测量学辅助材料1

第二章地球体与地图投影 主讲 王延霞 主要内容 1地球体 2大地测量系统 3地图投影 4地图比例尺 1地球体 地球体的基本特征地理坐标 地球体的基本特征 1 1地球的自然表面 为了了解地球的形状 让我们由远及近地观察一下地球的自然表面 浩瀚宇宙之中 地球是一个表面光滑 蓝色美丽的正球体 机舱窗口俯视大地 地表是一个有些微起伏 极其复杂的表面 珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近20km 事实是 地球不是一个正球体 而是一个极半径略短 赤道半径略长 北极略突出 南极略扁平 近于梨形的椭球体 1 2地球的物理表面当海洋静止时 自由水面与该面上各点的重力方向 铅垂线 成正交 这个面叫水准面 在众多的水准面中 有一个与静止的平均海水面相重合 并假想其穿过大陆 岛屿形成一个闭合曲面 这就是大地水准面 它实际是一个起伏不平的重力等位面 地球物理表面 它所包围的形体称为大地体 大地水准面的意义1 地球形体的一级逼近 对地球形状的很好近似 其面上高出与面下缺少的相当 2 起伏波动在制图学中可忽略 对大地测量和地球物理学有研究价值 但在制图业务中 均把地球当作正球体 3 重力等位面 可使用仪器测得海拔高程 某点到大地水准面的高度 1 3地球的数学表面在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体 这个旋转椭球体通常称为地球椭球体 简称椭球体 它是一个规则的数学表面 所以人们视其为地球体的数学表面 也是对地球形体的二级逼近 用于测量计算的基准面 椭球体三要素 长轴a 赤道半径 短轴b 极半径 和椭球的扁率f WGS worldgeodeticsystem 84ellipsoid a 6378137mb 6356752 3mequatorialdiameter 12756 3kmpolardiameter 12713 5kmequatorialcircumference 40075 1kmsurfacearea 510064500km2 a b6378137 6356752 3f a6378137 1 298 257f 对a b f的具体测定就是近代大地测量的一项重要工作 对地球形状a b f测定后 还必须确定大地水准面与椭球体面的相对关系 即确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体 参考椭球体 这项工作就是参考椭球体定位 通过数学方法将地球椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上 并求出两者各点间的偏差 从数学上给出对地球形状的三级逼近 由于国际上在推求年代 方法及测定的地区不同 故地球椭球体的元素值有很多种 中国1952年前采用海福特 Hayford 椭球体 1953 1980年采用克拉索夫斯基椭球体 坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台 自1980年开始采用GRS1975 国际大地测量与地球物理学联合会IUGG1975推荐 新参考椭球体系 并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为 1980西安坐标系 大地坐标的起算点 陕西省泾阳县永乐镇北洪流村为 1980西安坐标系 大地坐标的起算点 大地原点 地球表面上的定位问题 是与人类的生产活动 科学研究及军事国防等密切相关的重大问题 具体而言 就是球面坐标系统的建立 地理坐标 用经纬度表示地面点位的球面坐标 天文经纬度 大地经纬度 地心经纬度 地理坐标 天文经纬度 表示地面点在大地水准面上的位置 用天文经度和天文纬度表示 地理坐标 天文经度 观测点天顶子午面与格林尼治天顶子午面间的两面角 在地球上定义为本初子午面与观测点之间的两面角 天文纬度 在地球上定义为铅垂线与赤道平面间的夹角 大地经纬度 表示地面点在参考椭球面上的位置 用大地经度l 大地纬度 和大地高h表示 地理坐标 大地经度l 指参考椭球面上某点的大地子午面与本初子午面间的两面角 东经为正 西经为负 大地纬度 指参考椭球面上某点的垂直线 法线 与赤道平面的夹角 北纬为正 南纬为负 地心经纬度 即以地球椭球体质量中心为基点 地心经度同大地经度l 地心纬度是指参考椭球面上某点和椭球中心连线与赤道面之间的夹角y 地理坐标 在大地测量学中 常以天文经纬度定义地理坐标 在地图学中 以大地经纬度定义地理坐标 在地理学研究及地图学的小比例尺制图中 通常将椭球体当成正球体看 采用地心经纬度 2大地测量系统 我国的大地坐标系统大地控制网全球定位系统 中国的大地坐标系统 1 中国的大地坐标系1980年以前 参见电子教案本章第十四页 1980年选用1975年国际大地测量协会推荐的参考椭球 ICA 75椭球参数a 6378140mb 6356755mf 1 298 257 平面控制网 按统一规范 由精确测定地理坐标的地面点组成 由三角测量或导线测量完成 依精度不同 分为四等 中国的大地控制网 由平面控制网和高程控制网组成 控制点遍布全国各地 高程控制网 按统一规范 由精确测定高程的地面点组成 以水准测量或三角高程测量完成 依精度不同 分为四等 中国高程起算面是黄海平均海水面 1956年在青岛观象山设立了水准原点 其他各控制点的绝对高程均是据此推算 称为1956年黄海高程系 1987年国家测绘局公布 启用 1985国家高程基准 取代 黄海平均海水面 其比 黄海平均海水面 上升29毫米 青岛观象山水准原点 绝对高程相对高程 国家水准原点 国家测绘局 平面控制网 国家测绘局 高程控制网 国家测绘局 水准面示意图 国家测绘局 GPS控制网 国家测绘局 全球定位系统 GPS授时与测距导航系统 全球定位系统 NavigationSatelliteTimingandRanging GlobalPositioningSystem GPS 是以人造卫星为基础的无线电导航系统 可提供高精度 全天候 实时动态定位 定时及导航服务 GPS系统由三个独立的部分组成 空间部分 21颗工作卫星 3颗备用卫星 白色 它们在高度20200km的近圆形轨道上运行 分布在六个轨道面上 轨道倾角55 两个轨道面之间在经度上相隔60 每个轨道面上布放四颗卫星 卫星在空间的这种配置 保障了在地球上任意地点 任意时刻 至少同时可见到四颗卫星 地面支撑系统 1个主控站 3个注入站 5个监测站 它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数 监控卫星沿着预定轨道运行 保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等 用户设备部分 GPS接收机 接收卫星信号 经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息 通常会显示出用户的位置 速度和时间 还可显示一些附加数据 如到航路点的距离和航向或提供图示 GPS系统定位原理 数据 组成3个方程式 就可以解出观测点的位置 X Y Z 考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差 实际上有4个未知数 X Y Z和钟差 因而需要引入第4颗卫星 形成4个方程式以求解 从而得到观测点经纬度和高程 通过测量卫星信号到达接收机的时间延迟 即可算出用户到卫星的距离 再根据三维坐标中的距离公式 利用3颗卫星的 常用GPS测量模式 常规静态测量 采用两台 或两台以上 GPS接收机 分别安置在一条或数条基线的两端 同步观测4颗以上卫星 每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间 常用于建立全球性或国家级大地控制网 地壳运动监测网 快速静态测量 这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站 连续跟踪所有可见卫星 移动站接收机依次到各待测测站 每测站观测数分钟 这种模式常用于控制网的建立及其加密 工程测量 地籍测量等 这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测 流动点与基准点相距应不超过20km 静态测量模式 准动态测量在一已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站 连续跟踪所有可见卫星 移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站 每测站观测几个历元数据 这种方法不同于快速静态 除观测时间不一样外 它要求移动站在搬站过程中不能失锁 并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化 采用有OTF功能的软件处理时例外 这种模式可用于开阔地区的加密控制测量 工程定位及碎部测量 剖面测量及线路测量等 要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测 流动点与基准点相距应不超过20km 动态测量模式 实时动态测量 DGPS和RTK在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链 连续跟踪所有可见卫星 并通过数据链向移动站发送数据 移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据 并在机进行处理 从而实时得到移动站的高精度位置 DGPS通常叫做实时差分测量 精度为亚米级到米级 这种方式是基准站将基准站上测量得到的RTCM数据通过数据链传输到移动站 移动站接收到RTCM数据后 自动进行解算 得到经差分改正以后的坐标 RTK则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量 它是GPS测量技术发展中的一个新突破 它的工作思路与DGPS相似 只不过是基准站将观测数据发送到移动站 而不是发射RTCM数据 移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理 从而得到精度比DGPS高得多的实时测量结果 这种方法的精度一般为2cm左右 本次奉上的图赏是由姚明代言的任我游产品 型号为任我游610 这款产品采用了4 3英寸宽屏设计 内置FM发射功能 具备手写输入功能 拥有MP3播放 电子相册等功能产品设计时尚 前卫 影音全能易图新款车载GPS导航仪 在性能方面 GS 430GPS内置美国瑟浮SiRF第三代20通道高灵敏度卫星定位接收芯片 定位精确在10M以内 速度精度为0 1M S 数据更新为1 秒连续更新 内置经过国家授权开发的专业导航地图 凯立德3 0版最新地图 覆盖3