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1、第一章 地球的形状及坐标系第一节地球的形状和大小正常椭球：也称为“水准椭球”。 表面为正常重力位U等于常数的 旋转椭球。用于代表地球的理 想形体。正常椭球面是大地水 准面的规则形状。该面上的正 常重力位应严格与大地水准面 上的一致。总地球椭球：最接近地球形状和大小的椭球。总地球椭球 正常位W0应与大地水准面上的位相等，中心 应与地球质心重合，赤道应与地球赤道一致 ，起始子午面应与天文子午面重合，短轴与 地轴相重合，体积应与大地体体积相等，在 全球范围的大地水准面差距的平方和最小,即 ：参考椭球：大小和定位定向最接近本国或本地区 的地球椭球。表现在两个面最接近及同 点的法线和垂线最接近。所有的地
2、面测 量都以法线投影在这个椭球面上，这样 的椭球叫做参考椭球。 应用球面三角的原理，推出垂线偏差分 量的公式： =90-B-（90-）= B =（-L）cos 测定垂线偏差的方法： 1.天文大地测量方法 2.重力测量方法 3.天文重力方法 4.GPS测量方法第二节测量坐标系 天球 以地球的质心为球心，以无穷远为半径所形成的球，称为天球。 Pn En Es ps 一、天文地理坐标系 图1-2 二、大地坐标系 是大地测量参考系统的具体实现，是通 过大地测量的手段确定的固定在地面上 的控制网（点）所构建的，分为坐标参 考框架、高程参考框架、重力参考框架 。 具体体现在控制点上。 椭球定位和定向 确定
3、基准数据，进行天文观测，将天文 观测的天文坐标，令为第一个大地点的 坐标，高程为大地高高程，至一点的大 地方位角。 =L =B =A H常=H大三、空间大地直角坐标系四、平面直角直角坐标系统五、几种常见的大地坐标系举例 （一）1954年北京坐标系 20世纪50年代迫切需要建立一个参心大地坐标 系。 鉴于当时的历史条件，首先将我国东北地区的 一等锁与苏联远东一等锁相联接，然后以联接 处的呼玛、吉拉林、东宁基线网扩大边端点的 苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据 ，平差我国东北及东部地区一等锁，这样传算 来的坐标系，定名为1954年北京坐标系。1954 年北京坐标系可以认为是苏联1942年
4、坐标系的 延伸，但又不完全属于该坐标系。因为高程异 常是以苏联1955年大地水准面重新平差结果为 起算值，按我国天文水准路线推算出来的；大 地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平 均海水面为基准的。 1954年北京坐标系在我国近50年的测绘 生产实践中发挥了巨大的作用。15万个 国家大地点和数百万加密控制点均在该 系统内完成了计算工作。以该系统为基 础测制完成了全国1：5万及1：10万比例 尺地形图1：1万比例尺地形图也在相当 范围内完成。以1954年北京坐标系为基 础的测绘成果和文档资料，已经渗透到 国民经济建设和国防建设的各个领域。 随着科学技术的发展，1954年北京坐标系已经 难以
5、适应现代化建设的需要，突出的问题是： （1）所采用的克拉索夫斯基椭球，其参数不 同国际大地测量与地球物理联合会（IUGG） 1983年第18届大会大地测量常数推荐值相比较 ，长半径约大109m，这不仅对研究地球几何形 状有影响，而且只涉及2个几何性质的椭球参 数（a、f），满足不了当今理论研究和实际工 作中需要用4个基本参数（长半径a、地球重力 场二阶带球谐系数J2、地心引力常数GM、地球 自转角速度）描述地球椭球的要求。 （2）椭球定向不明确。椭球短轴的指向既不 是国际上普遍采用的国际协议原点CIO，也不 是我国对地极运动长期研究结果所确定的地极 原点JYD1968.0。起始大地子午面也不是
6、国际 时间局（BIH）所定义的格林尼治平均天文台 子午面，从而给坐标换算带来较大误差和不便 。椭球定位时大地原点位于苏联最西部列宁格 勒附近的普尔科沃，这一定位结果使椭球面与 我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东 部地区高程异常最大达+65m，全国范围平均达 29m，如图3-15所示。 （3）该坐标系统的大地点坐标是经局部 平差逐次得到的，全国所有大地控制点 的坐标值不能连成统一整体，区与区的 接合部存在较大隙距，同一点在不同区 的坐标之差可达12m。而且自东北至西 南，误差愈积累愈大。这种情况对于发 展我国空间技术和大规模经济建设是很 不利的。 （二） 1980年西安大地坐标系（ 198
7、0年国家大地坐标系） 1978年，我国决定对全国天文大地网施 行整体平差，这项工作要在新坐标系的 参考椭球面上进行。为此，首先要建立 一个新的大地坐标系统，并且命名为 1980年国家大地坐标系。1980年国家大 地坐标系的含义可以描述如下： （1）采用了既含几何参数又含物理参数的4个 椭球基本参数，其数值采用1975年国际大地测 量与地球物理联合会（IUGG）第16届大会的 推荐值，如第七章第一节所述。 （2）大地原点位于我国中部的陕西省泾阳县 永乐镇，西安市以北60km处，简称西安原点。 （3）大地点高程是以1956年青岛验潮站求出 的黄海平均海水面为基准的正常高系统。 （4）椭球定位满足3
8、个条件：椭球短轴平行 于由地球质心指向我国确定的地极原点 JYD1968.0方向；起始大地子午面平行于我 国定义的起始天文子午面；椭球面与似大地 水准面在我国地域最为密合。大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇北洪流村。 为此，在全国按11间隔，均匀选取了 922点，组成弧度测量方程式 该式是由公式第一式略去 和k项，由于采用 正常高系统，故用 代替dH,并用 代替 而得到的。因为IUGG1975年推 荐的椭球参数和克拉索夫斯基椭球参数均为已 知值，故式中 亦为已知值。式中 的求解方法是：用1167 个天文点和约15万个重力点成果，在全国由天 文重力水准路线、短边天文水准路线和天文水 准加均衡改正的路
9、线构成21个环，进行不等权 平差，求得各路线高程异常差，再以原点的 为起算值逐一推求，最后绘制成全国高程异常 图。 根据上述922点的弧度测量方程式，按 求解定位元素 X 、Y 、Z ，再进而求出 大地原点上的 0、0和0，联系大地原 点上测得的天文经纬度、天文方位角和 正常高，按式（2-16）求得大地原点上 的 H 0 、L 0 、B 0 和 A 0 ，作为1980年国 家大地坐标系的大地起算数据。 由上所述，1980年国家大地坐标系完全 符合建立经典参心大地坐标系的原理。 椭球参数的个数合理、数值准确，椭球 面与大地水准面获得了较好密合，全国 范围的平均差值由1954年北京坐标系的 29m
10、减小至10m，全国多数地区在15m以 内,如图。 （三） 2000国家大地坐标系 质心坐标系； 通过三种形式的坐标来体现国际坐标系 统的坐标框架； 地心坐标系以高精度的坐标框架来实现 ； 经国务院批准，我国自2008年7月1日启 用2000国家大地坐标系。2000国家大地 坐标系与其他坐标系实行坐标转换、衔 接的过渡期为8至10年。 （四）WGS-84世界大地坐标系 质心坐标系； 通过三种形式的坐标来体现国际坐标系 统的坐标框架； 地心坐标系以高精度的坐标框架来实现 ； IERS国际地球服务组织；取代了BIH、 IPMS;WGS-84坐标系 空间直角坐标系A（X，Y，Z） 是GPS 采用的坐标
11、系， 属地心空间直角坐标系 。* IERS主要有以下的服务： （1）维持国际天球参考系统（ICRS）和 框架（ICR）； （2）维持国际地球参考系统（ITRS）和 框架（ITR）； （3）及时提供准确的地球自转参数（ EOP）。 ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全 球性地心坐标系，它的定义遵循IERS定 义 协议地球坐标系的法则，即ITRS的原点位于地 心，它的定向由BIH1984.0给出，ITRS通过国 际地球参考框架ITRF来实现，ITRF是基于多种 空间技术(GPS,SL R,VLBI,DORIS)得到的地面 站的站坐标集和速度场，ITRF的参考框架点已 达300多个，并且是全球分布
12、的。在GPS技术强 有力的支持下，美国不断更新地心坐标的精度 ，更新或精化地心坐标的时间以1980.0为GPG 厉元的始点，以后的时间以GPS周计算，采用 G*标记。1984年建立了WGS-84(即所谓的 世界大地坐标系统1984)；2001年美国又对 WGS-84进行了再次精化。以后还会继续进行 这种类似的精化和维护，可以说WGS-84是一 个与时俱进的不断改进和完善的世界大地坐标 系。第三节高程基准面和高程系统 一、大地高系统 二、正高系统 三、正常高系统 四、力高系统（同一水准面上的高 程相同）五、各高程系统之间的关系大地高H大、正高H正、及正常高H正常 关系如图1-8所示，即： H大=
13、H正+N H大=H正常+ N为大地水准面差距； 为高程异常。( zeta zat ) 地面 P 似大地水准面 大地水准面 椭球面 N常用高程系统波罗的海高程 波罗的海高程十0374米1956年黄海高程 中国新疆境内尚有部分水文站一直还在使用“波罗的海高 程”。广州高程及珠江高程广州高程 1985国家高程系 4.26（米）广州高程 黄海高程系 4.41（米）广州高程 珠江高程基准 5.00（米）大连零点日本入侵中国东北期间，在大连港码头仓库区内设立验 潮站，并以多年验潮资料求得的平均海面为零起算，称 为“大连零点”。该高程系的基点设在辽宁省大连市的 大 连港原一号码头东转角处，该基点在大连零点高程系中 的高程为3.765米。原点设在吉林省长春市的人民广场内 ，已被毁坏。该系统于1959年以前在中国 东北地区曾广 泛使用。1959年中国东北地区精密水准网在山海关与中 国东南部水准网连接平差后，改用1956年黄海高程系统 。大连基点高程在1956年黄 海高程系的高程为3.790米。1
