基于Ping的多波束测深精度评估方法研究
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关键词: 交叉 检查 ; 精 度评估 ; 深 度不 符值; 脉冲 击发( Ping)
多波束测深作 为一 种高 效 率的 全覆 盖式 测量, 已逐渐成为水深测量的主要手段之一。它是一种动 态的 水 上 测 量, 受 诸 多 因 素 的 影 响 产 生 各 种 误 差[ 1] 。因此, 要 检 验 多 波 束 测 量 成 果 的 质 量, 就 需 要对测深数据进行精度评估。
于面 的交叉 检查 方法基 础上, 提 出基于 Ping( 脉冲 击发) 的交 叉检 查 方法 , 对多 波 束测 深 数据 进 行精 度 评估 , 并 对 精度 超 限 的 数据 进行 误差分 析。 通过实 例分析 表明 , 基 于 Ping 的 交叉检 查方 法较传 统方 法更为 可靠, 该 方法还 能够发 现测 深数据 中残 存的不 同类 型的系统误差。
系统误差的种类和造成误差超限的原因。
四 、实例 分析
以某海区多波束测量的部分数据为例, 分别采 用基于面的交叉 检 查和 基 于 Pi ng 的交 叉 检 查进 行 精度评估, 并采用基于 Pi ng 的交叉检 查对精度 超限 的部分数据进行误差分析。
1. 两种交叉检查方法精度评估的比较 表1 为两种交叉检查方法对相同的交叉部分进 行精度评估的结果。
二 、基于 面的交叉 检查方法
1. 方法的主要思想 单波束主测线和检查线的交叉部分为单点, 而 多波束交叉部分为多点的集合, 该点集可视为一个 面, 基于面的交叉检查的对象就是该面内的所有交 叉点。如图1 所示, 公共部分的所有交叉点即为基
收稿日 期: 2006-03-06 ; 修回 日期 :2006- 06-14 作者简 介: 殷晓冬( 1964- ) , 男 , 辽 宁大 连人, 教授 , 博士生 , 主 要从 事海道 测量 数据处 理理论 与方 法的教 学与 研究工 作。
在基于 Pi ng 的交叉检查中, 交叉部分3 和4 , 不 符值均值较大, 中误差较低, 可能含有系统误差, 视 为可疑数据; 交叉部分5 和6 不符值均值较小, 但中 误差较大, 致使均方根差亦较大, 亦视为可疑数据。
国际海道测量规范规定, 多波束水深测量要用 多余观 测 来 检 查 测 深 质 量[ 2] 。 我 国 多 波 束 水 深 测 量技术规定明确要求, 在多波束测深中, 应布设一定 量与主测 线 垂 直、分布 均 匀、能 检 查 主 测 线 的 检 查 线, 通过比对主测线和检查线交叉点的深度不符值 来进行精度评估。
论上具有以下优点: 1 . 由于把中央波束作为参考水深, 得到的深度
不符值较为可靠; 2 . 考虑到同扇面不同波束的深度不符值不等
精度问题, 在进行精度评定时, 赋以相应的权值; 3 . 考虑到深度不符值中残存系统误差的可能
性, 采用的精度指标反映综合误差的大小; 4 . 通过绘制深度不符值剖面图, 可以分析残存
图2 交叉点深度不符值
2. 存在的问题 1 . 忽略深度不符值 δi 中 系统误 差存 在的 可能 性, 认为 δi 中 仅存 在偶 然误 差, 将 式( 1) 和( 2) 的 计 算结果称为中误差。事实上, 一些辅助参数( 如声速 剖面和船姿等) 的 测量 误差 以 及进 行这 些参 数改 正 的数学模型的误差导致改正不完全, 这种影响对成
图3 基于 Ping 的交叉检查
对 δi( i = 1 ,2 , …, n) 进 行统 计, 估 计 主 测线 中 央扇面精度。由于多波束测量中, 离 中央波 束越远, 测量精度越低, 因此不 同的深度不 符值精度 不同, 我 们在精度评估时赋以不同的权值 pi( i = 1 ,2 , …, n) 。
基于 Pi ng 的交叉检查( 以检查线中央波束为参考水深)
不符值均值
中误差 均方根差 置信度为95 % 的均方根差
- 0 .003
0 .109
0 .109
0 .214
0 .008
0 .144
0 .144
0 .282
1 .351
0 .154
1 .360
2 .667
2 .226
0 .141
2 .230
基于上述原因, 基于面的交叉检查方法计算出 来的ຫໍສະໝຸດ Baidu度指标称谓有误, 可靠性较低, 不能真实反映 多波束测量成果的质量。为此, 我们提出一种基于 Pi ng 的交叉检查方法。
三 、基于 Ping 的 交叉检查
1. 方法介绍 由于多波束系统的一些传感器的误差对水深的 影响自中央波束向边缘波束明显增大, 即中央波束 精度明显高于边缘波 束精度[ 6 ,7] 。在 一些 多波 束仪 器公司所做的波束精度测试中, 中央波束绝对精度 为0 .5 % 左右, 最 好的 可达 0 .2 % ; 最 边缘 波束 的绝 对精度在 3 % 左 右。因 此, 可 以 认 为 中 央波 束 水 深 最可靠, 可作为参考水深。 如图3 所示, 文件1 为交叉部分主测线的中央 扇面, 该扇面在海底的投影与检查线中央波束的波 束脚印轨迹基本重合; 文件2 为检查线的测深数据, 将其网格化, 取检查线每个扇面中央波束的网格数 据( 即沿着检查线方向的中央网格数据) 作为参考水 深。作差计算出主测线的中央扇面每个波束与相应 参考水深的深度不符值 δi( i = 1 ,2 , …, n) 。这 里的 深度不符值 δi 中包含偶然误差和系统误差。
目前国内外主要采用一种基于面的交叉检查方 法进行多波束测深精度评估, 即对所有交叉点的深 度不符值进行统计来评估测深精度, 并认为深度不 符值中仅含偶然 误差[ 3] 。实 际上, 一些 辅助 参数 的 测量误差和改正模 型的 误差 导 致某 些改 正不 完全, 其对成果数据影响成系统性, 可以认为是测深数据 中残存的系统误差。进而主测线和检查线交叉点的 深度不符值亦可能存在系统误差。另外, 基于面的 交叉检查将所有交 叉点 的深 度 不符 值等 精度 处理, 这与多波束同扇面不同入射角测量精度不同的事实 是不相符的。为此, 本文改进原有的交叉检查方法, 提出一种基于 Pi ng( 脉冲 击发) 的 交叉 检查方 法: 认 为中央波束较为可靠, 并作为参考水深, 以检查线中 央波束为参考, 将主测线的中央扇面( 称主测线与检 查线交叉部分主测线最中间的扇面为主测线的中央 扇面) 与检查线中央波束轨迹进行比对, 以达到检查
可以看出, 交叉部分1 ,2 和7 不符值均值很小, 接近零值, 且两种方法的中误差很小, 主 测线和检查 线只含偶然误差, 无系统误差, 置 信度为95 % 的均方 根差反映偶然误差的大小, 两种检查方法结果一致。
在基于面的交叉检查中, 由于忽略系统误差的 存在, 在系统误差存在情况下计算出来的结果不是 真正的中误差, 而是深度不符值等精度处理的综合 误差。因此, 交叉部分3 ~6 的中误差值没有意义。
A Study of Multibeam Accuracy Evaluation Method Based on Pi ng
YI N Xiao- dong , LI Yi-l ong , Z HOU Jun- hua , ZHA NG Li- hua , WU Li- da , HAN Zheng
摘要: 为了反映多波束测深成果质量, 需要对测深数据进行精度评估。交叉检查是有效的多波束水深精度评估方法。在传统的基
同样, 可以以主测线的中央波束为参考水深, 评
估检查线中央扇面的测深质量。这样, 通过这两个
方向比较, 可以同 时评估主 测线 和检查 线的 测深
精度。
对于精度超限的数据, 视为可疑数据。绘制两 个方向深度不符值的剖面图, 对可疑数据进行误差 分析, 由不符值的特点和变化趋势可以分辨出残存
误差的类型。 2. 与传统方法的比较 与传统方法相比, 基于 Pi ng 的交 叉检查方 法理
表1 两种交叉检查方法进行精度评估的结果
交叉部分编号
1 2 3 4 5 6 7
平均水深
55 .46 55 .89 55 .67 56 .03 56 .14 56 .77 56 .56
基于面的交叉检查 中误差 0 .113 0 .138 2 .234 3 .655 3 .960 2 .015 0 .098
测绘信息网http://www.othermap.com网友F0707提供
波束入射角越大, 精度越低, 深度不符值的权越
小, 不妨令 pi =
cos
θ i
n
, θi 为第i
∑cos θi
i=1
个 波束 的入 射
角。深度不符值的均方根差 R MS 为
n
∑( piδi) 2
R MS = ±
i=1
n
( 3)
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于面的交叉检查的对象。
图1 交叉检查数据
要进行主测线与检查线的水深比对, 首先应确 定主测线与检查线交叉点, 即求主测线各波束轨迹 与检查线各波束轨迹的交点。
对于多波束测深数据, 可采用网格化方法确定 主测线 和 检 查 线 的 交 叉 点[ 5] 。 将 主 测 线 和 检 查 线 公共部分网格化, 每个网格节点即为一个交叉点, 其 代表值即为交叉点水深值, 如图2 所示。计算交叉 点的主测线和检查线的深度不符值及其中误差, 设 共有 n 个( 1 ,2 , …, n) 节点, δi 为第i 点主测线 和检 查线深度不符值, 则交叉部分深度不符值的中误差 为
4 .371
0 .013
2 .778
2 .778
5 .445
0 .011
1 .421
1 .421
2 .785
0 .010
0 .097
0 .098
0 .192
注: 当不 符值之 中仅含 偶然 误差时 , 不符值 的算术 平均 值应为 零值( 或 接近零 值) ; 当含有 系统 误 差时 , 不符 值 均值 即 为系 统 偏差 值( 视不 符值 中的系 统误 差为偏 差) 。单 位为 m 。
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基 于 Pi ng 的 多 波 束 测 深 精 度 评 估 方 法 研 究
殷晓冬1 ,3 , 李宜龙2 , 周君华2 , 张立华3 , 吴理 达3 , 韩 政2 ,3
( 1 . 大连理工大学 电信学院, 辽宁 大连 116024 ; 2 . 解放军91561 部队 26 分队, 广东 广州 510320 ; 3 . 海军大连舰艇学院 海洋测绘系, 辽宁 大连116018)
主测线测深质量的目的。
一 、多波 束测深的 主要误差
1. 从误差的类型来分 多波 束测深 的误 差主 要分为 粗差、系 统误 差和 偶然误差三种。粗差的处理主要是人工剔除或计算 机自动滤波。目前多波束粗差处理方式主要是人机 交互手工剔除, 系统误差通过各种校正得到补偿, 偶 然误差则通过交叉点来进行估计。 2. 从误差的来源来分 多波束测深受诸多因素影响, 其误差来源具有 多样性[ 4] , 主要有以下几种: 1 . 定位系统误差; 2 . 测深误差; 3 . 声速传播路径的不确定性( 声速剖面误差) ; 4 . 航向准确度; 5 . 换能器安装不正确引起的误差; 6 . 测 量船 运动 传感 器 参数( 如横 摇、起 伏和 纵 摇) 的误差; 7 . 时间延迟。
2 . 没有顾及多波束同扇面不同入射角波束测 量精度不一致的事实, 对所有的深度不符值等精度 处理, 在计算精度指标时采用等权。而在大部分多波 束系统以等角方式发射时, 不同入射角的波束测量精 度不同, 随入射 角增大, 精 度降低。不同主 测线和检 查 线的 深度 不符 值 在精 度评 定 中权 重应 该不 同 。
而 δi = εi + σi , εi 为深 度不 符值 δi 中系 统误 差
的大小, σi 为偶然误差大小。
且
R MS2 = ε2 + σ2
( 4)
因此, 式( 3) 结果反映了包含系统误差和偶然误
差的综合误差大 小。但 R MS 仅 有68 % 的置 信度,
一般选用置信度为95 % 的均方根差作为精度指标。
n
∑δ2i
mσ = ±
i=1
n
( 1)
测深中误差为
n
∑ δ2i
m =±
i=1
2n
( 2)
果数据是系统性的, 可以认为是测深数据中残存的系 统误差, 故主测 线和 检查 线交 叉点 的深 度不 符 值 δi 中亦可能存在系统误差。因此, 式( 1) 和( 2) 的计算结 果 是将 深度 不符 值 等精 度处 理 时综 合误 差的 大 小。
多波束测深作 为一 种高 效 率的 全覆 盖式 测量, 已逐渐成为水深测量的主要手段之一。它是一种动 态的 水 上 测 量, 受 诸 多 因 素 的 影 响 产 生 各 种 误 差[ 1] 。因此, 要 检 验 多 波 束 测 量 成 果 的 质 量, 就 需 要对测深数据进行精度评估。
于面 的交叉 检查 方法基 础上, 提 出基于 Ping( 脉冲 击发) 的交 叉检 查 方法 , 对多 波 束测 深 数据 进 行精 度 评估 , 并 对 精度 超 限 的 数据 进行 误差分 析。 通过实 例分析 表明 , 基 于 Ping 的 交叉检 查方 法较传 统方 法更为 可靠, 该 方法还 能够发 现测 深数据 中残 存的不 同类 型的系统误差。
系统误差的种类和造成误差超限的原因。
四 、实例 分析
以某海区多波束测量的部分数据为例, 分别采 用基于面的交叉 检 查和 基 于 Pi ng 的交 叉 检 查进 行 精度评估, 并采用基于 Pi ng 的交叉检 查对精度 超限 的部分数据进行误差分析。
1. 两种交叉检查方法精度评估的比较 表1 为两种交叉检查方法对相同的交叉部分进 行精度评估的结果。
二 、基于 面的交叉 检查方法
1. 方法的主要思想 单波束主测线和检查线的交叉部分为单点, 而 多波束交叉部分为多点的集合, 该点集可视为一个 面, 基于面的交叉检查的对象就是该面内的所有交 叉点。如图1 所示, 公共部分的所有交叉点即为基
收稿日 期: 2006-03-06 ; 修回 日期 :2006- 06-14 作者简 介: 殷晓冬( 1964- ) , 男 , 辽 宁大 连人, 教授 , 博士生 , 主 要从 事海道 测量 数据处 理理论 与方 法的教 学与 研究工 作。
在基于 Pi ng 的交叉检查中, 交叉部分3 和4 , 不 符值均值较大, 中误差较低, 可能含有系统误差, 视 为可疑数据; 交叉部分5 和6 不符值均值较小, 但中 误差较大, 致使均方根差亦较大, 亦视为可疑数据。
国际海道测量规范规定, 多波束水深测量要用 多余观 测 来 检 查 测 深 质 量[ 2] 。 我 国 多 波 束 水 深 测 量技术规定明确要求, 在多波束测深中, 应布设一定 量与主测 线 垂 直、分布 均 匀、能 检 查 主 测 线 的 检 查 线, 通过比对主测线和检查线交叉点的深度不符值 来进行精度评估。
论上具有以下优点: 1 . 由于把中央波束作为参考水深, 得到的深度
不符值较为可靠; 2 . 考虑到同扇面不同波束的深度不符值不等
精度问题, 在进行精度评定时, 赋以相应的权值; 3 . 考虑到深度不符值中残存系统误差的可能
性, 采用的精度指标反映综合误差的大小; 4 . 通过绘制深度不符值剖面图, 可以分析残存
图2 交叉点深度不符值
2. 存在的问题 1 . 忽略深度不符值 δi 中 系统误 差存 在的 可能 性, 认为 δi 中 仅存 在偶 然误 差, 将 式( 1) 和( 2) 的 计 算结果称为中误差。事实上, 一些辅助参数( 如声速 剖面和船姿等) 的 测量 误差 以 及进 行这 些参 数改 正 的数学模型的误差导致改正不完全, 这种影响对成
图3 基于 Ping 的交叉检查
对 δi( i = 1 ,2 , …, n) 进 行统 计, 估 计 主 测线 中 央扇面精度。由于多波束测量中, 离 中央波 束越远, 测量精度越低, 因此不 同的深度不 符值精度 不同, 我 们在精度评估时赋以不同的权值 pi( i = 1 ,2 , …, n) 。
基于 Pi ng 的交叉检查( 以检查线中央波束为参考水深)
不符值均值
中误差 均方根差 置信度为95 % 的均方根差
- 0 .003
0 .109
0 .109
0 .214
0 .008
0 .144
0 .144
0 .282
1 .351
0 .154
1 .360
2 .667
2 .226
0 .141
2 .230
基于上述原因, 基于面的交叉检查方法计算出 来的ຫໍສະໝຸດ Baidu度指标称谓有误, 可靠性较低, 不能真实反映 多波束测量成果的质量。为此, 我们提出一种基于 Pi ng 的交叉检查方法。
三 、基于 Ping 的 交叉检查
1. 方法介绍 由于多波束系统的一些传感器的误差对水深的 影响自中央波束向边缘波束明显增大, 即中央波束 精度明显高于边缘波 束精度[ 6 ,7] 。在 一些 多波 束仪 器公司所做的波束精度测试中, 中央波束绝对精度 为0 .5 % 左右, 最 好的 可达 0 .2 % ; 最 边缘 波束 的绝 对精度在 3 % 左 右。因 此, 可 以 认 为 中 央波 束 水 深 最可靠, 可作为参考水深。 如图3 所示, 文件1 为交叉部分主测线的中央 扇面, 该扇面在海底的投影与检查线中央波束的波 束脚印轨迹基本重合; 文件2 为检查线的测深数据, 将其网格化, 取检查线每个扇面中央波束的网格数 据( 即沿着检查线方向的中央网格数据) 作为参考水 深。作差计算出主测线的中央扇面每个波束与相应 参考水深的深度不符值 δi( i = 1 ,2 , …, n) 。这 里的 深度不符值 δi 中包含偶然误差和系统误差。
目前国内外主要采用一种基于面的交叉检查方 法进行多波束测深精度评估, 即对所有交叉点的深 度不符值进行统计来评估测深精度, 并认为深度不 符值中仅含偶然 误差[ 3] 。实 际上, 一些 辅助 参数 的 测量误差和改正模 型的 误差 导 致某 些改 正不 完全, 其对成果数据影响成系统性, 可以认为是测深数据 中残存的系统误差。进而主测线和检查线交叉点的 深度不符值亦可能存在系统误差。另外, 基于面的 交叉检查将所有交 叉点 的深 度 不符 值等 精度 处理, 这与多波束同扇面不同入射角测量精度不同的事实 是不相符的。为此, 本文改进原有的交叉检查方法, 提出一种基于 Pi ng( 脉冲 击发) 的 交叉 检查方 法: 认 为中央波束较为可靠, 并作为参考水深, 以检查线中 央波束为参考, 将主测线的中央扇面( 称主测线与检 查线交叉部分主测线最中间的扇面为主测线的中央 扇面) 与检查线中央波束轨迹进行比对, 以达到检查
可以看出, 交叉部分1 ,2 和7 不符值均值很小, 接近零值, 且两种方法的中误差很小, 主 测线和检查 线只含偶然误差, 无系统误差, 置 信度为95 % 的均方 根差反映偶然误差的大小, 两种检查方法结果一致。
在基于面的交叉检查中, 由于忽略系统误差的 存在, 在系统误差存在情况下计算出来的结果不是 真正的中误差, 而是深度不符值等精度处理的综合 误差。因此, 交叉部分3 ~6 的中误差值没有意义。
A Study of Multibeam Accuracy Evaluation Method Based on Pi ng
YI N Xiao- dong , LI Yi-l ong , Z HOU Jun- hua , ZHA NG Li- hua , WU Li- da , HAN Zheng
摘要: 为了反映多波束测深成果质量, 需要对测深数据进行精度评估。交叉检查是有效的多波束水深精度评估方法。在传统的基
同样, 可以以主测线的中央波束为参考水深, 评
估检查线中央扇面的测深质量。这样, 通过这两个
方向比较, 可以同 时评估主 测线 和检查 线的 测深
精度。
对于精度超限的数据, 视为可疑数据。绘制两 个方向深度不符值的剖面图, 对可疑数据进行误差 分析, 由不符值的特点和变化趋势可以分辨出残存
误差的类型。 2. 与传统方法的比较 与传统方法相比, 基于 Pi ng 的交 叉检查方 法理
表1 两种交叉检查方法进行精度评估的结果
交叉部分编号
1 2 3 4 5 6 7
平均水深
55 .46 55 .89 55 .67 56 .03 56 .14 56 .77 56 .56
基于面的交叉检查 中误差 0 .113 0 .138 2 .234 3 .655 3 .960 2 .015 0 .098
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波束入射角越大, 精度越低, 深度不符值的权越
小, 不妨令 pi =
cos
θ i
n
, θi 为第i
∑cos θi
i=1
个 波束 的入 射
角。深度不符值的均方根差 R MS 为
n
∑( piδi) 2
R MS = ±
i=1
n
( 3)
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于面的交叉检查的对象。
图1 交叉检查数据
要进行主测线与检查线的水深比对, 首先应确 定主测线与检查线交叉点, 即求主测线各波束轨迹 与检查线各波束轨迹的交点。
对于多波束测深数据, 可采用网格化方法确定 主测线 和 检 查 线 的 交 叉 点[ 5] 。 将 主 测 线 和 检 查 线 公共部分网格化, 每个网格节点即为一个交叉点, 其 代表值即为交叉点水深值, 如图2 所示。计算交叉 点的主测线和检查线的深度不符值及其中误差, 设 共有 n 个( 1 ,2 , …, n) 节点, δi 为第i 点主测线 和检 查线深度不符值, 则交叉部分深度不符值的中误差 为
4 .371
0 .013
2 .778
2 .778
5 .445
0 .011
1 .421
1 .421
2 .785
0 .010
0 .097
0 .098
0 .192
注: 当不 符值之 中仅含 偶然 误差时 , 不符值 的算术 平均 值应为 零值( 或 接近零 值) ; 当含有 系统 误 差时 , 不符 值 均值 即 为系 统 偏差 值( 视不 符值 中的系 统误 差为偏 差) 。单 位为 m 。
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基 于 Pi ng 的 多 波 束 测 深 精 度 评 估 方 法 研 究
殷晓冬1 ,3 , 李宜龙2 , 周君华2 , 张立华3 , 吴理 达3 , 韩 政2 ,3
( 1 . 大连理工大学 电信学院, 辽宁 大连 116024 ; 2 . 解放军91561 部队 26 分队, 广东 广州 510320 ; 3 . 海军大连舰艇学院 海洋测绘系, 辽宁 大连116018)
主测线测深质量的目的。
一 、多波 束测深的 主要误差
1. 从误差的类型来分 多波 束测深 的误 差主 要分为 粗差、系 统误 差和 偶然误差三种。粗差的处理主要是人工剔除或计算 机自动滤波。目前多波束粗差处理方式主要是人机 交互手工剔除, 系统误差通过各种校正得到补偿, 偶 然误差则通过交叉点来进行估计。 2. 从误差的来源来分 多波束测深受诸多因素影响, 其误差来源具有 多样性[ 4] , 主要有以下几种: 1 . 定位系统误差; 2 . 测深误差; 3 . 声速传播路径的不确定性( 声速剖面误差) ; 4 . 航向准确度; 5 . 换能器安装不正确引起的误差; 6 . 测 量船 运动 传感 器 参数( 如横 摇、起 伏和 纵 摇) 的误差; 7 . 时间延迟。
2 . 没有顾及多波束同扇面不同入射角波束测 量精度不一致的事实, 对所有的深度不符值等精度 处理, 在计算精度指标时采用等权。而在大部分多波 束系统以等角方式发射时, 不同入射角的波束测量精 度不同, 随入射 角增大, 精 度降低。不同主 测线和检 查 线的 深度 不符 值 在精 度评 定 中权 重应 该不 同 。
而 δi = εi + σi , εi 为深 度不 符值 δi 中系 统误 差
的大小, σi 为偶然误差大小。
且
R MS2 = ε2 + σ2
( 4)
因此, 式( 3) 结果反映了包含系统误差和偶然误
差的综合误差大 小。但 R MS 仅 有68 % 的置 信度,
一般选用置信度为95 % 的均方根差作为精度指标。
n
∑δ2i
mσ = ±
i=1
n
( 1)
测深中误差为
n
∑ δ2i
m =±
i=1
2n
( 2)
果数据是系统性的, 可以认为是测深数据中残存的系 统误差, 故主测 线和 检查 线交 叉点 的深 度不 符 值 δi 中亦可能存在系统误差。因此, 式( 1) 和( 2) 的计算结 果 是将 深度 不符 值 等精 度处 理 时综 合误 差的 大 小。