基于不同规范的重力仪性能试验的误差指标对比
Comparison of error indicators for performance tests of gravimeters based on different specifications
通讯作者: 陈亮(1985-),男,高级工程师,主要从事综合地球物理调查及方法技术研究工作。Email:wansqsan@163.com
第一作者:
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2024-03-5 修回日期: 2024-06-5
基金资助: |
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Received: 2024-03-5 Revised: 2024-06-5
重力仪器的性能试验是重力调查工作的一个重要内容,贯穿外业调查的始终。工作中,普遍采用“均方误差”“精度”和“中误差”对仪器性能试验结果进行定量化表述。通过对比地质调查、石油、测量这3类规范中的动态试验、一致性试验理论算式,发现“均方误差”“精度”和“中误差”存在明显的混用现象,其中,在3类规范中一致性试验的算式一致,计算结果却采用上述3种表述。本文通过对3类规范的动态、一致性试验的算式研究,分析了“均方误差”和“中误差”的区别,阐明了“中误差”相对于“均方误差”的规范性,确定了“中误差”的使用范围,为避免混淆,建议规范中采用“准确度”作为定性表述,“中误差”作为定量表述。
关键词:
As an important part of gravity investigation, the performance tests of gravimeters are required throughout field surveys. In these tests, mean squared error (MSE), accuracy, and root mean squared error (RMSE) are commonly employedto quantitatively describe the test results. The comparison of the theoretical equations for dynamic and consistency tests in specifications on geological surveys, petroleum, and measurement reveals a pronounced confusion in the usage of MSE, accuracy, and RMSE. This issue is observed in the consistent equations forconsistency testsin these specifications. Through investigations into the equations used in the dynamic and consistency tests inthe threespecifications, this study analyzed the differences between mean MSE and RMSE, elucidated the normativity of RMSE relative to MSE, and determined the applicablerange of RMSE. To avoid confusion, it is recommended that accuracy be used for qualitative expression and RMSE for quantitative expression in these specifications.
Keywords:
本文引用格式
常小鹏, 陈亮, 张翔, 乔衍溢, 江成龙.
CHANG Xiao-Peng, CHEN Liang, ZHANG Xiang, QIAO Yan-Yi, JIANG Cheng-Long.
0 引言
地球物理学是一门观察科学,和地质学不同,地球物理学需要凭借大量专业的高精度设备开展工作。其中,重力学是地球科学和测绘科学的重要内容,重力勘探是地球物理勘探的组成部分[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓-8],重力大地测量也是测绘专业的一个重要方向[9-10]。重力勘探是通过观测地球重力场的变化来研究地球的构造,作为地球物理勘探中的一种快速、轻便而有效的方法,重力勘探在石油普查中起到了先锋作用,在圈定油气远景区和含油气盆地工作中发挥了重要的作用,迄今为止我国发现的所有油气田几乎都离不开重力勘探的基础工作,地质、矿产、测绘行业形成多项规范[5⇓⇓-8]。重力勘探是断裂构造识别、构造单元划分、矿产资源调查及基底特征研究中的重要手段[11⇓⇓-14],重力大地测量为大地水准面精化及导航定位提供了重要支撑[15⇓-17]。
1)名称,地质调查规范中统一使用“均方误差”,而石油规程和测量规范中使用“精度”“均方误差”“中误差”,具体见表1(注:因《SY/T 5171—2020 陆上石油物探测量规范》为综合性内容,无重力调查具体内容,不统计);
表1 不同规范的重力仪器性能试验误差指标
Table 1
序号 | 规范名称 | 动态试验 | 一致性试验 |
---|---|---|---|
1 | DZ/T 0171—2017 大比例尺重力勘查规范 | 均方误差 | 均方误差 |
2 | DZ/T 0004—2015 重力调查技术规范(1:50 000) | 均方误差 | 均方误差 |
3 | DZ/T 0082—2021 区域重力调查规范 | 均方误差 | 均方误差 |
4 | SY/T 5819—2016 陆上重力磁力勘探技术规程 | 精度 | 精度 |
5 | GB/T 20256—2019 国家重力控制测量规范 | 精度 | 中误差 |
6 | GB/T 17944—2018 加密重力测量规范 | 中误差 | 中误差 |
2)静态试验的观测时间,测量规范要求连续观测48 h,石油规程和地质调查规范要求大于24 h;
3)动态试验的双程往返(观测路线:i、j、j'、i')零漂率的计算,测量规范和地质调查规范中采用“静掉格”的方式对重复点j、j'的测量值进行剔除,而石油规程中采取“回归分析”的方式进行计算[18]。
1 仪器性能试验
1.1 仪器分类
1.2 重力仪器的试验
1.2.1 静态试验
静态试验是为了了解仪器在静置状态下,观测数据曲线的线性程度和零点位移大小,安置仪器的场所必须是周围无振动干扰、环境温度变化较小、有硬化地面的稳定场所。在长途运输后,需先等待仪器稳定再设置每隔30 min读数一次,且不少于24 h的静态观测时间,经内置固体潮改正后,得到静态零点位移数据,绘制静态零漂曲线,对数据进行零点漂移改正,绘制零点漂移改正后曲线。
具体操作为:选择24 h的静态观测数据,绘制时间—读数曲线,观察数据是否出现“跳点”,如果多台仪器数据都在同一时刻出现“跳点”,说明当地有外界环境干扰,删除“跳点”后,利用Excel增加趋势线[33],选择“线性”“显示公式”,得出数据的拟合直线,公式显示格式为y=kt+a(k 代表零漂曲线变化率,t代表时间,a代表某一固定常数)。其中,k反映重力仪静态曲线随时间变化时的线性大小和方向,正值代表是正方向的数据变化,负值代表负方向的数据变化。石英弹簧重力仪的静态零漂曲线的线性变化率k可以通过仪器内置的DRIFT模块进行调整。一般而言,24 h的静态零漂可以调整到很小。
1.2.2 动态试验
具体操作为:对照重力数据记录本对仪器导出数据进行整理,求出测点多次观测读数的平均值,利用求独立增量公式计算两点间独立段差。
规范DZ/T 0004—2015、DZ/T 0082—2021、SY/T 5819—2016的理论计算式为:
式中:
测量规范(GB/T 20256—2019)的理论计算式为:
式中:
测量规范(GB/T 17944—2018)的理论计算式为:
式中:
以上表明:地质调查规范(DZ/T 0082—2021,DZ/T 0004—2015)和石油规程的动态试验误差理论算式是一致的,主要区别是地质调查规范可以在两点或多点之间进行观测,试验时两点间观测重力差不小于3×10-5 m/s2,多点试验点间重力差为(0.5~5)×10-5 m/s2;而石油规程建议观测点为8~10个点,点间重力差应在2×10-5 m/s2以上;测量规范要求段差不小于50×10-5 m/s2,测点数不少于10个,测回数不少于3个,在实际测量中需遵循这一要求[34]。
1.2.3 一致性试验
其中:1:50 000适用于平原、丘陵和山区的1:50 000重力调查工作;大比例尺适用于工作比例尺大于1:25 000的重力勘查工作;区域适用于陆地、浅海、滩涂的1:100 000和1:250 000的区域重力调查工作。
具体操作为:相对重力仪测量的是测点之间的相对值,对每台仪器在各个测点上的观测重力值进行固体潮、零点改正;求取各个试验点到起始点的段差。利用式(4)进行计算:
式中:
2 试验指标分析
仪器性能试验的主要指标有均方误差、精度、中误差,其他指标有数据重复性和数据重复性精度。“精度”是一个宽泛的说法,以贝塞尔公式为基础,重点分析动态试验中“均方误差”“中误差”的理论算式。
2.1 精度
图1
2.2 均方误差与中误差
2.2.1 均方误差
在统计学中,均方误差是一种常见的误差度量方式。均方误差(MSE)是指观测值和真实值之间的平方偏差的平均数,均方误差的值与样本的数量有关,对均方误差开方,得到一种更加通用的指标——均方根误差(RMSE),对比式(5)、式(6),MSE的单位是RMSE的平方,RMSE的单位与样本真实单位一致,更具有可读性。
式中:gi为第i次重力观测值;
式(1)中明确规定“当采用两点间测量时,
综上,地质调查规范中的均方误差,理论上应为样本均方根误差。
2.2.2 中误差
研究中,定义观测值和真实值的差值为真误差
根据误差传递原理,算术平均值的中误差与观测值的中误差关系为:
将式(10)代入式(9)中,用改正数计算观测值算术平均值的中误差为:
式中:
对比式(3)和式(11),表明规范(GB/T 17944—2018)动态试验误差是用改正数计算的观测值算术平均值中误差。已知算术平均值较观测值更接近于真实值。由式(11)可知,算术平均值的中误差比观测值的中误差提高了
2.3 其他指标
实际工作中,评价仪器性能的技术指标还有测量重复性和重复测量精度。在《通用计量术语及定义》中,测量重复性(measurement repeatability)简称重复性,重复测量精度是指在一组重复性测量条件下的测量精密度。测量精密度定义为在规定条件下,对同一或类似被测对象重复测量所得测量值间的一致程度,通常精密程度以数字形式表示,如在规定测量条件下的标准偏差、方差或变差系数[23]。因此,测量重复性和重复测量精度表达的是同一个概念,只是习惯于用精度表述数值计算结果。
一般情况下,若在重复测量精度指标里加入量程范围,譬如在100 mGal范围内,小于5 μGal,则说明是在动态测量的情况下进行这一指标评定,而重力仪器的动态测量有格值标定和动态试验。
3 讨论
3.1 测量“精度”和仪器“精度”
前文对“精度”一词的出现和发展进行了说明,表明“精度”是准确度的简称,精确度已停止使用。准确度是一个定性的表述,定量计算则采用“精度”。因此,石油规程使用“精度”来表述动态试验和一致性试验的误差是正确的,且地质调查规范(DZ/T 0082)1993版本中是“动态观测精度”,只是在2021版本中进行了修改。
如上所述,精度使用广泛。在实际应用中,测量的精度和仪器的精度代表的是不同的概念。观察测量工作的结果,本质上是测量结果对其数学期望的离散程度;仪器的精度同前文的“精密度”,即测量学科表达的精度仅包含的是随机误差。而测量结果的正确度,则是通过人员、仪器、方法3个方面的规范来保证,仪器必须专业检定,规范必须严格执行,人员必须培训上岗。虽然测量学科的结果没有表述正确度,但测量过程和结果已经包含了正确度的相关信息。
准确度是精度的定性描述,《通用计量术语及定义》中指出,测量仪器的准确度是指“测量仪器给出接近于真实值的响应的能力”[23],测量仪器由于仪器本身的原因造成的被测量值接近被测量真实值的能力,反映的是一种测量值接近于真实值的程度,可以采用准确度等级来定量表述这种仪器测量值接近真实值的能力,例如水准仪的DS05级、DS1级、DS3级,经纬仪的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。
3.2 均方根误差和中误差
在测绘领域,衡量精度的计算指标有平均误差、中误差、极限误差、相对误差,用得最多的是中误差,中误差也称为均方根差。
在中误差的计算中,由于测量次数有限,真实值是不可知的,故使用最或然值代替真实值,核心是多次观测平均值与观测值的改正数
对比式(9)中误差的表达式,根号下分母为
查阅资料表明:在中误差的计算中,
上述研究表明,地质调查规范中的均方根误差忽视了真实值和最或然值(观测值的平均值)的区别,即真误差和改正数的差异。究其原因,是由于地质调查规范中进行仪器试验的目的是对仪器的性能进行评价,关注的是仪器测量的精密度,即随机误差的影响。仪器的系统误差通过人员、仪器、规范3个方面的规范得到降低。对于相对重力测量来说,关注的是一个相对值,而不是绝对值。而在测绘领域,要求的是测量的正确度和精密度都要高,即准确度,所以表述为中误差。同理,一致性试验中的误差也可以表述为中误差。
综上,中误差可以对不同规范的动态、一致性试验误差进行定量描述,而定性描述则使用准确度。精度由于是一个通俗说法,是未正式定义的计量学名词,建议在规范中避免出现。
4 结论
通过对不同规范中重力仪器动态试验和一致性试验的理论计算式及适用条件进行对比,分析了均方误差、准确度及中误差的内在联系,明确了中误差在仪器试验表述中的规范性,对仪器性能评价具有很好的指导作用,具体得出以下结论:
1)准确度是正确度和精密度的合称,实质是由系统误差和随机误差共同引起的测量值于真实值的偏离程度,偏离越小,准确度越高;
2)准确度是一个定性的说法,表达的是一种观测值接近真实值的能力,精度是准确度的定量化表述,但精度是一个通俗说法,是未正式定义的计量学名词,建议在规范中避免出现口语化表述;
3)均方根误差和中误差的区别是真误差和改正数,地质调查规范的重力性能试验采用均方误差表述的原因推测一是行业习惯,未考虑开方,二是相对重力仪器性能试验关注的是仪器的精密度,即仪器受随机误差的影响,建议使用中误差表述。
致谢
感谢审稿专家在论文修改中提出的宝贵意见,感谢技术员江成龙、郝杰、李赞在重力仪器试验中提供的支持。
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2023年7月11日至2023年7月20日,第28届国际大地测量学和地球物理学联合会(The International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)大会在德国柏林举行。按照IUGG传统,国际大地测量协会中国委员会(CNC-IAG)组织国内十余家单位编写了“中国大地测量国家报告(2019—2023)”,分别总结了2019至2023年4年期间的中国大地测量各分支学科研究进展。本文主要归纳和总结了中国大地测量学科近几年的整体进展,侧重各领域代表性研究进展,主要内容包括基准框架、综合PNT与弹性PNT、重力场与垂直基准、GNSS精密产品、多源传感器组合导航和海洋大地测量6个研究方向。此外,结合国际大地测量及相关交叉学科的发展趋势,对我国大地测量学科未来发展提出了几点建议。
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From July 11 to 20, 2023, the 28th International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) general assembly was held in Berlin, Germany. According to the tradition of IUGG, the Chinese National Committee for International Association of Geodesy (CNC-IAG) organized dozens of domestic institutions to compile the “2019—2023 China National Report on Geodesy”, which summarized the research progress of various branches of geodesy in China from 2019 to 2023. This article summarizes the overall progress of China's geodetic discipline in recent years, focusing on representative progress in six research directions including reference frame, comprehensive PNT and resilient PNT, gravity field and vertical datum, precise GNSS products, multi-source sensor integrated navigation, and marine geodesy. Moreover, in light of the development trends of international geodesy and related interdisciplinary disciplines, several suggestions are proposed for the future development of geodesy in China.
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