大地測量第一章緒論

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1、大地測量學基礎(chǔ)大地控制測量,第一章 緒論 1.1大地測量學的定義和作用 1.2大地測量學的基本體系和內(nèi)容 1.3大地測量學的發(fā)展簡史與展望,引言,以前學習的測量學（地形測量學）是在小范圍內(nèi)進行，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？怎樣處理觀測成果？ 測圖、定位需要坐標，需要建立坐標系，如何建立合理的坐標系？ 通常用大地水準面包圍的形體大地體來表示地球形狀，大地體的形狀到底怎樣？怎樣測定大地水準面起伏？ 我們知道可以用地理坐標（經(jīng)緯度）、空間直角坐標（X，Y，Z）和高斯平面直角坐標（x,y）表示地面點位，它們之間如何換算？ 如何在大范圍內(nèi)進行精密測量？,一、大地測量學的定

2、義,最初：陸地測量。 發(fā)展：測量和描繪地球表面的科學。包含海洋測量，測定地球形狀，顧及地球曲率的測量。 區(qū)分：高等大地測量學理論大地測量學； 普通大地測量學地形測量學（測量學） 現(xiàn)代：在一定的時間與空間參考系中，測量和描繪地球形狀及其重力場并監(jiān)測其變化的學科。(行星) （為人類活動提供關(guān)于地球的空間信息的一門學科） 大地測量學是地球科學中的一個分支，是發(fā)展最活躍、最具重要地位的一個分支。,二、大地測量學的特點,經(jīng)典大地測量特點： 橢球體 剛體 靜態(tài) 只有幾何意義 范圍較小 現(xiàn)代大地測量特點： 彈性體 動態(tài) 物理意義；以空間大地測量為特征，范圍大。 大地測量學是地學基礎(chǔ)性學科， 又是應(yīng)

3、用地學學科；大地測量學理論性強，需要很多數(shù)學、物理知識，實踐性越來越弱。 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)到動態(tài)，從幾何空間到物理-幾何空間。 觀測精度越高，相對精度達到10-810-9，絕對精度可到達毫米。 測量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來越復(fù)雜。,三、大地測量學的基本任務(wù),1、經(jīng)典大地測量學的基本任務(wù) 1）技術(shù)任務(wù)：建立一個國家或地區(qū)的大地控制網(wǎng) 2）科學任務(wù)：研究地球的形狀、大小和地球外部重力場 2、現(xiàn)代大地測量學的基本任務(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、維坐標網(wǎng)（包括海底大地網(wǎng)），以一定的時間尺度長期監(jiān)測這些網(wǎng)隨時間的變化。 2）監(jiān)測和解釋各種地球動力學現(xiàn)象 3）測定地球形狀、大小和地球外部重力場的精細結(jié)構(gòu)及隨時間的變化。,四、大地測量學的分支,幾何大地測量學 物理大地測量學 空間大地測量學 （一）幾何大地測量學（即天文大地測量學） 基本任務(wù)：是確定地球的形狀和大小及確定地面點的幾何位置。 主要內(nèi)容：國家大地測量控制網(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，精密角度測量，距離測量，水準測量；地球橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，橢球數(shù)學投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學模型等。,（二）物理大地測量學（即理論大地測量學）,基本任務(wù)：是

5、用物理方法(重力測量)確定地球形狀及其外部重力場。 主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場，重力測量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場的理論與方法。 （三）空間大地測量學 主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論、技術(shù)與方法。,大地測量學的分支（續(xù)）,從研究內(nèi)容分 1、應(yīng)用大地測量學：建立國家大地測量控制網(wǎng) 2、橢球大地測量學：坐標系建立、地球橢球性質(zhì)、以及投影數(shù)學變換 3、大地天文測量學：測量天文經(jīng)度、天文緯度及天文方位角 4、大地重力測量：研究重力場及重力測量方法 5、測量平差：大地測量控制網(wǎng)平差計算 現(xiàn)代大地測量學交叉：海洋大地測量學；宇宙大地測量學；動態(tài)大

6、地測量學；衛(wèi)星大地測量；慣性大地測量學；數(shù)學大地測量學；整體大地測量學；相對大地測量學；四維大地測量學；現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)處理學等等,五、大地測量學的基本內(nèi)容,建立和維持國家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和精密水準網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國民經(jīng)濟和國防建設(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，測量數(shù)據(jù)庫建立及應(yīng)用等。 研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學變換及有關(guān)大地測量計算。 研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。 確定地球形狀及外部重力場及其隨時間的變化，建立統(tǒng)一的大地測量坐標系，研究地殼形變(包括垂直升降及水平位移)，測定極移以

7、及海洋水面地形及其變化等。研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。,六、大地測量學的作用,大地測量學是一切測繪科學技術(shù)的基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎(chǔ)保證作用 大地測量學在防災(zāi)，減災(zāi)，救災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護中發(fā)揮著獨具風貌的特殊作用 大地測量是發(fā)展空間技術(shù)和國防建設(shè)的重要保障。如:衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機、宇宙探測器等發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、返回工作都需要大地測量作保證 大地測量在當代地球科學研究中的地位顯得越來越重要,七、大地測量學的發(fā)展簡史,第一階段：地球圓球階段，從遠古至17世紀，人們用天文方法得到地面上同一子午線上兩點的緯度差，用大地法得到對應(yīng)的子午圈弧長，從而推得地球半徑（

8、弧度測量 ）。 公元前3世紀，亞歷山大學者埃拉托色尼進行了弧度測量，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題分為兩種測量： 一是屬于天文部分：子午圈弧長兩端點的緯度差 一是屬于大地部分：兩端點間的子午圈弧長。 用天文大地測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世紀至19世紀下半葉，在這將近200年期間，人們把地球作為圓球的認識推進到向兩極略扁的橢球。 行星運動定律：1619年德國的開普勒(J.Kepler)發(fā)表了行星運動三大定律； 重力測量：1673年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進行重力測量的原理； 英國物理學家牛頓(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。 大地測量儀器：望遠鏡，游標尺，十字絲，測微器； 大地測量方法：1615年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測量法。,幾何大地測量標志性成果：,長度單位的建立：取子午圈弧長的四千萬分之一作為長度單位，稱為1m。 最小二乘法的提出：法國的勒讓德(A.M.Legendre)，德國的高斯(C.F.Gauss)。 橢球大地測量學的形成，解決了橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，以及將橢球面投影到平面的正形投影方法。在這個領(lǐng)域，高斯、勒讓德及貝塞爾(F.W.Bessel)

10、作出了巨大貢獻。 弧度測量大規(guī)模展開。由于帶有測微機構(gòu)的經(jīng)緯儀，精確長度桿尺及基線尺，緯度及天文方位角觀測方法等新技術(shù)的出現(xiàn)和使用，促進了弧度測量的發(fā)展。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測量，以及德國、俄國、美國等為代表的三角測量。 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,物理大地測量標志性成就：,克萊羅定理的提出：法國學者克萊羅(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

11、的重力加速度按下式計算：,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 同一水準面上的重力值隨緯度變化而變化； 同一水準面上赤道上重力值有最小值，兩極處有最大值。 通過重力測量可以推求地球的大小。,物理大地測量標志性成就：,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)：在一個參考坐標系中，引力位對被吸引點三個坐標方向的一階導(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緊密地聯(lián)系在一起。 地殼均衡學說的提出：英國的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy)幾乎同時

12、提出地殼均衡學說，根據(jù)地殼均衡學說可導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。 重力測量有了進展。設(shè)計和生產(chǎn)了用于絕對重力測量以及用于相對重力測量的便攜式擺儀。極大地推動了重力測量的發(fā)展。,第三階段：大地水準面階段,從19世紀下半葉至20世紀40年代，人們將對橢球的認識發(fā)展到是大地水準面包圍的大地體。 幾何大地測量學在這階段的進展主要體現(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)2萬公里，平均邊長45公里；19111935美國一等7萬公里；1924-1950蘇聯(lián)，7萬多公里) 2.因瓦基線尺出現(xiàn)，帶平行玻璃板

13、測微器的水準儀及因瓦水準尺使用。,物理大地測量在這階段的進展是：,1.大地測量邊值問題理論的提出： 英國學者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重力位分為正常重力位和擾動位兩部分，實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行簡化，通過重力異常的積分，提出了以大地水準面為邊界面的擾動位計算公式和大地水準面起伏公式。后來，荷蘭學者維寧曼尼茲(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)代大地測量新時期,20世紀下半葉，以電磁波測距、人

14、造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及甚長基線干涉測量等為代表的新的測量技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測量帶來了革命性的變革，使大地測量定位、確定地球參數(shù)及重力場，構(gòu)筑數(shù)字地球等基本測繪任務(wù)都以嶄新的理論和方法來進行。從此大地測量學進入了以空間測量技術(shù)為代表的現(xiàn)代大地測量發(fā)展的新時期。 GPS --全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) SLR --激光測衛(wèi)，SLL--激光測月 VLBI --甚長基線干涉測量 INS --慣性測量系統(tǒng) DORIS --衛(wèi)星多普勒定位和無線電定位系統(tǒng),八、大地測量的展望,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，激光測衛(wèi)(SLR)以及甚長基線干涉測量(VLBI),慣性測量系統(tǒng)(INS)是主導(dǎo)本學科發(fā)展的主要的空間大地測量

15、技術(shù). 用衛(wèi)星測量、激光測衛(wèi)及甚長基線干涉測量等空間大地測量技術(shù)建立大規(guī)模、高精度、多用途的空間大地測量控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及其重力場，建立大地基準參考框架，監(jiān)測地殼形變，保證空間技術(shù)及戰(zhàn)略武器發(fā)展的地面基準等科技任務(wù)的基本技術(shù)方案。 精化地球重力場模型是大地測量學的重要發(fā)展目標。,結(jié)束,謝謝!,空間大地測量的觀測方法,1、衛(wèi)星攝影法 2、衛(wèi)星多普勒 3、衛(wèi)星激光測距 4、甚長基線干涉測量 5、衛(wèi)星測高 6、全球定位系統(tǒng)（ GPS）,衛(wèi)星激光測距,測定激光由地面站發(fā)射經(jīng)衛(wèi)星反射到地面站接收的時間間隔 , 計算觀測時刻地面到衛(wèi)星的距離.,目前的距離測量精度已經(jīng)達到厘米級. Lageos衛(wèi)星的人衛(wèi)激光觀測資料對目前低階重力場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,甚長基線干涉測量,觀測對象：河外類星體 觀測儀器：射電望遠鏡 觀測量：射電源到同步觀測的射電望遠鏡的時間差 解算量：同步觀測的射電望遠鏡之間的坐標差等,衛(wèi)星測高,衛(wèi)星測高原理,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,