確度（accuracy）也就成了定量概念而不再是定性概念了。目前測繪領(lǐng)域就仍然按照這種思維邏輯解釋測量誤差理論。誤差分類（測繪）系統(tǒng)誤差隨機誤差粗差改正精度precision剔除=精確度accuracy【例】2005年中國測繪局給出的珠峰高程為8844.43米，精度±0.21米。仍然存在邏輯麻煩計量校準領(lǐng)域?qū)嶋H也不能給出系統(tǒng)誤差的真值，實際并不具備技術(shù)能力上的絕對優(yōu)勢。計量校準部門給出誤差數(shù)值的過程也是測量過程，和其他領(lǐng)域里的測量是一回事，其測量基準甚至還是其他測量領(lǐng)域所提供的測量結(jié)果或儀器設(shè)備?！纠课覈嬃坎块T用于檢驗測距儀的基線實際就是我國測繪部門測量完成的。既然所獲得的系統(tǒng)誤差值也只能是近似值，況且改正后的殘差通常并不能忽略，那么殘剩系統(tǒng)誤差影響精度和隨機誤差不影響精度的邏輯矛盾仍然存在。加乘常數(shù)誤差是系統(tǒng)誤差，是儀器的準確度指標，應(yīng)該規(guī)定限差。系統(tǒng)誤差不影響精度，是可以改正的，大小誤差都是一樣的改正，限差沒意義。而且，隨機誤差概念實際上也有麻煩?！纠壳笆鲋榉甯叱贪咐?，系統(tǒng)誤差被改正掉了，精度±0.21米被認為是對隨機誤差的評價。但是，測量結(jié)果8844.43米與真值之間實際是個偏差，根本就不是隨機規(guī)律。【例】在中國，針對測距儀計量檢定規(guī)程中是否應(yīng)該給加乘常數(shù)誤差規(guī)定限差的問題，二種學(xué)派一直爭執(zhí)不休。與第一學(xué)派之間存在矛盾。第三流派這一學(xué)派以論文[i]為代表。承認未定系統(tǒng)誤差也遵循隨機分布，也有方差，能夠和隨機誤差合成。

[i].章渭基.偶然誤差與系統(tǒng)誤差的合成南京理工大學(xué)學(xué)報1980年第2期誤差分類已定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差隨機誤差改正不確定度(uncertainty)但這一理論邏輯仍然欠缺說服力。未定系統(tǒng)誤差遵循隨機分布的理論解釋？未定系統(tǒng)誤差和隨機誤差的概念區(qū)別所在？自然，這種概念意義的不確定度概念也被第一第二流派所詬病[i]。

[i].Schmidt,H.WarumGUM?-KritischeAnmerkungenzurNormdefinitionder“Messunsicherheit”undzuverzerrten“Elementarfehlermodellen”[EB/OL].http://www.gia.rwth-aachen.de/Forschung/AngwStatistik/warum_gum/warum_gum_zfv.pdf系統(tǒng)誤差的方差和隨機誤差的方差究竟是一樣的還是不一樣的呢？？？小結(jié)誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差準確度trueness精度precision精確度accuracy(a)誤差分類系統(tǒng)誤差隨機誤差粗差改正精度precision=精確度accuracy剔除(b)誤差分類已定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差隨機誤差改正不確定度(uncertainty)(c)三種不同思維的概念邏輯1.3誤差分類認識論的誤區(qū)誤差分類主義哲學(xué)的核心觀念：系統(tǒng)誤差是偏差，不遵循隨機分布。隨機誤差遵循隨機分布，不是偏差。系統(tǒng)誤差沒有方差不能和隨機誤差合成。系統(tǒng)誤差不影響精度。隨機誤差不影響準確度。但是！這些觀念全都是錯誤的。前邊所舉的那些邏輯矛盾的案例就足以證明。接下來，我們再進一步剖析。1.3.1誤差分類理論的哲學(xué)麻煩【例】測距儀乘常數(shù)誤差R是測量領(lǐng)域公認的系統(tǒng)誤差。時間的定義 原子鐘

頻率計

測距儀

距離測量

測距儀測距基準的溯源

測繪領(lǐng)域：測量誤差----隨機誤差站在一批測量結(jié)果的角度，誤差遵循隨機分布。儀器的乘常數(shù)誤差---系統(tǒng)誤差測距儀生產(chǎn)廠：測距儀的乘常數(shù)誤差（校正后的殘差）---隨機誤差站在一批測距儀的角度，乘常數(shù)誤差遵循隨機分布。頻率計的誤差---系統(tǒng)誤差頻率計制造廠：頻率計的誤差---隨機誤差站在一批頻率計的角度，頻率計誤差遵循隨機分布。原子鐘的誤差---系統(tǒng)誤差原子鐘的制造廠：原子鐘的誤差---隨機誤差站在一批原子鐘的角度，原子鐘誤差遵循隨機分布。時間的定義 原子鐘

頻率計

測距儀

距離測量

測距儀測距基準的