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1、大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)大地控制測(cè)量,第一章 緒論 1.1大地測(cè)量學(xué)的定義和作用 1.2大地測(cè)量學(xué)的基本體系和內(nèi)容 1.3大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史與展望,引言,以前學(xué)習(xí)的測(cè)量學(xué)（地形測(cè)量學(xué)）是在小范圍內(nèi)進(jìn)行，視為平面，地形圖為垂直投影。大范圍為曲面，怎樣把地形圖拼接？怎樣處理觀測(cè)成果？ 測(cè)圖、定位需要坐標(biāo)，需要建立坐標(biāo)系，如何建立合理的坐標(biāo)系？ 通常用大地水準(zhǔn)面包圍的形體大地體來(lái)表示地球形狀，大地體的形狀到底怎樣？怎樣測(cè)定大地水準(zhǔn)面起伏？ 我們知道可以用地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度）、空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）和高斯平面直角坐標(biāo)（x,y）表示地面點(diǎn)位，它們之間如何換算？ 如何在大范圍內(nèi)進(jìn)行精密測(cè)量？,一、大地測(cè)量學(xué)的定
2、義,最初：陸地測(cè)量。 發(fā)展：測(cè)量和描繪地球表面的科學(xué)。包含海洋測(cè)量，測(cè)定地球形狀，顧及地球曲率的測(cè)量。 區(qū)分：高等大地測(cè)量學(xué)理論大地測(cè)量學(xué)； 普通大地測(cè)量學(xué)地形測(cè)量學(xué)（測(cè)量學(xué)） 現(xiàn)代：在一定的時(shí)間與空間參考系中，測(cè)量和描繪地球形狀及其重力場(chǎng)并監(jiān)測(cè)其變化的學(xué)科。(行星) （為人類活動(dòng)提供關(guān)于地球的空間信息的一門學(xué)科） 大地測(cè)量學(xué)是地球科學(xué)中的一個(gè)分支，是發(fā)展最活躍、最具重要地位的一個(gè)分支。,二、大地測(cè)量學(xué)的特點(diǎn),經(jīng)典大地測(cè)量特點(diǎn)： 橢球體 剛體 靜態(tài) 只有幾何意義 范圍較小 現(xiàn)代大地測(cè)量特點(diǎn)： 彈性體 動(dòng)態(tài) 物理意義；以空間大地測(cè)量為特征，范圍大。 大地測(cè)量學(xué)是地學(xué)基礎(chǔ)性學(xué)科， 又是應(yīng)
3、用地學(xué)學(xué)科；大地測(cè)量學(xué)理論性強(qiáng)，需要很多數(shù)學(xué)、物理知識(shí)，實(shí)踐性越來(lái)越弱。 因此，它既是專業(yè)課，又是專業(yè)基礎(chǔ)課。,現(xiàn)代大地測(cè)量的特征, 研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋） 從分維式到整體式 從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從幾何空間到物理-幾何空間。 觀測(cè)精度越高，相對(duì)精度達(dá)到10-810-9，絕對(duì)精度可到達(dá)毫米。 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來(lái)越復(fù)雜。,三、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù),1、經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù) 1）技術(shù)任務(wù)：建立一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的大地控制網(wǎng) 2）科學(xué)任務(wù)：研究地球的形狀、大小和地球外部重力場(chǎng) 2、現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù) 1）建立和維持高精度的慣性和地固參考系；建立和維持全球性或地區(qū)性的三
4、維坐標(biāo)網(wǎng)（包括海底大地網(wǎng)），以一定的時(shí)間尺度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)這些網(wǎng)隨時(shí)間的變化。 2）監(jiān)測(cè)和解釋各種地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象 3）測(cè)定地球形狀、大小和地球外部重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及隨時(shí)間的變化。,四、大地測(cè)量學(xué)的分支,幾何大地測(cè)量學(xué) 物理大地測(cè)量學(xué) 空間大地測(cè)量學(xué) （一）幾何大地測(cè)量學(xué)（即天文大地測(cè)量學(xué)） 基本任務(wù)：是確定地球的形狀和大小及確定地面點(diǎn)的幾何位置。 主要內(nèi)容：國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)(包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng))建立的基本原理和方法，精密角度測(cè)量，距離測(cè)量，水準(zhǔn)測(cè)量；地球橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)，橢球面上測(cè)量計(jì)算，橢球數(shù)學(xué)投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)模型等。,（二）物理大地測(cè)量學(xué)（即理論大地測(cè)量學(xué)）,基本任務(wù)：是
5、用物理方法(重力測(cè)量)確定地球形狀及其外部重力場(chǎng)。 主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場(chǎng)，重力測(cè)量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場(chǎng)的理論與方法。 （三）空間大地測(cè)量學(xué) 主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測(cè)器為代表的空間大地測(cè)量的理論、技術(shù)與方法。,大地測(cè)量學(xué)的分支（續(xù)）,從研究?jī)?nèi)容分 1、應(yīng)用大地測(cè)量學(xué)：建立國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng) 2、橢球大地測(cè)量學(xué)：坐標(biāo)系建立、地球橢球性質(zhì)、以及投影數(shù)學(xué)變換 3、大地天文測(cè)量學(xué)：測(cè)量天文經(jīng)度、天文緯度及天文方位角 4、大地重力測(cè)量：研究重力場(chǎng)及重力測(cè)量方法 5、測(cè)量平差：大地測(cè)量控制網(wǎng)平差計(jì)算 現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)交叉：海洋大地測(cè)量學(xué)；宇宙大地測(cè)量學(xué)；動(dòng)態(tài)大
6、地測(cè)量學(xué)；衛(wèi)星大地測(cè)量；慣性大地測(cè)量學(xué)；數(shù)學(xué)大地測(cè)量學(xué)；整體大地測(cè)量學(xué)；相對(duì)大地測(cè)量學(xué)；四維大地測(cè)量學(xué)；現(xiàn)代大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理學(xué)等等,五、大地測(cè)量學(xué)的基本內(nèi)容,建立和維持國(guó)家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。 研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方法，測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)建立及應(yīng)用等。 研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學(xué)變換及有關(guān)大地測(cè)量計(jì)算。 研究為獲得高精度測(cè)量成果的儀器和方法等。 確定地球形狀及外部重力場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化，建立統(tǒng)一的大地測(cè)量坐標(biāo)系，研究地殼形變(包括垂直升降及水平位移)，測(cè)定極移以
7、及海洋水面地形及其變化等。研究月球及太陽(yáng)系行星的形狀及重力場(chǎng)。,六、大地測(cè)量學(xué)的作用,大地測(cè)量學(xué)是一切測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎(chǔ)保證作用 大地測(cè)量學(xué)在防災(zāi)，減災(zāi)，救災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與保護(hù)中發(fā)揮著獨(dú)具風(fēng)貌的特殊作用 大地測(cè)量是發(fā)展空間技術(shù)和國(guó)防建設(shè)的重要保障。如:衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、宇宙探測(cè)器等發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、返回工作都需要大地測(cè)量作保證 大地測(cè)量在當(dāng)代地球科學(xué)研究中的地位顯得越來(lái)越重要,七、大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,第一階段：地球圓球階段，從遠(yuǎn)古至17世紀(jì)，人們用天文方法得到地面上同一子午線上兩點(diǎn)的緯度差，用大地法得到對(duì)應(yīng)的子午圈弧長(zhǎng)，從而推得地球半徑（
8、弧度測(cè)量 ）。 公元前3世紀(jì)，亞歷山大學(xué)者埃拉托色尼進(jìn)行了弧度測(cè)量，估算出地球半徑（與現(xiàn)代值大約差100km） 用這種方法解決地球大小問(wèn)題分為兩種測(cè)量： 一是屬于天文部分：子午圈弧長(zhǎng)兩端點(diǎn)的緯度差 一是屬于大地部分：兩端點(diǎn)間的子午圈弧長(zhǎng)。 用天文大地測(cè)量方法確定地球大小的原則至今使用,第二階段：,地球橢球階段，從17世紀(jì)至19世紀(jì)下半葉，在這將近200年期間，人們把地球作為圓球的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到向兩極略扁的橢球。 行星運(yùn)動(dòng)定律：1619年德國(guó)的開普勒(J.Kepler)發(fā)表了行星運(yùn)動(dòng)三大定律； 重力測(cè)量：1673年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進(jìn)行重力測(cè)量的原理； 英國(guó)物理學(xué)家牛頓(L.
9、Newton)提出地球特征：1）是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向兩極與sin(地理緯度)成比例地增加。 大地測(cè)量?jī)x器：望遠(yuǎn)鏡，游標(biāo)尺，十字絲，測(cè)微器； 大地測(cè)量方法：1615年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測(cè)量法。,幾何大地測(cè)量標(biāo)志性成果：,長(zhǎng)度單位的建立：取子午圈弧長(zhǎng)的四千萬(wàn)分之一作為長(zhǎng)度單位，稱為1m。 最小二乘法的提出：法國(guó)的勒讓德(A.M.Legendre)，德國(guó)的高斯(C.F.Gauss)。 橢球大地測(cè)量學(xué)的形成，解決了橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)，橢球面上測(cè)量計(jì)算，以及將橢球面投影到平面的正形投影方法。在這個(gè)領(lǐng)域，高斯、勒讓德及貝塞爾(F.W.Bessel)
10、作出了巨大貢獻(xiàn)。 弧度測(cè)量大規(guī)模展開。由于帶有測(cè)微機(jī)構(gòu)的經(jīng)緯儀，精確長(zhǎng)度桿尺及基線尺，緯度及天文方位角觀測(cè)方法等新技術(shù)的出現(xiàn)和使用，促進(jìn)了弧度測(cè)量的發(fā)展。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測(cè)量，以及德國(guó)、俄國(guó)、美國(guó)等為代表的三角測(cè)量。 推算了不同的地球橢球參數(shù)。 貝賽爾：a6377397m，1299.1 克拉克：a6378249m，1293.5,物理大地測(cè)量標(biāo)志性成就：,克萊羅定理的提出：法國(guó)學(xué)者克萊羅(A.C.Clairaut)假設(shè)地球是由許多密度不同的均勻物質(zhì)層圈組成的橢球體，這些橢球面都是重力等位面(即水準(zhǔn)面)，且各層密度由地心向外逐層按一定法則減少，該橢球面上緯度的一點(diǎn)
11、的重力加速度按下式計(jì)算：,q為赤道上的離心力與赤道上重力加速度之比，為橢球扁率 同一水準(zhǔn)面上的重力值隨緯度變化而變化； 同一水準(zhǔn)面上赤道上重力值有最小值，兩極處有最大值。 通過(guò)重力測(cè)量可以推求地球的大小。,物理大地測(cè)量標(biāo)志性成就：,重力位函數(shù)的提出：為了確定重力與地球形狀的關(guān)系，法國(guó)的勒讓德提出了位函數(shù)的概念。所謂位函數(shù)，即是有這種性質(zhì)的函數(shù)：在一個(gè)參考坐標(biāo)系中，引力位對(duì)被吸引點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)方向的一階導(dǎo)數(shù)等于引力在該方向上的分力。研究地球形狀可借助于研究等位面。因此，位函數(shù)把地球形狀和重力場(chǎng)緊密地聯(lián)系在一起。 地殼均衡學(xué)說(shuō)的提出：英國(guó)的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy)幾乎同時(shí)
12、提出地殼均衡學(xué)說(shuō)，根據(jù)地殼均衡學(xué)說(shuō)可導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。 重力測(cè)量有了進(jìn)展。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了用于絕對(duì)重力測(cè)量以及用于相對(duì)重力測(cè)量的便攜式擺儀。極大地推動(dòng)了重力測(cè)量的發(fā)展。,第三階段：大地水準(zhǔn)面階段,從19世紀(jì)下半葉至20世紀(jì)40年代，人們將對(duì)橢球的認(rèn)識(shí)發(fā)展到是大地水準(zhǔn)面包圍的大地體。 幾何大地測(cè)量學(xué)在這階段的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾方面： 1.天文大地網(wǎng)的布設(shè)有了重大發(fā)展。天文大地網(wǎng)的布設(shè)有了重大發(fā)展。全球三大天文大地網(wǎng)的建立（18001900印度，一等三角網(wǎng)2萬(wàn)公里，平均邊長(zhǎng)45公里；19111935美國(guó)一等7萬(wàn)公里；1924-1950蘇聯(lián)，7萬(wàn)多公里) 2.因瓦基線尺出現(xiàn)，帶平行玻璃板
13、測(cè)微器的水準(zhǔn)儀及因瓦水準(zhǔn)尺使用。,物理大地測(cè)量在這階段的進(jìn)展是：,1.大地測(cè)量邊值問(wèn)題理論的提出： 英國(guó)學(xué)者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重力位分為正常重力位和擾動(dòng)位兩部分，實(shí)際的重力分為正常重力和重力異常兩部分，在某些假定條件下進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)重力異常的積分，提出了以大地水準(zhǔn)面為邊界面的擾動(dòng)位計(jì)算公式和大地水準(zhǔn)面起伏公式。后來(lái)，荷蘭學(xué)者維寧曼尼茲(F.A.Vening Meinesz)根據(jù)斯托克司公式推出了以大地水準(zhǔn)面為參考面的垂線偏差公式。 2.提出了新的橢球參數(shù)： 赫爾默特橢球 海福特橢球 克拉索夫斯基橢球等,第四階段：現(xiàn)代大地測(cè)量新時(shí)期,20世紀(jì)下半葉，以電磁波測(cè)距、人
14、造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等為代表的新的測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測(cè)量帶來(lái)了革命性的變革，使大地測(cè)量定位、確定地球參數(shù)及重力場(chǎng)，構(gòu)筑數(shù)字地球等基本測(cè)繪任務(wù)都以嶄新的理論和方法來(lái)進(jìn)行。從此大地測(cè)量學(xué)進(jìn)入了以空間測(cè)量技術(shù)為代表的現(xiàn)代大地測(cè)量發(fā)展的新時(shí)期。 GPS --全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) SLR --激光測(cè)衛(wèi)，SLL--激光測(cè)月 VLBI --甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 INS --慣性測(cè)量系統(tǒng) DORIS --衛(wèi)星多普勒定位和無(wú)線電定位系統(tǒng),八、大地測(cè)量的展望,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，激光測(cè)衛(wèi)(SLR)以及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI),慣性測(cè)量系統(tǒng)(INS)是主導(dǎo)本學(xué)科發(fā)展的主要的空間大地測(cè)量
15、技術(shù). 用衛(wèi)星測(cè)量、激光測(cè)衛(wèi)及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等空間大地測(cè)量技術(shù)建立大規(guī)模、高精度、多用途的空間大地測(cè)量控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及其重力場(chǎng)，建立大地基準(zhǔn)參考框架，監(jiān)測(cè)地殼形變，保證空間技術(shù)及戰(zhàn)略武器發(fā)展的地面基準(zhǔn)等科技任務(wù)的基本技術(shù)方案。 精化地球重力場(chǎng)模型是大地測(cè)量學(xué)的重要發(fā)展目標(biāo)。,結(jié)束,謝謝!,空間大地測(cè)量的觀測(cè)方法,1、衛(wèi)星攝影法 2、衛(wèi)星多普勒 3、衛(wèi)星激光測(cè)距 4、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 5、衛(wèi)星測(cè)高 6、全球定位系統(tǒng)（ GPS）,衛(wèi)星激光測(cè)距,測(cè)定激光由地面站發(fā)射經(jīng)衛(wèi)星反射到地面站接收的時(shí)間間隔 , 計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻地面到衛(wèi)星的距離.,目前的距離測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí). Lageos衛(wèi)星的人衛(wèi)激光觀測(cè)資料對(duì)目前低階重力場(chǎng)的確定起到重要作用.,人衛(wèi)激光儀,裝有激光發(fā)射棱鏡的衛(wèi)星,甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量,觀測(cè)對(duì)象：河外類星體 觀測(cè)儀器：射電望遠(yuǎn)鏡 觀測(cè)量：射電源到同步觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差 解算量：同步觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡之間的坐標(biāo)差等,衛(wèi)星測(cè)高,衛(wèi)星測(cè)高原理,全球定位系統(tǒng)（GPS）,1989年發(fā)射工作衛(wèi)星 1994年部署完24顆衛(wèi)星 系統(tǒng)由三大部分組成： 1、GPS衛(wèi)星 2、地面控制部分 3、用戶部分,GPS接收機(jī),
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