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1、大地测量学基础,第一章 绪 论,定义：大地测量学是为人类活动提供空间信息的科学，着重研究地球的几何特征（形状和大小）和基本物理特性（重力场）及其变化。 性质：地球科学的一个分支，是一门地球信息科学，既是基础科学，又是应用科学 任务：测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息；研究宇宙空间其它星球的状态。 经典大地测量学：视地球为不变刚体，均匀旋转球体或椭球 体，在一定范围内测绘地球和研究其形状、大小及外部重力场。,一、大地测量学的定义,现代大地测量学：以空间大地测量学为主要标志，研究地球及外部宇宙空间。与经典大地测量学相比，在研究方法、手段方面有显著不同。主要表现在人造卫星、
2、空间探测器、计算机、通讯技术等先进技术的应用。,1、是国民经济建设和社会发展基础先行性的重要保证。确定地球的形状、大小重力场参数；统一全国坐标框架，建立国家和精密城市控制网，精确测定控制点的坐标，为经济建设服务国民经济建设需要地形图及相关资料，测绘地形图需要建立控制网，建立控制网需要建立坐标框架，建立坐标框架须知道地球的形状、大小及重力参数。而这些方面正是大地测量学所研究的内容。,二、大地测量学的地位和作用,2、在防灾、减灾、救灾及环境保护、监测、评价中的作用1). 建立大地形变监测系统，为地震预报提供有关资料；2). 监测泥石流、山体滑坡、雪崩、森林火灾、洪水等灾害，并为灾后评估提供资料；3
3、). 监测海水面的变化；4). 为灾难事件救援提供快速定位；如空难、海难、交通事故；5). 环境监测，如沙漠，森林，土地利用情况等；这些监测一般是利用GPS、遥感卫星、VLBI、激光测卫（SLR）等技术， 必须要知道地球的形状大小、重力场模型、地心坐标等。,3、是发展空间技术和国防建设的重要保障 1). 为卫星、导弹、航天飞机及其它宇宙探测器提供精确的地球参考框架和全球重力场模型； 2). 为战争提供军事测绘保障，超前储备保障，动态实时保障。如提供战区电子地图、数字影像图，打击目标的精确三维坐标。,4、 在当代地球科学研究中有重要地位 1). 建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的三维大地
4、网，长期监测网点随时间的变化； 2). 监测和分析各种地球动力学现象；提供有关地球动力（地壳板块运动）过 程中时空度量上的定量定性信息； 3). 测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时间的变化，进一步精化地球重力场模型； 4). 是测绘科学的各分支学科的基础科学，极大地影响着测绘科学的发展。,1、 测量学的两个分支普通测量学：研究小范围的地球表面，认为该范围的地球表面是平面，且铅垂线彼此平行。大地测量学：研究全球或大范围的地球，认为铅垂线彼此不平行，研究地球的形状、大小及重力场。,三、大地测量学的基本体系,现代大地测量 (三个基本分支),2、大地测量学的基本体系,1)、几何大地测量学：即天
5、文大地测量学基本任务 确定地球形状、大小，地面点的几何位置主要内容 国家大地测量控制网建立的理论、方法，精密测角、测距、测水准；地球椭球数学性质，椭球面上的测量计算，椭球数学投影，地球椭球几何参数的数学 模型等,2)、物理大地测量学（理论大地测量学）基本任务：用物理方法（重力测量）确定地球形状及其外部重力场。主要内容：位理论，地球重和场，重力测量及其归算，推球地球形状及外部重力场的理论与方法。 3)、空间大地测量学以人造地球卫星及其它空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。,大地测量学还可进一步应用大地测量学：以建立国家大地测量控制网为中心内容椭球大地测量学：坐标系建立、地球椭球性质
6、、投影数学变换大地天文测量学：测量天文经度、纬度及天文方位角大地重力测量学：重力场、重力测量方法海洋大地测量学: 地球动力学:卫星大地测量学:大地测量数据处理学:,3、现代在地测量的特征1)、测量范围大，范围从地区、全球乃至宇宙空间；2)、研究对象和范围不断深入、全面和精细，从静态测量发展到动态测量，从地球表面测绘发展到地球内部构造及动力过程的研究；3)、观测精度高；4)、观测周期短。,4、大地测量的基本内容 1)、确定地球形状、外部重力场及其变化；建立大地测量坐标系；研究地壳形变，极移和海洋水面地形用其变化 2)、研究月球及太阳系行星的形状及重力场 3)、建立和维护国家和全球天文大地水平控制
7、网、精密水准网及海洋大地控制网 4)、研究为获得高精度测量成果的仪器和方法 5)、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 6)、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理论方法，测量数据库的建立及应用。,四、大地测量学的发展简史,1、第一阶段：地球圆球阶段：将地球看成是圆球进行测量其大小（半径） 公元前六世纪，毕达哥拉斯最先提出地球圆球说。首次地球半径测量：公元前三世纪，亚历山大学者埃拉托色尼用子午圈弧长测量法来估算地球半径,与现代数据相比,误差约 100Km.,最早一次对地球大小的实测： 我国唐代张遂指导进行。得出子午线上纬度差一度，地面相距约13
8、2Km，与现代值110.95Km相比，误差约21Km。公元827年,阿拉伯人阿尔曼孟通过弧长测量,推算出纬度35处的1子午线弧长等于111.8Km,比正确值110.95Km只大1%,2、第二阶段:地球椭球阶段：最先由牛顿提出在此阶段，理论方面英国的牛顿:万有引力定律,地球椭球学说.荷兰的斯涅耳:三角测量法德国的开普勒:行星运动三大定律荷兰的惠更斯:摆测重力原理法国的勒让德:最小二乘法,重力位函数法国的克莱罗:克莱罗定律英国的普拉特和艾黎:地壳均衡学说另外此阶段还进行了大量的实测工作。 从理论和实际上推算地球椭球参数，确定地球形状大小。,此阶段在几何大地测量方面取得的成果1)、长度单位的建立:法
9、国利用弧度测量的结果,取其子午圈弧长的四千万分之一为长度单位,称为1米.,2)、最小二乘法的提出：法国勒让德于1806年发表，其实17岁的高斯1794已应用了该理论。 3)、椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算及正形投影方法 4)、弧度测量大规模展开：以英、法、西班牙、德、俄、美为代表。 5)、推算了不同的地球椭球参数：,贝赛尔椭球参数：,克拉克椭球参数：,此阶段物理大地测量取得的成就1)、克莱罗定理的提出：假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体，且层密度按一定法则由地心向外逐层减少。得出：,2)、重力位函数的提出：位函数性质：在一个参考坐标系中，引力位对被吸
10、引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。意义：可借助等位面研究地球形状，可借助重力位的一阶导数研究重力场。 3)、地壳均衡学说的提出：根据地壳均衡学说导出均衡重力异常以用于重力归算。 4)、重力测量有了进展。,3、第三阶段 ：大地水准面阶段 此阶段几何大地测量取得的成就： 1、天文大地网的布设有了重大发展三大网：印度、美国、苏联 2、较高精度仪器的使用，如因瓦基线尺，因瓦水准尺，带测微器的水准仪；天文大地测量与重力大地测量的结合。 此阶段物理大地测量取得的成就 1、大地测量边值问题理论的提出。用已知的重力和重力位求边界面和外部重力场的问题,克莱罗：以椭球面为边界解决边值问题 斯托克
11、司：以大地水准面为边界面解决边值问题 莫洛金斯基：以地球表面为边界，直接用地面重力值确定地球形状与外部重力场,2、新的椭球参数的提出。赫尔默特椭球，海福特椭球，克拉索夫斯基椭球 3、测量数据处理与测量平差理论与实践也取得重大进展,4、第四阶段：现代大地测量新时期 1)、以空间测量技术为代表：电磁波测距、人造地球卫星定位系统、甚长基线干涉测量等技术的应用。 2)、月球和行星大地测量学的形成：空间探测器、卫星、空间飞行器等技术的应用。 3)、高精度的天文大地网、重力网的建立。 4)、大地控制网优化设计理论和最小二乘配置法的提出与应用。大 地控制网优化标准：精度、可靠性与经费广义测量平差理论的形成。
12、,五、大地测量的展望,1、 全球定位系统、激光测卫（SLR）、甚长基线干涉测量（VLBI）是主导本学科发展的主要空间大地测量技术。 1）、全球定位系统：美国的GPS： 24颗卫星，有限制使用、三个民用载波俄国的GLONASS：24颗卫星，精码P码不保密欧洲在建的伽俐略系统：不保密。中国的北斗星系统,2）、激光测卫SLR（Satellite Laser Ranging) 测定激光由地面站发射经卫星反射到地面站接收的时间间隔 ， 计算观测时刻地面到卫星的距离.,人卫激光仪,精度最高的绝对定位技术。 全球地心参考框架、地球自转参数、全球重力场低阶模型、精密定轨等方面有重要作用。 地基：在卫星上安置反
13、光镜，地面上安激光测距仪，对卫星测距。 天基：在卫星上安置激光测距仪，地面上安反光镜，对地测距,3）、惯性测量系统利用惯性力学原理，测定地面点三维坐标、重力异常和垂线偏差。,4）、甚长基线干涉测量VLBI（Very Long Baseline Interferometry)在相距几千公里甚长基线两端，用射电望远镜同时接收来自宇宙外射电源的射电信号，根据干涉原理，直接测定基线长和方向的一种空间测量技术。,观测对象：河外类星体 观测仪器：射电望远镜 观测量：射电源到同步观测 的射电望远镜的时间差 解算量：同步观测的射电望远镜之间的坐标差等,2、空间大地网是实现本学科科学技术任务的技术方案 1）、用
14、卫星测量、激光测卫和甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立空间大地控制网，是确定地球基本参数及重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器的发展的地面基准等科技任务的基本技术方案。 2）、我国及许多国家正在建立或已建立GPS大地控制网 3）、国际地球参考框架IFRF（International Terrestrial Referrence Frame)是基于VLBI、SLR、GPS等空间技术建立的。,3、精化地球重力场模型是大地测量滨重要发展目标两种手段：1）、利用重力测量技术2）、利用卫星大地测量技术,如卫星测高,低轨卫星地球重力场低阶模型已有很高精度建立高阶地球重力场
15、模型，精化现有360阶模型，使全球大地水准面精度达510cm美国：360阶中国：180阶。,卫星测高,装有激光发射棱镜的低轨卫星,第二章 坐标系统和时间系统,一、地球的运转,1、地球公转：围绕太阳的旋转 公转一周的周期为一恒星年，为365.256354个太阳日 地球连续两次经过春分点所需的时间为一回归年，长度为365.24219个 太阳日。,2）、满足开普勒三大行星定律、行星运行的轨道是一个椭圆，而 该椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合、行星质心与太阳质心间的距离向 量，在相同的时间内所扫过的面积相等、行星运动周期的平方与轨道椭圆 长半径的立方之比为一常量,1）、黄道：太阳公转的轨道，是一椭圆。
16、但由于其它星球的影响，使轨道产生摄动，并不严格的椭圆。,2、地球自转：绕其自身旋转轴的转动。周其为24小时。,由于日月等天体的影响及地 球自身的不规则，地球自转轴 方向是不断变化的。,1）、岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极产生缓慢的旋转(从北天极上方观察为顺时针方向)，形成一个倒圆锥体，其锥角等于黄赤交角2327。岁差的周期约为25800年。岁差使春 分点每年西移50.3。,2）、章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将
17、绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2，周期约为18.6年。这种现象称为章动。,真赤道: 某一时刻的赤道.(由于岁差和章动的影响,每一时刻赤道的位置不同),平赤道:只有岁差影响时的赤道.,黄经章动:章动引起的黄经变化.即平春分点与真春点的角距.,交角章动:章动引起的黄赤交角的变化.,3）、极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。 瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地球极轴，相应的极点称为瞬时极。 平 极：某段时间内地极的平均位置。 国际协定原点CIO：国际天文联合会IAU和国际大地测量与物理联合会IUGG采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。也称协议地球极CTP。国际时间局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0,
