大地测量学详解

1、大地测量学大地测量学，又称为测地学。根据德国著名大地测量学家F.R. Helmert的经典定义，大地测量 学是一门量测和描绘地球表面的科学。也就是研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定 地面点几何位置的学科。它也包括确定地球重力场和海底地形，是测绘学的一个分支。英文解释： A subdivision of geophysics which includes determination of the size and shape of the earth, the earths gravitational field, and the location of points fixed t

2、o the earths crust in an earth-referred coordinate system. （Source: MGH）简介编辑大地测量学是测绘学的一个分支。研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定地面点几何 位置的学科。大地测量学中测定地球的大小，是指测定地球椭球的大小;研究地球形状，是指研究大地水准面的形 状；测定地面点的几何位置，是指测定以地球椭球面为参考的地面点的位置。将地面点沿法线方向 投影于地球椭球面上，用投影点在椭球面上的大地纬度和大地经度表示该点的水平位置，用地面点 至投影点的法线距离表示该点的大地高程。这点的几何位置也可以用一个以地球质心为原点的

3、空间 直角坐标系中的三维坐标来表示。大地测量工作是为大规模测制地形图提供地面的水平位置控制网和高程控制网，为用重力勘探地下 矿藏提供重力控制点，同时也为发射人造地球卫星、导弹和各种航天器提供地面站的精确坐标和地 球重力场资料。任务编辑它的基本任务是研究全球，建立与时相依的地球参考坐标框架，研究地球形状及其外部重力场的理 论与方法，研究描述极移固体潮及地壳运动等地球动力学问题，研究高精度定位理论与方法。测地学测地学确定地球形状及其外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变（包 括地壳垂直升降及水平位移），测定极移以及海洋水面地形及其变化等。研究月球及太阳系行星 的形状及其

4、重力场。建立和维持具有高科技水平的国家和全球的天文大地水平控制网和精密水准网以及海洋大地控制 网，以满足国民经济和国防建设的需要。研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。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。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的理论和方法，测量数据库 建立及应用等。分支编辑几何大地测量学亦即天文大地测量学：它的基本任务是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何 位置。物理大地测量学也称理论大地测量学：它的基本任务是用物理方法（重力测量）确定地球形状及其 外部重力场。空间大地测量学：主要研究人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间

5、大地测量的理论，技术与 方法。方法编辑 测地方程 测地方程 解决大地测量学的任务传统上有两种方法，几何法和物理法。所谓几何法是用几何观测量通过三角 测量等方法建立水平控制网，提供地面点的水平位置；通过水准测量方法，获得几何量高差，建立 高程控制网提供点的高程。物理法是用地球的重力等物理观测量通过地球重力场的理论和方法推推 求大地水准面相对于地球椭球的距离、地球椭球的扁率等。简史编辑萌芽阶段17世纪以前，大地测量学处于萌芽状态。公元前3世纪，埃拉托色尼首先应用几何学中圆周上一段 弧的长度、对应的中心角同圆半径的关系，计算地球的半径长度。公元724年，中国唐代的南宫说 等人在张遂(一行)的指导下，

6、首次在今河南省境内实测一条长约300千米的子午弧。其他国家也 进行过类似的工作。但当时测量工具简陋，技术粗糙，所得结果精度不高，只是测量地球大小的尝 试。大地测量学形成1687年I.牛顿发表万有引力定律之后，1690年荷兰c.惠更斯在其著作论重力起因中，根据地 球表面的重力值从赤道向两极增加的规律，得出地球的外形为两极略扁的扁球体论断。1743年法国 A. C.克菜罗发表地球形状理论，进一步给出由重力数据和地球自转角速度确定地球扁率的克 莱罗定理。此外，17世纪初，荷兰的w.斯涅耳首创三角测量。随后望远镜、测微器、水准器等发 明，测量仪器精度大幅度提高，为大地测量学的发展奠定技术基础。17世纪

7、末，大地测量学形成至 卫星大地测量的出现，这一阶段的大地测量学通常称为经典大地测量学。主要标志是以地面测角、 测距、水准测量和重力测量为技术手段解决陆地区域性大地测量问题。弧度测量、三角测量、几何 高程测量以及椭球面大地测量理论的发展，形成几何大地测量学；建立了重力场的位理论并发展了 地面重力测量，形成物理大地测量学。弧度测量16831718年，法国卡西尼父子(G.D.Cassini和J.Cassini)在通过巴黎的子午圈上用三角测量 法测量弧幅达820的弧长，推算出地球椭球的长半轴和扁率。由于天文纬度观测没有达到必要的 精度，加之两个弧段相近，以致得出了负的扁率值，即地球形状是两极伸长的椭球

8、，与惠更斯根据 力学定律作出的推断正好相反。为了解决这一疑问，法国科学院于1735年派遣两个测量队分别赴 高纬度地区拉普兰(位于瑞典和芬兰的边界上)和近赤道地区秘鲁进行子午弧度测量，全部工作于 1744年结束。两处的测量结果证实纬度愈高，每度子午弧愈长，即地球形状是两极略扁的椭球。至 此，关于地球形状的物理学论断得到了弧度测量结果的有力支持。另一个著名的弧度测量是J.B.J.德朗布尔于17921798年间进行的弧幅达940的法国子午弧的测 量。由这个新子午弧和17351744年间测量的秘鲁子午弧的数据，推算了子午圈一象限的弧长， 取其千万分之一作为长度单位，命名为一米。这是米制的起源。从18世

9、纪起，继法国之后，一些欧洲国家也都先后开展了弧度测量工作，并把布设方式由沿子午 线方向发展为纵横交叉的三角锁或三角网。这种工作不再称为弧度测量，而称为天文大地测量。中 国清代康熙年间(17081718)为编制皇舆全览图，曾实施大规模的天文大地测量。在这次测 量中，也证实高纬度的每度子午弧比低纬度的每度子午弧长。另外，清代康熙皇帝还决定以每度子 午弧长为200里来确定里的长度。几何大地测量19世纪起，许多国家都开展全国天文大地测量工作，其目的并不仅是为求定地球椭球的大小，更主 要的是为测制全国地形图提供大量地面点的精确几何位置。这就推动了几何大地测量的发展。为了检校天文大地测量的大量观测数据，求

10、出最可靠的结果和评定观测精度，法国A. 1.勒让 德于1806年首次发表最小二乘法的理论。事实上，德国数学家和大地测量学家C.F.高斯在1794 年已经应用这一理论推算小行星的轨道，此后又用最小二乘法处理天文大地测量成果，把它发展到 相当完善的程度，形成测量平差法，至今仍广泛应用于大地测量。椭球面上三角形的解算和大地坐标的推算，高斯于1828年在其著作曲面通论中提出椭球面 三角形的解法。关于大地坐标的推算，许多学者提出了多种公式，高斯于1822年发表椭球面投影 到平面上的正形投影法，这是大地坐标换算成平面坐标的最佳方法，至今仍在广泛应用。利用天文学大地测量成果推算地球椭球长半轴和扁率，德国F.

11、R.赫尔墨特提出在天文大地网中所 有天文点的垂线偏差平方和为最小的条件下，解算与区域大地水准面最佳拟合的椭球参数及其在地 球体中定位的方法。以后这一方法被称为面积法。物理大地测量自1743年克莱罗发表了地球形状理论之后，物理大地测量的最重要发展是1849年英国的G.G. 斯托克斯提出的斯托克斯定理。根据这一定理，可以利用地面重力测量结果研究大地水准面形状。 但它要求首先将地面重力测量结果归算到大地水准面上，由于地壳密度未知，这种归算不能严格实 现。尽管如此，斯托克斯定理还是推动了大地水准面形状的研究工作。大约100年后，苏联的M.S. 莫洛坚斯基于1945年提出莫洛坚斯基理论，它不需任何归算，

12、便可以直接利用地面重力测量数据 严格地求定地面点到参考椭球面的距离（大地高程）。它避开了理论上无法严格求定的大地水准面， 直接求定地面点的大地高程。利用这种高程，可把大地测量的地面观测值准确地归算到椭球面上， 使天文大地测量的成果处理不因归算不准确而带来误差。伴随着莫洛坚斯基理论产生的天文重力水 准测量方法和正常高系统已被许多国家采用。这是在卫星重力测量技术出现以前，由地面重力测量 研究地球形状和确定地球重力场的理论和方法，称为经典物理大地测量。现代大地测量经典大地测量由于其主要测量技术手段（测角和测边）和方法本身的局限性，测量精度已近极限， 测量范围也难于达到占地球面积70%的海洋和陆地自然

13、条件恶劣的地区（高原、沙漠和原始森林 等）。1957年第一颗人造地球卫星发射成功后，利用人造卫星进行大地测量成为主要技术手段，从 此发展到现代大地测量。其标志是产生卫星大地测量，突破了米级测量精度，从区域性相对大地测 量发展到全球的大地测量，从测量静态地球发展到可测量地球的动力学效应。卫星大地测量1966年美国的W.M.考拉发表卫星大地测量理论一书，为卫星大地测量的发展奠定基础。同时， 对卫星跟踪观测定轨技术得到迅速发展，从照相观测发展到卫星激光测距（8LR）和卫星多普勒观 测。20世纪70年代美国首先建立卫星多普勒导航定位系统，根据精密测定的卫星轨道根数，能够 以土 1米或更高的精度测定任一

14、地面点在全球大地坐标系中的地心坐标；90年代美国又发展了新一 代导航定位系统，即全球定位系统（GPS），以其廉价、方便、全天候的优势迅速在全球普及，成 为大地测量定位的常规技术。俄罗斯发展了全球导航卫星系统（GLONASS），欧洲正在启动伽利 略全球卫星导航定位系统（Galileo）。卫星大地测量不仅广泛用于高精度测定地面点的位置，还用 于确定全球重力场，并形成一门新的大地测量分支，即卫星重力学。卫星重力测量卫星激光测距对卫星的跟踪测量可以精确测定卫星轨道的摄动，当分离出占摄动主要部分的地球引 力摄动，由此推算地球引力位球谐展开的低阶位系数。20世纪70年代开始卫星雷达测高，后又研制和发展了多

15、代卫星测高系统，用于精确测定平均海面的大地高，确定海洋大地水准面，并反求海 洋重力异常，分辨率优于IO千米，精度优于分米级。动力大地测量SLR和甚长基线干涉测量（VLBI），可以厘米级或更优的精度监测板块的运动速率、极移和地球自 转速率的变化。GPS更能以毫米级精度测定板块内地块的相对运动及地壳形变，还广泛用于监测断 层和地震活动、极地冰原和陆地冰川的运动和变化以及冰后回弹现象。海洋大地测量卫星测高已成为确定高分辨率全球海洋大地水准面的最廉价有效的手段，GPS也成为海洋导航定位 的主要工具，定位精度比传统的天文导航和无线电导航精度提高12个数量级，多波束声呐测深 相对精度已达到或接近11100

16、0O海底大地控制网和海底地形测量的规模和精度在不断提高。1 展望编辑大地测量学从形成到现在已有300多年的历史，虽然在研究地球形状、地球重力场和测定地面点几 何位置各方面都已取得了可观的成就,但从整体来看，仍存在着若干不足之处，有待于今后继续研究 解决。卫星大地测量已经全面地和均匀地求出了地球重力场（包括大地水准面）的总貌，但还不能求得 其精细结构。这是由于卫星运行的轨道至少在地面上方200公里以上，对地球重力场效应的分辨能 力也只能达到这一数量级。目前地面重力测量在全球的分布极不均匀，有待继续扩展。在海洋上空 利用卫星雷达测高技术测定海洋大地水准面的起伏已取得了较好的结果。由天文大地测量求得

17、的垂 线偏差和由天文重力水准所得的大地水准面起伏，也都是地球重力场的信息。所以要研究地球重力 场全面而精细的结构，必须综合利用卫星、物理和几何大地测量的各种信息，进行统一的处理，有 人称之为整体大地测量。这是研究地球重力场的发展趋势。18世纪以来进行的天文大地测量，各国大都采用不同的参考椭球，建立独立的坐标系。20世纪 以来，通过联测和改算，有些独立坐标系连成一体，形成了西欧、北美、苏联和东欧、印度、中国、 澳大利亚等若干个较大的坐标系。直到全球卫星大地测量开展以后，特别是由于卫星多普勒定位技 术的发展，才使建立全球统一的地心坐标系成为可能。许多国家都在原有的天文大地网内加测卫星 多普勒定位点，把天文大地网和卫星定位网结合起来。这已成为当前的趋势。正在发展中的卫星射 电干涉测量技术，不但有可能加强天文大地网，甚至可能局部代替传统的天文大地网。可以预期， 测定地面点几何位置的大地网的布设和