测量可靠性及由来

  yeses ·  2013-03-23 11:49  ·  25377 次点击
所有测量,包括测绘学、仪器学、计量学以及其他所有涉及测量的学科专业,测量的目的都是为了追求最终测量结果的真实可靠。本课题所涉及的测量可靠性就是特指测量结果的真实性或测量结果与其真值的接近性。由于计量学名词术语中没有测量可靠性这个概念,不同学科对其理解也不完全统一,故首先做此说明。
维护科学量制体系的完整统一是测量科学的首要任务,所有测量学科都应该是维护这个大局中的一员,而测量可靠性评价则是实现这种任务的必然手段。但由于测量学科专业分工的原因,许多人都会认为这只是计量学科的任务,计量部门不是有用于仪器检验校准的真值吗?只要计量部门通过真值比对确保仪器都正常不就行了吗?
但是大家忽略了一点:谁给计量部门提供真值呢?计量部门的真值又是从哪里得来的呢?譬如米长,国际计量大会只是给出了一个米长定义而从未给任何国家提供过米长的实体。
其实和所有测量学科一样,计量部门的真值仍然是通过测量而得到的。譬如:我国计量部门用于给光电测距仪做计量检验的长度基线场基本都是由我国的测绘部门——国测一大队实施丈量的。而且后面还可以看到,无论在计量标准器的建立上,还是在计量规范的编制上,包括测绘学、仪器学在内的其他所有测量学科,事实上都已经扮演了重要的角色,本来就是科学量制体系维护的直接参与者。
既然许多真值也是由测量而得来,所谓的真值原来也是一个测量结果,是一个可靠度更高的测量结果而已。那么,如何在没有绝对真值的情况下评价测量结果的真实可靠度呢?如何评价测绘部门提供的长度基线的可靠度呢?为什么要用基线场检验测距仪而不能用测距仪检验基线场呢?各种各样的不同可靠性等级的真值的排序依据又是什么呢?究竟应该以什么指标作为衡量测量可靠性的依据呢?
不仅如此,计量部门对仪器检测的过程仍然还是个测量过程,而所有测量过程都有误差问题即可靠性评价问题。
可见,计量的本质还是测量,在测量追求真值的核心价值下,所有测量学科本来就应该是一个整体,测量可靠性评价当然应该是一个统一的理论。转自测绘科技信息网博客《第三流派误差理论》

5 条回复

yeses  2013-03-28 20:50
1、“系统误差不存在的前提”并不成立

测绘学通常所提交的精度评价实际也并非都是教科书中所描述的在系统误差粗差不存在的前提下以精度评价精确度,其他领域如仪器、计量等专业教科书也都有类似的思维,但这些说法在学理逻辑上实际是并不成立的。

按照精确度理论的逻辑,精度是对随机误差的评价,而随机误差是可以通过增加测量次数利用统计法消减的,就是说只要增加测量次数,精度值几乎可以达到足够小。而所谓系统误差改正后的残剩偏差却是不可以通过增加测量次数消减的,这样一来残剩偏差通常就会比精度要大得多,根本不具备可以忽略的前提条件,系统误差不存在的前提实际是很难成立的。

譬如:光电测距仪的示值误差通常被分解为加常数误差、乘常数误差、周期误差和分度不均匀误差(综合精度),前三项通常被认为是系统误差而作为改正数处理。就一台普通的标称精度±(2mm+2×10-6D)的测距仪来说,按照精度(precision)定义规定“在同样测量条件下”,其测量重复性(重复精度)通常都在±1mm以下,当取100次重复测量的平均值作为测量结果时,其平均值的精度就可达到±0.1mm以下,而加乘常数误差、周期误差的改正后的残剩偏差都将大大高于这个±0.1mm,甚至分度不均匀误差——这个标准差为±(2mm+2×10-6D)的所谓随机误差在这个重复测量条件下实际也是系统误差,这些所有的所谓系统误差都大大高于这个统计获得的精度,根本不具备可忽略的前提。

当然,实际也没有见到测绘领域象这样提交精度的(这也就是前边所说的精度高反而结果不可靠)。

2、测绘平差理论中的精度概念并不是VIM中的precision

事实上,纵观测绘领域的诸多测量方法,包括水准网、导线网、GPS网等,这些测量都是改变测量条件的多余观测,而不是同样测量条件下的重复观测。在这样的多余观测测量条件下,许多(但又不一定是全部)由测量仪器产生的所谓系统误差(或改正、差分抵偿等处理后的残剩偏差)、对点偏差等实际都被进行了随机化处理,最终也纳入了精度的评价。譬如:测距仪加常数误差影响导线网的测量精度,水准仪的i角误差影响水准网的测量精度,等等。

显然!这个受所谓系统误差影响的精度已然不再是《国际通用计量学基本术语(VIM)》中定义的那种纯正随机误差意义的precision概念了,已经变成了一种诸多所谓随机误差和所谓系统误差的合成评价,实际上已经把准确度(trueness)和精确度(accuracy)概念给架空了,这也是测绘领域很少提及这另外二个概念的实际原因。所以,测绘学领域的这个精度概念内涵倒恰恰和《国际通用计量学基本术语(VIM)》中的A类不确定度概念更吻合而根本不是precision概念。(VIM关于precision概念的定义是:closeness of agreement between indications or measured quantity values obtained by replicate measurements on the same or similar objects under specified conditions.)可见纠缠误差类别来解释测量平差理论本来就非常别扭。

而实际上,测绘领域将所谓系统误差纳入均方合成以评价最终结果的不确定度也是早有案例的。譬如:在国家测绘局编制的《GB16789-1997比长基线测量规范》中,其“8.5精度估计”中基线总误差的评价就是用不确定度概念表述的,这个不确定度就是用测量精度和其他独立影响量B类合成实现的。虽然概念使用有点混乱,但也印证了测绘学精度和不确定度概念内涵更吻合的论断。

既然测绘精度和不确定度内涵吻合,那么教科书关于准确度、精确度概念的论述当然也就多余了。

也请注意:国家测绘局《GB16789-1997比长基线测量规范》的编制时间比我国计量规范《JJF1059-1998不确定度评定与表示》规范更早!这说明测绘领域实际是不确定度理论的先行者而根本不应该是阻碍者!
yeses  2013-03-28 20:35
而根据申请人近年的研究,问题的根本原因在于:传统学术理论本身存在瑕疵——误差分类学说,而导致这种瑕疵的深层原因则是专业分工过细而形成的狭隘的误差认识哲学。为了初步说明这二点,我们这里先就前一个学术分歧中所涉及的测距乘常数误差的来源做一个多视角的展开,以便专家对误差分类学的狭隘性先建立一个感性的认识。

时间的定义----原子钟-----频率计-----光电测距仪------距离测量
图1.光电测距基准的溯源

图1是光电测距仪测距基准的溯源过程。测绘领域拿一台测距仪(全站仪)做测量,站在一批测量结果的视角看,其误差呈现随机性,自然认为是随机误差了,而光电测距仪的乘常数误差是确定的、唯一的、不变的、有规律的,当然就是系统误差;但是,测距仪生产厂站在一批测距仪产品的角度看,其每台测距仪的乘常数误差(校正后的残差)都不相同而同样是呈现随机性的,自然认为其也是随机误差而不是系统误差。而用于校正测距仪的乘常数误差的频率计的误差才是确定的、唯一的、不变的,当然才是系统误差;而同样的逻辑是,频率计制造厂站在一批频率计产品的角度看,其误差也同样是遵循随机分布,自然认为其也是随机误差而不是系统误差,而用于校准其频率计的原子钟的误差才是系统误差;而原子钟的制造厂是根据国际计量大会规定的时间定义来制造原子钟的,站在一批原子钟产品的角度看,其产品原子钟的误差也是遵循随机分布的,也是随机误差而不是系统误差。

可见,站在一个跨学科领域的大视角下,其实根本就没有真正绝对意义的系统误差。我们所看到的所谓系统误差其实都是遵循随机分布的误差对下游测量产生了系统性的影响。我们原来都是被**子样本**迷惑了眼睛,产生了系统误差的错觉,过分强调自己所在领域里的主观感受,以致于跟**盲人摸象**那样各说各话、争执不休。以一种盲人摸象式的认识方法来对误差进行绝对性的归类恰恰是我们传统测量理论的哲学过失,正是误差类别的绝对化直接导致了精度(precision)、准确度(测绘界叫法,计量界叫正确度,英文为trueness,后同)概念的绝对化,进而导致了精确度(accuracy)是个定性概念——传统测量理论体系的主体框架。

这个传统测量理论在学理逻辑上其实是有很多疑点的,这些疑点也能从另外的角度印证误差分类概念体系的缺陷。

还是就上述学术争执而言:在测绘领域的导线测量中,测距仪加乘常数误差是直接影响导线网的测量精度。可传统测量理论不是总强调系统误差不影响精度(precision)只影响准确度(trueness)吗?理论的基本逻辑为什么突然混乱了?测绘学这种受所谓系统误差影响的精度和计量学的precision还是同一个概念吗?

还是就上述学术争执而言:当把一批测距仪的加乘常数误差进行统计的时候,我们会发现它们仍然遵循随机分布,也能统计出一个标准差,就是说,当某台测距仪加乘常数误差值未知的时候,我们也能用标准差来描述该仪器的加乘常数误差的未知程度,就象测绘领域用标准差来评价某个结果的误差一样。这样加乘常数误差不就和随机误差没有区别了吗?

还有:在测绘领域,闭合导线网的测量精度通常比符合导线网要高,而简单的重复测量的精度甚至可以更高,为什么有些时候精度高的测量又反而是不可靠的呢?等等。
esboo2012  2013-03-28 13:40
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yeses  2013-03-27 09:27
但是,由于专业化分工的原因,当前测量学科在测量可靠性评价上存在不同流派,传统计量学派用精确度(测绘界的叫法,计量界叫准确度,对应的英文是accuracy,后同)定性评价测量可靠性,测绘学用精度(precision)定量评价测量可靠性,现代计量学用不确定度(uncertainty)或最大允许误差(MPE)来定量评价测量可靠性,由于不同学派各说各话,《国际通用计量学基本术语(VIM)》只能将各种概念名词强行合为一体,而这种缺乏学术逻辑性的强行整合又进一步加剧了部分学派之间的学术裂隙。

譬如:在中国,国家计量标准《光电测距仪计量检定规程JJG703-1990》、《光电测距仪计量检定规程JJG703-2003》一直没有规定光电测距仪加乘常数误差(经仪器内部改正处理后的残剩偏差)的限差,形成了“存在巨大误差的高精度”悖论,导致了学术争执。直到JJG703-2008版规程的审定中,规程起草方的专家仍然坚持认为加乘常数误差是系统误差,可以改正,大和小都是一样的改正,系统误差不影响精度,当然就不需要限差;而计量派则坚持认为应该规定限差,因为计量检测中仪器的系统误差是普遍存在的,系统误差不限差的论断被广泛推广后将导致科学量制体系的全线崩溃,也严重违背了测量追求真实这一最原始的初衷。但却又因承认误差分类理论的学术地位而拿不出有说服力的学理理据,也就无法说服对方。因为双方争执无果,这一2008版本迄今仍未出台。

既然不能否定 “系统误差可以被改正”,那么系统误差无须限差的论断当然就是顺理成章的,但计量体系又承受不起这个观点的挑战。一种违背测量追求真实的错误观点居然被学理概念解释得振振有辞,明知其错却找不到说法。问题在哪里呢?

诚然,这些放任系统误差任意存在的极端精度主义思维并不能代表测量学理论。但我们不得不思考的是:JJG703-1990规程、JJG703-2003规程、JJG703-2008规程——这些发生时间不同、参与者不同、彼此独立没有关联的案例,为什么反复不约而同地表达着同样一个放任系统误差任意存在的极端精度主义思维呢?是否我们的测量学理论存在某些先天不足?

再譬如:目前计量领域广泛推行不确定度评定,但测绘领域却很少提及这个概念,而且就有测绘文献认为不确定度评定中将系统误差纳入B类不确定度合成是个错误。而在申请人看来,这些有学术主见的学者其实恰恰抓住了一个要害:那就是——不确定度评定和传统测量理论之间在误差认识处理方法上是存在矛盾分歧的。为什么会有这种矛盾分歧呢?

转自测绘科技信息网博客《第三流派误差理论》
hlm350521  2013-03-25 09:26
学习了,谢谢.

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