测绘学概论第2章

1、第2章 大地测量学主要内容纲要：2.1 概述2.2 大地测量系统与大地测量参考框架2.3 实用大地测量学2.4 椭球面大地测量学2.5 物理大地测量学2.6 卫星大地测量学2.7 大地测量学的时间基准2.8 我国近五十年大地测量的进展2.1 2.1 概述大地测量学是一门古老而又年轻的科学, 是地球科学的一个分支。其基本目标是测定和研究地球空间点的位置、重力及其随时间变化的信息, 为国民经济建设和社会发展、国家安全、以及地球科学和空间科学研究等提供大地测量基础设施、信息和技术支持。现代大地测量学与地球科学和空间科学的多个分支相互交叉, 已成为推动地球科学、空间科学和军事科学发展的前沿科学之一,

2、其范围也已从测量地球发展到测量整个地球外空间。2 .1 .1 大地测量学的基本任务v大地测量学的基本任务是: ( 1) 建立和维护高精度全球和区域性大地测量系统与大地测量参考框架; ( 2) 获取空间点位置的静态和动态信息; ( 3 )测定和研究地球形状大小、地球外部重力场及其随时间的变化; ( 4) 测定和研究全球和区域性地球动力学现象, 包括地球自转与极移、地球潮汐、板块运动与地壳形变以及其他全球变化; (5 )研究地球表面观测量向椭球面和平面的投影变换及相关的大地测量计算问题; ( 6) 研究新型的大地测量仪器和大地测量方法; ( 7) 研究空间大地测量理论和方法; ( 8) 研究月球和

3、行星大地测量理论和方法, 研究月球或行星探测器定位、定轨和导航技术, 构建月球或行星坐标参考系统和框架, 探测月球和行星重力场。v20 世纪70 年代以前的大地测量通常称为传统大地测量。70 年代以后, 形成了现代大地测量, 它通常具有六个特点。1 . 长距离、大范围 2 . 高精度 3 . 实时、快速 4 .“时间维” 5 . 地心 6 . 学科的融合2 .1 .2 大地测量学的作用与服务对象 大地测量学是测绘科学与技术的重要理论基础, 是地理信息系统、数字地球、数字中国和数字区域的几何和物理的基础平台, 它通过将各种空间信息源统一起来, 重构这些信息源之间的几何和物理的拓扑关联。因此, 大

4、地测量是组织、管理、融合和分析地球海量时空信息的一个数理基础, 也是描述、构建和认知地球, 进而解决地球科学问题的一个时空平台。 任何与地理位置有关的测绘都必须以法定的或协议的大地测量基准为基础。各种测绘只有在大地测量基准的基础上, 才能获得统一的、协调的、法定的坐标和高程系统, 才能获得正确的点位和海拔高以及点之间的空间关系和尺度。服务对象：v1 . 经济建设 大地测量广泛应用于大范围、跨地区工程的精密测量控制, 是确保工程规划放样到实地,确保按设计图纸实施的一种重要技术手段。v2 . 资源与环境发展 测定全球和局域重力场及其时变 勘探地下资源 大地测量形变监测 地震、地质等灾害监测、分析和

5、预报 空间大地测量技术 无线通信、气象、汛情、全球变化的预报预测v3 . 空间技术与航天工程v4 . 地球自转与地球动力学v5 . 国防安全与军事信息化2 .1 .3 大地测量学的现代发展 20 世纪80 年代以来, 由于空间技术、计算机技术和信息技术的飞跃发展, 以电磁波测距、卫星测量、甚长基线干涉测量等为代表的新的大地测量技术出现, 给传统大地测量带来了革命性的变革, 形成了现代大地测量学。现代大地测量则已超过原来传统的研究内容, 将原来所考虑的静态内容, 在长距离、大范围、实时和高精度测量的条件下, 和时间(历元) 这一因素联系起来。 现代大地测量学业已形成了学科交叉意义上的一门科学,

6、它将更大地影响和促进地球科学、环境科学和行星科学的发展。2 .1 .4 大地测量学的学科分类 大地测量学的学科有着多种分类方法, 而且相互交叉。本书按照所研究的内容将现代大地测量学分为四类: 实用大地测量学、椭球面大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学。海洋大地测量学、动力大地测量学以及月球和行星大地测量学 主要是利用上述四个方面内容中的有关理论和方法形成的。2 .2 2 .2 大地测量系统与参考框架 大地测量系统是总体概念, 大地测量参考框架是大地测量系统的具体应用形式。 大地测量系统包括：坐标系统、高程系统/ 深度基准和重力参考系统。 与大地测量系统相对应, 大地测量参考框架有： 坐标

7、( 参考) 框架、高程( 参考) 框架和重力测量( 参考) 框架三种。2 .2 .1 大地测量坐标系统和大地测量常数根据其原点位置不同, 分为地心坐标系统和参心坐标系统。从表现形式上分, 大地测量坐标系统又分为 空间直角坐标系统、大地坐标系统和球坐标系统三种形式。空间直角坐标一般用( x, y, z)表示; 大地坐标用(经度, 纬度, 大地高H )表示, 其中大地高H 是指空间点沿椭球面法线方向高出椭球面的距离。 1. 地心坐标系统 地心坐标系统应满足以下四个条件: ( 1) 原点位于整个地球(包括海洋和大气) 的质心; ( 2)尺度是广义相对论意义下某一局部地球框架内的尺度; ( 3)定向为

8、国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线, 称为地球定向参数EOP ; ( 4 ) 定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件。图2-1 地心坐标系示意图2 . 参心坐标系统 参心坐标系统的原点位于参考椭球中心, z 轴( 椭球旋转轴) 与地球自转轴平行, x 轴在参考椭球的赤道面并平行于天文起始子午面。 新中国成立初期, 由于缺乏天文大地网观测资料, 我国暂时采用了克拉索夫斯基参考椭球, 并与前苏联1942 年坐标系统进行联测, 通过计算建立了我国大地坐标系统, 称为北京1954 (大地) 坐标系统。20 世纪80 年代, 采用IUGG75 椭球为参考椭球, 经过大规模的天文大地网计算

9、, 建立了比较完善的我国独立的参心坐标系统, 称为西安1980 坐标系统。西安1980坐标系统克服了北京1954 坐标系统对我国大地测量计算的某些不利影响。3 . 大地测量常数 大地测量常数是指与地球一起旋转且和地球表面最佳吻合的旋转椭球(即地球椭球) 几何和物理参数。 它分为基本常数和导出常数。 基本常数惟一定义了大地测量系统。 导出常数由基本常数导出 , 便于大地测量应用。 大地测量常数按属性分为几何常数和物理常数。 我国西安 1980 坐 标系统采用 IUGG75 的大地测量常数。 目前 , 正被广泛使用的常数是 GRS80 定义的。1) 大地测量基本常数地球椭球的几何和物理属性可由四个

10、基本常数完全确定 , 这四个基本常数就是大地测量基本常数。 a; GM; J2 ; 2) 大地测量导出常数大地测量导出常数比较多 , 常用的有 :(1 )椭球短半轴 : (2 )几何扁率 :21 eababa/e22abaf2 .2 .2 大地测量坐标框架1 . 参心坐标框架 传统的大地测量坐标框架是由天文大地网实现和维持的 , 一般定义在参心坐标系统中 , 是一种区域性、二维、静态的地球坐标框架。 20 世纪 , 世界上绝大部分国家或地区都采用天文大地网来实现和维持各自的参心坐标框架。 我国在 20 世纪 5080 年代完成的全国天文大地网 , 不同时期分别定义在北京 1954 坐标系统和西

11、安 1980 坐标系统中。 天文大地控制点( 大地点)覆盖我国大陆和海南岛 , 采用整体平差方法构建了我国参心坐标框架。2 . 地心坐标框架 国际地面参考框架( ITRF )是国际地面参考系统( ITRS )的 具体实 现。 它以甚长基线干涉测量( VLBI) 、卫星激光测距( SLR )、激光测月 ( LLR )、GPS 和 卫星多普勒定轨定位( DORIS )等空间大地测量技术构成全球观测网点 , 经数据处理 , 得到 ITRF点 (地面观测站)的 站坐标和 速度场等。 目前 , ITRF 已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。2 .2 .3 高程系统和高程框架1 . 高程基

12、准高程基准定义了陆地上高程测量的起算点。区域性高程基准可以用验潮站的长期平均海面来确定 , 通常定义该平均海面的高程为零。 在地面预先设置好一固定点 ( 组 ) , 利用精密水准测量联测固定点与该平均海面的高差 , 从而确定固定点 ( 组 ) 的海拔高程。 这个固定点就称为水准原点 , 其高程就是区域性水准测量的起算高程。2 . 高程系统 我国的高程系统采用正常高系统。 正常高的起算面是似大地水准面( 似大地水准面可由物理大地测量方法确定)。 由地面点沿垂线向下至似大地水准面之间的距离 , 就是该点的正常高 , 即该点的高程。3 . 高程框架 高程框架是高程系统的实现。 我国水准高程框架由全国

13、高精度水准控制网实现,以黄海高程基准为起算基准,以正常高系统为水准高差传递方式。 水准高程框架分为四个等级,分别称为国家一、二、三、四等水准控制网。 框架点的正常高采用逐级控制,其现势性通过一等水准控制网的定期全线复测和二等水准控制网部分复测来维护。 高程框架的另一种形式是通过(似)大地水准面来实现。2 .2 .4 深度基准1 . 深度基准概念 深度是指在海洋(主要指沿岸海域) 水深测量所获得的水深值 , 是从测量时的海面( 即瞬时海面)起算的。 由于受潮汐、海浪和海流等的影响 , 瞬时海面的位置会随时间发生变化 , 因此 ,同一测深点在不同时间测得的瞬时深度值是不一样的。 为此 , 必须规定

14、一个固定的水面作为深度的参考面 , 把不同时间测得的深度都化算到这一参考水面上去。 这一参考水面即称为深度基准面。 深度基准面通常取在当地平均海面以下深度为 L 的位置( 如图 2-4 ) 。由于不同海域的平均海面不同 , 所以深度基准面对于平均海面的偏差因地而异。由于各国求L值的方法有别 , 所采用的深度基准面也不相同。甚至有的国家 ( 如美国 ) ,在不同海岸采用不同的计算模型。2 . 我国采用的深度基准面 我国 1956 年以前采用略最低低潮面作为深度基准面。 1956 年以后 采用弗拉基米尔斯基理论最低潮面(简称理论最低潮面) , 作为深度基准面。2 .2 .5 重力系统和重力测量框架

15、重力是重力加速度的简称。重力测量就是测定空间一点的重力加速度。 重力基准就是标定一个国家或地区的(绝对) 重力值的标准。在20世纪5070年代,我国采用波茨坦重力基准,而我国重力参考系统采用克拉索夫斯基椭球常数。 20世纪80年代,我国重力基准用经过国际比对的高精度相对重力仪自行测定,而重力参考系统则采用IUGG75 椭球常数及其相应的正常重力场。20世纪初,我国用国际重力局标定的高精度绝对重力仪和相对重力仪测定我国新的重力基准。 目前的重力系统采用 GRS80 椭球常数及其相应的正常重力场。 国家重力测量框架由分布在全国的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网,以及用做相对重力尺度标准的

16、若干条长短基线构成。 新中国成立以来,我国先后建立了1957重力基本网、1985国家重力基本网和 2000国家重力基本网。 目前启用的国家重力测量框架为2000国家重力基本网。20世纪我国一直采用CQ G1980似大地水准面,从20世纪开始我国采用更高精度、更高分辨率和包含全部陆海国土的新的似大地水准面 CQG2000。2 .3 2 .3 实用大地测量学u实用大地测量学的基本任务是建立地面大地控制网 , 即以精确可靠的地面点坐标、高程和重力值来实现大地测量系统。u 地面大地控制网大体分为平面控制网、高程控制网和重力控制网三类。u地面大地控制网的布设一般遵循 “ 从大到小、逐级控制”的原则 ,

17、从高级控制网通过几个等级逐步过渡到实际业务工作,包括测制地图所需的低级控制网,其精度逐级降低,边长逐级缩短。u 国家大地控制网是主控制网 , 是国家所有地理坐标、高程、重力值的基础 , 其精度和可靠性应足以保证国家各类工程和各种测绘的需要。 （应覆盖全国国土并有必要的密度、 应定期进行复测。）2 .3 .1 实用大地测量学的任务与方法2 .3 .2 国家平面控制网1 . 平面控制测量目的 进行平面控制测量的主要目的是完成点位(坐标) 的传递和控制。 点位传递的概念： 点位控制的概念：平面控制测量按测量的精度等级高低分为一等至四等4个级别的平面控制网。 国家在建立平面控制测量网时 , 必须逐级布

18、测 , 逐级控制 , 最终布满全国。2 . 平面控制测量的技术 1) 水平角测量 主要测量仪器是经纬仪。 不论是哪种类型的光学经纬仪或电子经纬仪 , 都是由 角度测量、目标照准和归心置平三大装置组成。2) 距离测量 为推算平面控制点的坐标,必须在网中选择少量边长作为起始边,并测定其长度 , 以此确定网的尺度标准。我国平面控制网的起始边大多采用膨胀系数极小的铟瓦基线尺直接丈量或组成基线网推算出来。光电测距仪和微波测距仪(如图 2-8 )先后问世后,逐步取代了铟瓦基线尺,成为精密距离测量的主要工具。3) 三角高程测量 三角高程测量是在三角网水平角观测的同时 , 观测相邻两点的垂直角(竖角) , 并

19、通过三角网的计算求得两点间水平边长或利用测距仪直接测定边长 , 进而计算两点间的大地高差。4) 卫星定位测量 利用卫星定位系统 , 如 GPS, GLONASS 和今后的GALILEO等 , 也可以测定和传递控制点的坐标。这是近年来迅速发展的测定点位的新 技术 , 是卫星大地测量的内容。3 . 大地天文测量1) 大地天文测量方法 大地天文测量是指用天文观测方法测定天文方位角和天文经纬度。它通过测量天体的天顶角、天体经过某一特定位置的时间或者天体在任意位置的方向等几何和物理量而得到天文方位角和天文经纬度。 常见的天文经纬度和天文方位角测量方法有 : ( 1) 津格尔(星对) 测时法。(2 ) 塔

20、尔科特测纬度法。(3 )多星等高法。(4 )北极星任意时角法。 ( 5) 中天法。2) 大地天文测量 的作用 在传统的一等三角锁中,每个锁段的两端都需测定天文经纬度和天文方位角,以控制锁段的方位角传递误差,使得国家平面控制网的方位控制更加完善。 此外,在一等锁和二等网中,每隔一定距离也要测定天文经纬度,以便将地面的观测量,如方向、角度和长度归算到参考椭球面上。4 . 国家平面控制网的布网方案 国家平面控制网根据当时的测绘技术水平和条件 , 可以采用传统的测量角度、边长的技术 , 也可以采用卫星定位技术布设平面控制网。我国的一等三角锁系是国家平面控制网的骨干 ( 如图 2-9 ) , 其作用是在

21、全国范围内迅速建立一个统一坐标系统的框架 , 为控制二等及以下各级三角网的建立并为研究地球形状和大小提供资料。2 .3 .3 国家高程控制网国家高程控制网布设的目的和任务有两个 : 一是在全国范围内建立统一的高程控制网 , 为地形测图和工程建设提供必要的高程控制 ; 二是为地壳垂直运动、海面地形及其变化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。1 . 国家水准网的布网方案国家水准网采用从高到低, 从整体到局部, 逐级控制,逐级加密的方式布设,分为 一、二、三、四等水准网。一等水准网是国家高程控制的骨干; 二等水准网是国家高程控制的全面基础; 三、四等水准网直接为地形测图和工程建设提供高程控制点。各级水准路线必须自行闭合或闭合于高等级的水准点,构成环形或附合路线,以便控制水准测量系统误差的累积和便于在高等级的水准环中布设低等级的水准路线。一等闭合环线周长一般为 10001500 km; 二等闭合环线周长一般为500750 km。2 . 国家水准网的观测水准测量是目前精确测定地面点海拔高程的主要手段,其主要测量设备是水准仪和水准尺(如图 2-11 )。 水准仪置平后, 其视线将给出当地水平面,根据视线 在前后两个直立的水准尺上的读数, 就可测定两个水准尺零点( 底部)之间的高差, 从而实现高程传递。 如图 2-12, 水准仪在