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1、第二章 大地测量学,测 绘 学 概 论,1.概述 2.大地测量系统与大地测量参考框架 3.实用大地测量学 4.椭球面大地测量学 5.物理大地测量学 6.卫星大地测量学 7.大地测量的时间基准 8.我国近五十年大地测量的进展,2.1.1大地测量学的基本任务 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，己成为推动地球科学、空间科学和军事科学发展的前沿科学之一，其范围也
2、己从测量地球发展到测量整个地球外空间。,大地测量学的基本任务是:（1)建立和维护高精度全球或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和大小、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
3、统和框架;探测月球和行星重力场。,现代大地测量的六个特点。(1)长距离，大范围。不再受“视线”长度的制约，能提供协调一致的全球性大地测量数据，例如测定全球的板块运动，冰原和冰川的流动，洋流和海平面的变化等，因此过去总在局部地域中进行的传统大地测量现在巳扩展为洲际的、全球的、星际的大地测量。(2) 高精度。现代大地测量的量测精度相对于传统大地测量而言，己提高了23个数量级。(3)实时、快速。现代大地测量内、外业几平可以在同一时间段内完成。(4)“时间维”。 (5)地心。 (6)学科的融合。如大气折射，从干扰源到对大气科学做贡献；对地球动力学，地球物理、海洋学、地质学、地震学做贡献。,2.1.2大
4、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。任何形式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、法定的点位坐标和高程，获得点之间的空间关系和尺度。,1.经济建设 大地测量应用于大范围、跨地区工程的精密测量控制，是确保工程规划
5、放样到实地，确保按设计图纸实施的一种重要技术手段。 2.资源与环境发展 测定全球和局域重力场及其时变是大地测量的一个重要内容，是勘探地下资源的重要手段。 大地测量形变监测是地壳运动监测不可缺少的技术手段。 可以实时地、无地域制约地提供大气的电离层总电子浓度，对流层可降水分和海平面变化的数据，这些信息对无线电通信、气象、汛情全球变化的预报预测都有重要作用。 3.空间技术与航天工程 4.地球自转与地球动力学 5.国防安全与军事信息化信息化,2.1.3 大地测量学的现代发展 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新的大地测量技术出现，形成了现代大地测
6、量学。传统大地测量学主要研究地球的几何形状、定向及其重力场，并关注在地球上点的定位、重力值。现代大地测量则己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，和时间这一因素联系起来。因此，现代大地测量学可以为地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和冰川学等多学科提供所需的信息，这些信息可能是这些学科领域长期以来很难取得的数值，并有可能解决它们相应的困惑。事实证明现代大地测量学业已形成了学科交叉意义上的一门科学，它将更深刻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大地测量学的学科体系 实用大地测量学、椭球面大地测量学、物理大地测
7、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与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大地测量系统与大地测量参考框架 大地测量系统包括坐标系统、高程系统/深度基准和重力系统。与大地测量系统相对应，大地测量参考框架有坐标(参考)框架、高程(参考)框架和重力测量(参考)框架三种。 大地测量系统是总体概念，大地测量参考框架由若干个固定在地面上的大地网(点)或其他实体(静止或运动的物体)按相应于大地测量系统的规定模式构建，它是大地测量系统的具体实现。,2.2.1大地测量坐标系统和大地测量常数 大地测量坐标系统规定了大地测量起算基准的定义及其相应的大地测
8、量常数。 大地测量坐标系统是一种固定在地球 上，随地球一起转动的非惯性坐标系统。 根据其原点位置不同，分为地心坐标系统 和参心坐标系统。前者的原点与地球质心 重合，后者的原点与参考椭球中心重合(参 考椭球是指与某一地区或国家地球表面最佳吻合的地球椭球)。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。空间直角坐标用(x，y, z)表示;大地坐标用(经度L，纬度B,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四个条件:通常表达为（1）原点位于整个地球(包括海洋和大气) 的质心;（2）尺度
9、是国际统一规定的长度因子;(3)定向为国际测定的某一历元的地球北极（Conventional Terrestrial Pole, CTP)和零子午线，称为地球定向参数(Earth Orientation Parameters, EOP)；(4)满足地球地壳无整体旋转（No Net Rotation NNR）的约束条件。 地心空间直角坐标系统若从几何方面或通俗的定义也可以作如下表述:坐标系的原点位于地球质心，z轴和x轴的定向由某一历元的EOP确定，y与x、z构成空间右手直角坐标系。地心大地坐标系统的原点与总地球椭球中心(即地球质心)重合，椭球旋转轴与CTP重合,起始大地子午面与零子午面重合。,2
10、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。 建国初期，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，我国采用国际大地测量和地球物理联合会(International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG) 的IUGG75 椭球为参考椭球，经过大规模的天文大地网计算，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
11、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（东部地区水准面差距可达+68m等）。,3.大地测量常数 大地测量常数是指与地球一起旋转并和地球表面最佳吻合的旋转椭球(即地球椭球)的几何和物理参数。它分为基本常数和导出常数。基本常数唯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。 IUGG 分别于1971、1975、1979 年推荐了三组大地测量常数，它们对应于大地测量参考系统1967(GRS67)、IUGG75、1980(GRS80)。我国西安1980 大地坐标系统采用IUGG75 的大地测量
12、 常数。目前，正被广泛使 用的常数是GRS80 定义的。 a: 长半轴，b: 短半轴，c:a2/b,(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。它们是地球赤道半径a；地球动力学形状因子J2;地心引力常数GM，其中G是万有引力常数，M是地球的陆、海和大气质 量的总和;地球自转角速度w。前两个称为大地测量基本几何常数，后两个称为大地测量基 本物理常数。 （2）大地测量导出参数 大地测量导出参数有很多，常用的有： 椭球短半轴b、几何扁率f（a-b）/a）等,2.2.2 大地测量坐标框架 大地测量坐标框架是通过大地测量手段实现的大地测
13、量坐标系统。 l.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(坐标)框架(International Terrestrial Reference Frame.ITRF)是国际地面参考(坐标)系统
14、 (International Terrestrial Reference System,ITRS)的具体实现。它以甚长基线干涉测量(Very Long Base Interferometry, VLBI)、卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)、激光测月(Lunar Laser Ranging, LLR)、美国的全球定位系统(GPS)和法国的卫星多晋勒定轨定位系统(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。 我国的GPS2
15、000 网是定义在ITRS2000 地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。它综合了全国性的三个GPS 网观测数据,一并进行计算而得。,2.2.3 高程系统和高程框架 1.大地测量学所研究的是在整体上 非常接近于地球自然表面的水准面。由 于海洋占全球面积的7l%，故设想与平 均海水面相重合，不受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂直的水准面称为大地水准面，它是十个没有褶皱、无棱角的连续封闭曲面。由它包围的形体称为大地体，可近似地把它看成是地球的形状。 大地水准面的形状（几何性质）及重力场(物理性质)都是不规则的，不能用一个简单的形状和数学公式表达。在我们目前尚不能唯一地确定
16、它的时候，各个国家和地区往往选择一个平均海水面代替它。（理论基础：司托克斯理论 ） 2.似大地水准面 与大地水准面很接近的似大地水准面（从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面，非重力等位面，无确切物理意义，区别就是一个是重力等位面，另一个不是）。这个面不需要任何关于地壳结构方面的假设便可严密确定。似大地水准面与大地水准面在海洋上完全重合;而在大陆上也几乎重合，在山区只有24m的差异。似大地水准面尽管不是水准面，但它可以严密地解决关于研究与地球自然地理形状有关的问题（莫洛金斯基理论 ）。,大地高H、正高H正及正常高H正常 点的空间位置除平面位 置外还有高程位置;高程位置 用大地高H或正高H正或正常 高H正常表示。大地高H是地面点沿法线到椭球面的距离；正高H正是地面点沿实际重力(垂)线到大地水准面的距离（P1）;正常高H正常是地面点沿正常重力（垂）线到似大地水准面的距离。,N,2.2.3 高程系统和
