大地测量学基础 第一章

1、 第一章第一章 绪绪 论论1.1.定义：大地测量学是为人类活动提供空间信息的科学，着重定义：大地测量学是为人类活动提供空间信息的科学，着重 研究地球的几何特征（形状和大小）和基本物理特性（重力场）研究地球的几何特征（形状和大小）和基本物理特性（重力场）及其变化。及其变化。2.2.性质：地球科学的一个分支，是一门地球信息科学，既是基性质：地球科学的一个分支，是一门地球信息科学，既是基 础础科学，又是应用科学。科学，又是应用科学。3.3.任务：测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地任务：测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息；研究宇宙空间其它星球的状态。球的空间信息

2、；研究宇宙空间其它星球的状态。 (1)(1)经典大地测量学：视地球为不变刚体，均匀旋转球体或椭球经典大地测量学：视地球为不变刚体，均匀旋转球体或椭球体，在一定范围内测绘地球和研究其形状、大小及外部重力场。体，在一定范围内测绘地球和研究其形状、大小及外部重力场。 (2)(2)现代大地测量学：以空间大地测量学为主要标志，研究现代大地测量学：以空间大地测量学为主要标志，研究地球及外部宇宙空间。地球及外部宇宙空间。 与经典大地测量学相比，在研究方法、手段方面有显著与经典大地测量学相比，在研究方法、手段方面有显著不同。主要表现在人造卫星、空间探测器、计算机、通讯技不同。主要表现在人造卫星、空间探测器、计

3、算机、通讯技术等先进技术的应用。术等先进技术的应用。1.1.是国民经济建设和社会发展基础先行性的重要保证。是国民经济建设和社会发展基础先行性的重要保证。（1）交通运输事业，资源开发事业，水利水电工程事业，工）交通运输事业，资源开发事业，水利水电工程事业，工业企业建设事业业企业建设事业(工厂、矿山等工厂、矿山等)，农业生产规划和土地管理，农业生产规划和土地管理，城市建设发展及社会信息管理等，都需要地形图作为规划、设城市建设发展及社会信息管理等，都需要地形图作为规划、设计和发展的依据。可以说，地形图是一切经济建设规划和发展计和发展的依据。可以说，地形图是一切经济建设规划和发展必需的基础性资料。必需

4、的基础性资料。 （2 2）国民经济建设需要地形图及相关资料，测绘地形图需要）国民经济建设需要地形图及相关资料，测绘地形图需要建立控制网，建立控制网需要建立坐标框架，建立坐标框架建立控制网，建立控制网需要建立坐标框架，建立坐标框架须知道地球的形状、大小及重力参数。而这些方面正是大地须知道地球的形状、大小及重力参数。而这些方面正是大地测量学所研究的内容。测量学所研究的内容。2.2.在防灾、减灾、救灾及环境保护、监测、评价中的作用在防灾、减灾、救灾及环境保护、监测、评价中的作用1) 1) 建立大地形变监测系统，为地震预报提供有关资料；建立大地形变监测系统，为地震预报提供有关资料；2) 2) 监测泥石

5、流、山体滑坡、雪崩、森林火灾、洪水等灾害，监测泥石流、山体滑坡、雪崩、森林火灾、洪水等灾害， 并为灾后评估提供资料；并为灾后评估提供资料；3) 3) 监测海水面的变化；监测海水面的变化；4) 4) 为灾难事件救援提供快速定位；如空难、海难、交通事为灾难事件救援提供快速定位；如空难、海难、交通事 故；故；5) 5) 环境监测，如沙漠，森林，土地利用情况等；环境监测，如沙漠，森林，土地利用情况等；1)1)为卫星、导弹、航天飞机及其它宇宙探测器提供精确的地为卫星、导弹、航天飞机及其它宇宙探测器提供精确的地球参考框架和全球重力场模型；球参考框架和全球重力场模型；2)2)为战争提供军事测绘保障，超前储备

6、保障，动态实时保障。为战争提供军事测绘保障，超前储备保障，动态实时保障。如提供战区电子地图、数字影像图，打击目标的精确三维如提供战区电子地图、数字影像图，打击目标的精确三维坐标。坐标。3.3.是发展空间技术和国防建设的重要保障是发展空间技术和国防建设的重要保障4.4.在当代地球科学研究中有重要地位在当代地球科学研究中有重要地位 1)1)建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的三维大建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的三维大 地网，长期监测网点随时间的变化；地网，长期监测网点随时间的变化； 2)2)监测和分析各种地球动力学现象；提供有关地球动力监测和分析各种地球动力学现象；提供有关地球动

7、力 （地壳板块运动）过程中时空度量上的定量定性信息；（地壳板块运动）过程中时空度量上的定量定性信息；3)3)测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时间的变化，测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时间的变化，进一步精化地球重力场模型；进一步精化地球重力场模型；4)4)是测绘科学的各分支学科的基础科学，极大地影响着测绘是测绘科学的各分支学科的基础科学，极大地影响着测绘科学的发展。科学的发展。1.1.测量学的两个分支测量学的两个分支（1 1）普通测量学：研究小范围的地球表面，认为该范围的地）普通测量学：研究小范围的地球表面，认为该范围的地 球表面是平面，且铅垂线彼此平行。球表面是平面，且铅垂线

8、彼此平行。（2 2）大地测量学：研究全球或大范围的地球，认为铅垂线彼）大地测量学：研究全球或大范围的地球，认为铅垂线彼 此不平行，研究地球的形状、大小及重力场。此不平行，研究地球的形状、大小及重力场。 第二节第二节 大地测量学的基本体系和内容大地测量学的基本体系和内容 GPS空空间间大大地地测测量量大大地地测测量量理理论论物物理理几几何何大大地地测测量量1)1)几何大地测量学：即天文大地测量学几何大地测量学：即天文大地测量学 基本任务：确定地球形状、大小，地面点的几何位置基本任务：确定地球形状、大小，地面点的几何位置 主要内容：国家大地测量控制网建立的理论、方法，精主要内容：国家大地测量控制网

9、建立的理论、方法，精 密测角、测距、测水准；地球椭球数学性密测角、测距、测水准；地球椭球数学性 质，椭球面上的测量计算，椭球数学投质，椭球面上的测量计算，椭球数学投 影，地球椭球几何参数的数学模型等。影，地球椭球几何参数的数学模型等。2)2)物理大地测量学（理论大地测量学）物理大地测量学（理论大地测量学） 基本任务：用物理方法（重力测量）确定地球形状及其基本任务：用物理方法（重力测量）确定地球形状及其 外部重力场。外部重力场。 主要内容：位理论，地球重和场，重力测量及其归算，主要内容：位理论，地球重和场，重力测量及其归算， 推球地球形状及外部重力场的理论与方法。推球地球形状及外部重力场的理论与

10、方法。3)3)空间大地测量学空间大地测量学 以人造地球卫星及其它空间探测器为代表的空间大地测量以人造地球卫星及其它空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。的理论、技术与方法。3.3.常规大地测量学的分支：常规大地测量学的分支： 应用大地测量学：以建立国家大地测量控制网为中心内容应用大地测量学：以建立国家大地测量控制网为中心内容 椭球大地测量学：坐标系建立、地球椭球性质、投影数学椭球大地测量学：坐标系建立、地球椭球性质、投影数学 变换变换 大地天文测量学：测量天文经度、纬度及天文方位角大地天文测量学：测量天文经度、纬度及天文方位角 大地重力测量学：重力场、重力测量方法大地重力测量学：重

11、力场、重力测量方法 测量平差：研究大地测量控制网平差计算为主要内容测量平差：研究大地测量控制网平差计算为主要内容4.4.现代大地测量的特征（同传统的大地测量相比）现代大地测量的特征（同传统的大地测量相比） 1) 1) 测量范围大，范围从地区、全球乃至宇宙空间；测量范围大，范围从地区、全球乃至宇宙空间； 2) 2) 研究对象和范围不断深入、全面和精细，从静态测量研究对象和范围不断深入、全面和精细，从静态测量 发展到动态测量，从地球表面测绘发展到地球内部构发展到动态测量，从地球表面测绘发展到地球内部构 造及动力过程的研究；造及动力过程的研究； 3) 3) 观测精度高；观测精度高； 4) 4) 观测

12、周期短。观测周期短。5.5.大地测量的基本内容大地测量的基本内容 1)1)确定地球形状、外部重力场及其变化；建立大地测量确定地球形状、外部重力场及其变化；建立大地测量 坐标系；研究地壳形变，极移和海洋水面地形用其变化；坐标系；研究地壳形变，极移和海洋水面地形用其变化；2)2)研究月球及太阳系行星的形状及重力场研究月球及太阳系行星的形状及重力场3)3)建立和维护国家和全球天文大地水平控制网、精密水准网建立和维护国家和全球天文大地水平控制网、精密水准网及海洋大地控制网及海洋大地控制网4)4)研究为获得高精度测量成果的仪器和方法研究为获得高精度测量成果的仪器和方法5)5)研究地球表面向椭球面或平面的

13、投影数学变换及有关的大研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关的大地测量计算地测量计算6)6)研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理理论方法，测量数据库的建立及应用。网的数学处理理论方法，测量数据库的建立及应用。1.1.第一阶段第一阶段( (地球圆球阶段地球圆球阶段) )将地球看成是圆球进行测量其大将地球看成是圆球进行测量其大小（半径），公元前六世纪，小（半径），公元前六世纪，毕达哥拉斯毕达哥拉斯最先提出地球圆最先提出地球圆球说。球说。 首次地球半径测量：公元前三世纪，首次地球半径测量：公元前三世纪，亚历山大学者埃

14、拉亚历山大学者埃拉托色尼托色尼用子午圈弧长测量法来估算地球半径用子午圈弧长测量法来估算地球半径, ,与现代数据相与现代数据相比比, ,误差约误差约 100Km.100Km.亚历山大城赛尼城SR第三节第三节 大地测量学的发展简史及展望大地测量学的发展简史及展望最早一次对地球大小的实测：最早一次对地球大小的实测：我国唐代张遂指导进行。得出子我国唐代张遂指导进行。得出子午线上纬度差一度，地面相距约午线上纬度差一度，地面相距约132Km132Km，与现代值，与现代值110.95Km110.95Km相比，相比，误差约误差约21Km21Km。公元公元827827年年, ,阿拉伯人阿尔曼孟通阿拉伯人阿尔曼孟

15、通过弧长测量过弧长测量, ,推算出纬度推算出纬度3535处的处的1 1子午线弧长等于子午线弧长等于111.8Km,111.8Km,比正比正确值确值110.95Km110.95Km只大只大1%1%2.2.第二阶段第二阶段: :（地球椭球阶段）最先由牛顿提出（地球椭球阶段）最先由牛顿提出 (1)(1)在此阶段，理论方面在此阶段，理论方面 英国的牛顿英国的牛顿: :万有引力定律万有引力定律, ,地球椭球学说地球椭球学说. . 荷兰的斯涅耳荷兰的斯涅耳: :三角测量法三角测量法 德国的开普勒德国的开普勒: :行星运动三大定律行星运动三大定律 荷兰的惠更斯荷兰的惠更斯: :摆测重力原理摆测重力原理 法国

16、的勒让德法国的勒让德: :最小二乘法最小二乘法, ,重力位函数重力位函数 法国的克莱罗法国的克莱罗: :克莱罗定律克莱罗定律 英国的普拉特和艾黎英国的普拉特和艾黎: :地壳均衡学说地壳均衡学说 另外此阶段还进行了大量的实测工作。从理论和实另外此阶段还进行了大量的实测工作。从理论和实 际上推算地球椭球参数，确定地球形状大小。际上推算地球椭球参数，确定地球形状大小。（2 2）此阶段在几何大地测量方面取得的成果）此阶段在几何大地测量方面取得的成果 1)1)长度单位的建立长度单位的建立: :法国利用弧度测量的结果法国利用弧度测量的结果, ,取其子午取其子午圈弧长的四千万分之一为长度单位圈弧长的四千万分

17、之一为长度单位, ,称为称为1 1米米. .2)2)最小二乘法的提出：法国勒让德于最小二乘法的提出：法国勒让德于18061806年发表，其实年发表，其实1717岁的高斯岁的高斯17941794已应用了该理论。已应用了该理论。3)3)椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质，椭球面椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算及正形投影方法上测量计算及正形投影方法4)4)弧度测量大规模展开：以英、法、西班牙、德、俄、美弧度测量大规模展开：以英、法、西班牙、德、俄、美为代表。为代表。5)5)推算了不同的地球椭球参数：推算了不同的地球椭球参数：7 . 41 .299:1,21063773

18、97 ma5.293:1,6378249ma贝赛尔椭球参数：贝赛尔椭球参数：克拉克椭球参数：克拉克椭球参数：（3 3）此阶段物理大地测量取得的成就）此阶段物理大地测量取得的成就 1) 1) 克莱罗定理的提出：假设地球是由许多密度不同的均克莱罗定理的提出：假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体，且层密度按一定法则由地心向匀物质层圈组成的椭球体，且层密度按一定法则由地心向外逐层减少。得出：外逐层减少。得出：eepepee，aqq， )1(90 288125)sin1(022，极极点点当当地地球球扁扁率率赤赤道道重重力力赤赤道道离离心心力力2) 2) 重力位函数的提出：重力位函数的提出：

19、 位函数性质：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点位函数性质：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。 意义：可借助等位面研究地球形状，可借助重力位的一意义：可借助等位面研究地球形状，可借助重力位的一阶导数研究重力场。阶导数研究重力场。3) 3) 地壳均衡学说的提出：地壳均衡学说的提出： 根据地壳均衡学说导出均衡重力异常以用于重力归算。根据地壳均衡学说导出均衡重力异常以用于重力归算。4) 4) 重力测量有了进展。重力测量有了进展。3.3.第三阶段第三阶段 ：大地水准面阶段：大地水准面阶段 3.1 3.1

20、 此阶段几何大地测量取得的成就：此阶段几何大地测量取得的成就： 1) 1) 天文大地网的布设有了重大发展天文大地网的布设有了重大发展 三大网：印度、美国、苏联三大网：印度、美国、苏联2) 2) 较高精度仪器的使用，如因瓦基线尺，因瓦水准尺，带测较高精度仪器的使用，如因瓦基线尺，因瓦水准尺，带测 微器的水准仪；将天文大地测量与重力大地测量的结合代替微器的水准仪；将天文大地测量与重力大地测量的结合代替 天文水准等方面也有较大的进步。天文水准等方面也有较大的进步。3.2 3.2 此阶段物理大地测量取得的成就此阶段物理大地测量取得的成就1) 1) 大地测量边值问题理论的提出。大地测量边值问题理论的提出

21、。 用已知的重力和重力位求边界面和外部重力场的问题用已知的重力和重力位求边界面和外部重力场的问题克莱罗：以椭球面为边界解决边值问题克莱罗：以椭球面为边界解决边值问题斯托克司：以大地水准面为边界面解决边值问题斯托克司：以大地水准面为边界面解决边值问题莫洛金斯基：以地球表面为边界，直接用地面重力值确定地球莫洛金斯基：以地球表面为边界，直接用地面重力值确定地球形状与外部重力场形状与外部重力场2) 2) 新的椭球参数的提出。新的椭球参数的提出。 这阶段椭球参数推求的特点主要体现在用重力测量资料推这阶段椭球参数推求的特点主要体现在用重力测量资料推求椭球扁率。最著名的求椭球扁率。最著名的赫尔默特椭球，海福

22、特椭球，克拉索赫尔默特椭球，海福特椭球，克拉索夫斯基椭球夫斯基椭球3)3)测量数据处理与测量平差理论与实践也取得重大测量数据处理与测量平差理论与实践也取得重大 进展进展4.4.第四阶段：现代大地测量新时期第四阶段：现代大地测量新时期 1) 1) 以空间测量技术为代表：电磁波测距、人造地球卫星定位以空间测量技术为代表：电磁波测距、人造地球卫星定位 系统、甚长基线干涉测量等技术的应用。系统、甚长基线干涉测量等技术的应用。 2) 2) 月球和行星大地测量学的形成：空间探测器、卫星、空间月球和行星大地测量学的形成：空间探测器、卫星、空间 飞行器等技术的应用。飞行器等技术的应用。3)3)高精度的天文大地

23、网、重力网的建立。高精度的天文大地网、重力网的建立。4)4)大地控制网优化设计理论和最小二乘配置法的提出与应用。大地控制网优化设计理论和最小二乘配置法的提出与应用。 大地控制网优化标准：精度、可靠性与经费大地控制网优化标准：精度、可靠性与经费 广义测量平差理论的形成。广义测量平差理论的形成。1.1. 全球定位系统、激光测卫（全球定位系统、激光测卫（SLRSLR）、甚长基线干涉测量）、甚长基线干涉测量 （VLBIVLBI）是主导本学科发展的主要空间大地测量技术。）是主导本学科发展的主要空间大地测量技术。1 1）全球定位系统：）全球定位系统： 美国的美国的GPSGPS： 2424颗卫星，有限制使用

24、、三个民用载波颗卫星，有限制使用、三个民用载波 俄国的俄国的GLONASSGLONASS：2424颗卫星，精码颗卫星，精码P P码不保密码不保密 欧洲在建的伽俐略系统：不保密。欧洲在建的伽俐略系统：不保密。 中国的北斗星系统中国的北斗星系统T1T2s1s2s3s42 2）激光测卫）激光测卫SLRSLR（Satellite Laser Ranging) Satellite Laser Ranging) 测定激光由地面站发射经卫星反射到地面站接收的时间间测定激光由地面站发射经卫星反射到地面站接收的时间间隔隔 ， 计算观测时刻地面到卫星的距离计算观测时刻地面到卫星的距离. .C21人卫激光仪人卫激光

25、仪 精度最高的绝对定位技术。精度最高的绝对定位技术。 全球地心参考框架、地球自转参数、全球重力场低阶模型、全球地心参考框架、地球自转参数、全球重力场低阶模型、精密定轨等方面有重要作用。精密定轨等方面有重要作用。 地基：在卫星上安置反光镜，地面上安激光测距仪，对卫星地基：在卫星上安置反光镜，地面上安激光测距仪，对卫星测距。测距。 天基：在卫星上安置激光测距仪，地面上安反光镜，对地测天基：在卫星上安置激光测距仪，地面上安反光镜，对地测距距3 3）. .惯性测量系统惯性测量系统 利用惯性力学原理，测定地面点三维坐标、重力异常和垂利用惯性力学原理，测定地面点三维坐标、重力异常和垂线偏差。线偏差。4)4

26、)甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量VLBIVLBI（Very Long Baseline Interferometry)Very Long Baseline Interferometry) 在相距几千公里甚长基线两端，用射电望远镜同时接收来自宇在相距几千公里甚长基线两端，用射电望远镜同时接收来自宇宙外射电源的射电信号，根据干涉原理，直接测定基线长和方向宙外射电源的射电信号，根据干涉原理，直接测定基线长和方向的一种空间测量技术。的一种空间测量技术。观测对象：观测对象：河外类星体河外类星体观测仪器：观测仪器：射电望远镜射电望远镜观测量：观测量：射电源到同步观测射电源到同步观测 的射电望远镜的时间差的射电望远镜的时间差解算量：解算量：同步观测的射电望同步观