工程摄影测量学教学课件PPT地图制图

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1、东北大学3S与数字矿山研究所 地图地图-经度之战经度之战 -袁越袁越当时的天主教教皇亚历山大六世于1493年5月4日颁布了分界线诏书（Bull of Demarcation），规定在亚速尔群岛以西100里（League，约等于4.8公里） 东北大学3S与数字矿山研究所 卧褥香炉郑和不可能发现美洲 东北大学3S与数字矿山研究所 1530年，荷兰数学家伽玛弗里西斯（Gemma Frisius）提出用钟表来测量时间差。按照他的设想，可以做作一台钟表，始终保持某地（比如伦敦）的时间，然后带着它来到新的地点，利用太阳高度测量当地时间，再和伦敦钟表做对比，就能知道此地和伦敦的经度差。这个设想看似简单，但在

2、弗里西斯的时代，钟表的制作工艺非常原始，每天快慢几分钟是家常便饭，这样的精度根本无法胜任测量经度的工作。东北大学3S与数字矿山研究所 1514年，德国天文学家约翰尼斯沃纳（Johann Werner）提出利用月亮的移动来测量经度。他通过观测发现，月亮在天空中的相对位置每时每刻都在改变，大约每小时移动一个月亮直径的距离。他假定地球上观察到的月亮行为都是一样的，只要在两地分别观测月亮，准确记下它移动到某个位置的时间，就能算出两地的经度差。但是，这个“月距法”也有自己的问题，那就是缺乏准确而又完整的星表。再加上月亮的移动规律仍然无法预测，因此也还有很多工作要做。东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学

3、3S与数字矿山研究所 惠更斯曾经专门为航海而制作了两台航海钟（Marine Timekeeper），并曾经出海进行过检验。可是，钟摆只能在平静的海面上使用，一旦出现风浪，摆钟就不准了。为此惠更斯发明了螺旋平衡弹簧，代替钟摆，并申请了法国专利。可是，在惠更斯打算申请英国专利的时候，遇到了英国科学家罗伯特胡克（Robert Hooke）的挑战。这个胡克可是大名鼎鼎，他是个科学多面手，曾经用显微镜观察生物，发明了细胞（Cell）这个词。另外，他在光学、引力理论、地震学、蒸气机制造和弹簧原理等领域取得过很大的成绩。事实上，正是在发明平衡弹簧的过程中，胡克提出了著名的“弹簧原理”，即“弹簧产生的弹力和拉

4、长的长度成正比”。胡克指责惠更斯偷窃了他的弹簧式钟表设计，两人为此数次大动干戈，最后谁也拿不出足够的证据证明对方剽窃，这个螺旋平衡弹簧的专利最后也就不了了之了。东北大学3S与数字矿山研究所 还有一种方法曾经得到了许多科学家的支持，这就是“磁偏法”。原来，哥伦布在那次发现美洲之旅时发现，指南针和北极星所指的北方有微小的差异，后来有人正确地解释了这一偏差，这是因为磁极和真正的北极（自转轴）并不重合造成的。不少科学家知道这件事后都很激动，他们相信这个差异就是测量经度的钥匙，只要找出磁偏角和经度之间的对应关系就行了。为此欧洲有一大批科学家投入了大量人力物力，可最终发现这个差异实在是太小了，无法用来准确

5、测量经度。于是这个设想最终只能被放弃了。东北大学3S与数字矿山研究所 在1667年到1669年这三年里，巴黎天文台组织人马对月亮进行了细致的观察，结果他们认为月亮的运行轨迹太复杂，无法准确地预测，因此月距法很难被用来测量经度。法国皇家科学院的科学家们得知这一结论后，统一了认识，决定推广伽利略提出的“木星卫星法”。这个方法的成功归功与一个名叫乔万尼多曼尼克卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）意大利人，此人是个少年天才，25岁时就被任命为意大利博洛尼亚大学的天文学首席教授。他也对木星的卫星运动很感兴趣，并经过16年的观察，于1668年出版了一本手册，详细记录了这4颗卫星的运

6、动轨迹和星蚀时间表，这是当时出版的最精确的木星卫星星表，有了这张表，世界各地的天文学家完全可以通过观测卫星的出没，测出所在地的准确经度。东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 1669年，巴黎天文台派遣好几支“天文观测小分队”，带着望远镜乘坐远洋帆船驶向世界各地，通过观测木星的卫星，测出准确的经度。这个庞大的计划也得到了欧洲其它各国的响应，并纷纷派出自己的“小分队”。就这样，一张新的世界地图被画了出来，人类终于第一次准确地知道了家的样子。很多被派往世界各地的观测小分队都抱怨说，他们的摆钟怎么也调不准。根据惠更斯提出的钟摆原理，在重力恒定的情况下，钟摆的摆动时间只和钟摆长度有

7、关系。牛顿根据这些数据，得出了一个令人吃惊的结论：地球不是标准的圆球体。丹麦天文学家奥勒雷默（Ole Roemer）发现当地球运行到距离木星最近的轨道时，木星卫星现身的时间总要早那么几分钟，他正确地把这一现象解释为光是有速度的。1676年，雷默首次利用木星卫星的“星蚀”，测出了光速（他测出的光速比实际速度稍慢）。人类对经度的探索引发了一场真正的科学革命。 东北大学3S与数字矿山研究所 英国拥有当时欧洲最大的商船队，查理二世当然明白经度测量的意思所在。听了情妇的解释后，他迅速召集英国的一批顶尖科学家前来开会，请他们对“月距法”做出评价。这其中有个年仅27岁的天文学家，名叫约翰弗拉姆斯蒂德（Joh

8、n Flamsteed）。他指出，这个方法从原理上来讲确实可行，但首先必须画出一张准确的星表，搞清所有的星星每时每刻所在的位置，然后再搞清月亮每一天的运行轨迹，只有先完成这两件工作，才有可能运用这个方法进行海上定位。1675年，查理二世采纳了弗拉姆斯蒂德的建议，从国库里拨出500英镑，在伦敦郊外的格林尼治村（Greenwich Village）的一个小山包上建成了一座天文台，弗拉姆斯蒂德被任命为这个皇家天文台的第一任台长，还被封了一个“皇家天文学家”的头衔。查理二世许诺给他的年工资是100英镑，这在当时可算是高薪了。不过，他每年要上缴10英镑的税，还要从这笔钱里支付助手和仪器的费用，所以经济上

9、并不算很宽裕。虽然如此，弗拉姆斯蒂德仍然找到当时英国最好的制表匠，号称“英国钟表业之父”的托马斯汤姆皮恩（Thomas Tompion），从他那里定做了两台摆钟，钟摆长达4米，每天的误差小于2秒，这是当时世界上最准的钟表。 东北大学3S与数字矿山研究所 弗拉姆斯蒂德买到了牛顿400本已印行的书中的300本，然后把它们付之一炬。他给自己的助手写信说：“如果牛顿爵士明白事理的话，他一定会同意，我这样做是帮了他和哈雷博士一个大忙。”这件事发生在1712年。两年之后，弗拉姆斯蒂德去世。又过了11年之后，他的遗孀和助手这才终于整理完所有的数据，出版了不列颠星表（Historia Coelestis Br

10、itannica）。这本书记录了3000个星星的位置，准确到10秒弧度，是当时世界上最准确的星表。东北大学3S与数字矿山研究所 300年前，也就是1707年10月，英国海军上将克劳迪斯里肖维尔爵士（Sir Clowdisley Shovell）率领一支英国舰队在地中海打败了法国。可是，在返航途中，船队遇到了大雾，有12天见不到太阳。船员们只能通过对航速的估算，判断自己的位置。旗舰“联合”号首先撞上暗礁，并迅速沉没。另外3艘军舰也先后步其后尘。就这样，在短短的几分钟内，整个舰队的5艘战船沉没了4艘，1600多名水手被淹死。只有两人奋力游到了岸上，其中一人就是肖维尔爵士本人。可是，就在他精疲力竭地

11、躺在沙滩上休息时，一个贪婪的妇女发现了他。为了得到他手指上的那枚绿宝石戒指，她残忍地杀死了肖维尔爵士。30年后，这位妇女临终前向牧师坦白了自己犯下的罪恶，并拿出那枚戒指做为证据。东北大学3S与数字矿山研究所 当时地理学家已经知道，地球赤道上经度一度的距离大约是60海里，相当于108公里。这个距离对于航海来说并不是一个可以忽略不计的距离，由此可见当时人们对经度的测量是非常没有信心的。这个经度大奖如果对应于时间的话，是多少呢？已知每小时对应的经度是15度，半度经度就相当于2分钟。当时，从伦敦出发的帆船大约需要6个星期的时间才能到达加勒比海，由此可以算出，如果采用钟表法的话，这块表每天的误差不能大于

12、3秒钟。当时格林威治天文台使用的那台堪称世界最准的摆钟也只能做到每天误差不超过2秒，而那是一台钟摆长达4米的庞然大物，而且还是在陆地上工作！所以，当时没人能够想象得出如何才能造出这样一台钟表，能够抵抗远洋航行的干扰。但是，2万英镑的诱惑实在是太大了！据估计，1714年时的2万英镑大约相当于现在的1800万美元。换算成人民币的话，这是一笔超过1亿元的巨款！东北大学3S与数字矿山研究所 约翰.哈里森曾经把自己和经度委员会打交道的过程写成了文字，结果第一句话就占了25页，而且几乎不带一个标点符号！他确实造出了一台摆钟。如今它被保存于伦敦同业工会会所的展览室内，凡是看到它的人都会首先发现一个令人惊讶的

13、事实：这座摆钟几乎完全是用木头做成的。它用橡木做齿轮，黄杨木做轴，只在连接处用了少量的黄铜和铁。哈里森确实是一个好木匠，他对木头的结构很有研究，充分利用了橡木的纹理，把最坚实耐磨的部分用在了齿轮上，因此这台钟的木齿在正常情况下永远不会因磨损而脱齿。哈里森在1715年和1717年又分别制造了两台一模一样的木头摆钟。他边干边钻研，搞清了所有机械钟表误差的来源。1720年，当地一位爵士出钱让哈里森帮忙在自己庄园里建造一座塔钟，他花了2年时间造了出来。现在这座塔钟仍在报时，近300年的时间里里除了一次装修外从来没有间断过。 东北大学3S与数字矿山研究所 第一，他设计了一种新式擒纵器（Escapemen

14、t），并根据它的样子起名叫做“蚂蚱”（Grasshopper）。擒纵器是钟表的核心部件，它在钟表的动力源（比如弹簧“弦”）和计数器（比如钟摆）之间建立了联系，负责把能量传递给计数器，同时把计数器的脉动传递给钟表指针。通常，擒纵器是摩擦的主要来源，但哈里森设计了一种像蚂蚱腿似的擒纵器，几乎完全没有摩擦，这就极大地提高了钟表的精度和抵抗环境变化的能力。东北大学3S与数字矿山研究所 第二，哈里森设计了一个“烤架”式钟摆。如前所述，钟摆的长度对摆动频率影响极大，而金属的热胀冷缩是早期钟表不准的最大的原因。哈里森通过实验知道，铜和铁有着不同的热胀冷缩比，于是他把9根长短不同的铜棍和铁棍并列在一起，组成一

15、个像烤肉架一样的东西，两种金属不同的涨缩程度相互抵消，于是钟摆的长度就不受温度的影响了。 东北大学3S与数字矿山研究所 哈里森经过4年的努力，终于想出了解决船只晃动的办法。他设计了一种平衡摆，两只钟摆的两头分别用一根弹簧连接在一起。这样一来，一根钟摆受到的震动就会被另一根钟摆所抵消，无论船再怎么摇晃，都不会影响这种平衡摆的频率。格雷厄姆（George Graham）。此人比哈里森大20岁，是当时伦敦最有名的钟表匠，也是英国皇家学会（相当于中国科学院）的会员。“正直的乔治”从自己的私人金库里拿出200英镑，把它做为无息贷款借给了哈里森。 东北大学3S与数字矿山研究所 哈里森拿到这笔巨款后，立刻回

16、家和弟弟一起开始了艰苦的工作。5年之后，也就是1735年，第一台样钟做出来了。这台被称为H1的航海钟重达42公斤，被装在一个长宽高均为1.3米左右的铜壳内。 东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 从伦敦到里斯本，所幸去时遇到顺风，一个星期后就到达了里斯本。可船一靠岸，普罗克特船长就猝死了，没有来得及在航海日志上留下关于H1的任何记录。回程的时候，“百夫长”号遇到了风暴天气，在海上飘了一个多月才返回英国。就在船快要靠岸的时候，新船长认为对面是达特茅斯附近的斯塔特，而哈里森根据H1给出的

17、经度数据，认为这是彭赞斯半岛上的利泽德。最后证明H1是对的，两地相差100公里。在暗礁密布的英国海滩，这100公里的差别足以造成一次海难。 东北大学3S与数字矿山研究所 1737年6月30日，经度委员会的8名常委聚在一起开会，听取哈里森的报告。8人中除了哈雷以外，还有2名来自海军的高官，3名皇家科学院的教授，以及2名政界人士。说来奇怪，这是经度委员会成立23年以来第一次召开全体会议。出乎委员们的意料，哈里森并没有急于申请进行一次驶往加勒比海的试验（因为这是获得经度奖金所必须的），而是逐条指出了H1的不足之处。按理说，H1的经度足以保证哈里森获得二等奖，但哈里森是个完美主义者，他通过这次里斯本试

18、验，发现了几个设计上的小错误。他知道自己有能力改正这些错误，造出一台“完美”的时间机器。为此，他向经度委员会申请，先不做加勒比海试验，而是预支一笔经费，让他再制造一台新的航海钟。东北大学3S与数字矿山研究所 其实，当初的“经度法案”有过这方面的规定。为了鼓励应征者，经度委员会有权向提出可行性方案的穷人预支奖金，做为试验经费。于是，经度委员会当即同意了哈里森的要求，预支给他500英镑，供他再制造一台新的改进型航海钟。事实上，经度委员会一直存在了100多年，累计预支出去的研究经费高达10万英镑。可以说，经度委员会是人类历史上第一个官方的研究开发资助机构。 东北大学3S与数字矿山研究所 哈里森只花了

19、3年的时间就做好了H2。1741年1月，哈里森带着H2回到伦敦，把它展示给经度委员会。H2比H1略小，却反而更重了，因为哈里森把原先一部分木质材料改成了铜。除此之外，哈里森改进了驱动系统，并设计了一个更加灵敏的温度补偿器。东北大学3S与数字矿山研究所 当时英国正在和西班牙开战，因此经度委员会没有急着让它出海，而是在陆地上对H2进行了一系列比海上条件更加严酷的试验，H2经受了考验。但是，哈里森却又一次提出了反对意见。原来，他在H2完成之后才意识到，原先的设计不能抵抗船只转弯时造成的离心力，因此每次改变航向都会对航海钟带来一个微小的误差。哈里森绝不允许一台不完美的航海钟出海试验，他又向经度委员会申

20、请了500英镑，并保证将会做出一台“世界上最完美的钟表”。此时的哈里森已经48岁了。他举家搬到了伦敦，把自己关在房子里，开始制造H3。他的助手已经从弟弟换成了儿子威廉哈里森（William Harrioson）。威廉是老哈里森和第二个妻子生下的孩子，也是哈里森所生的三个孩子当中唯一长大成人的。当时威廉只有13岁，他的童年和青春期都是在H3的陪伴下度过的。 东北大学3S与数字矿山研究所 月距法月距法1731年，也就是哈里森完成H1的设计草图的那年，两个分别住在大西洋两岸的发明家发明了反射象限仪（又叫八分仪）。这是一种用来直接测量星体夹角的仪器，有了它，船员们就可以在晃动的甲板上直接量出月亮和星星

21、之间的距离。欧洲的海员们把这架仪器叫做哈德利象限仪，因为这是英国人约翰哈德利（John Hadley）发明的。但是，几乎与此同时，远在美国的托马斯戈弗雷（Thomas Godfrey）也做出了一台几乎一模一样的象限仪，只是由于当时的美国不够强大，戈弗雷的名字只是在科技历史书上才会出现。这一现象不是偶然的，这说明当时的科技界盛行单兵作战，合作的必要性还没有得到科学家们的足够重视。东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 月距法是个例外，因为这个问题实在是太复杂了，不可能凭借一人之力获得成功。就拿星表来说，英国人弗拉姆斯蒂德只是完成了北半球的星表，南半球的星表是一个名叫尼古拉斯路

22、易斯拉卡雷（Nicolas Louis de Lacaille）的法国天文学家完成的，为此他专程前往南非的好望角，在那里住了很多年，最终完成了对南方天空的观察记录。 东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 认识马斯卡林的人都说他是个冷酷的家伙，他对除了天文之外的一切事情丝毫不感兴趣。他喜欢用第三人称称呼自己，甚至在自传中也是这样。他过了一辈子机器人似的生活，甚至把自己所花的每一笔钱都做了记录，但这份记录却采取了一种超然物外的口吻，丝毫不带有任何感情因素。但是，马斯卡林有一点和弗拉姆斯蒂德完全相反。在对待月距法的态度上，他一点也不在乎到底是谁做出的贡献，而是只要有用，就毫不迟

23、疑地拿来用。不过，绝不能以此来指责马斯卡林剽窃，事实上，马斯卡林的态度才是科学家应该有的，因为只有这样才能集思广益，尽快地解决问题。当然，马斯卡林也许并不是为那些在海上懵登转向的海员们着想。他的目的很简单：赢得经度奖金。他知道，自己只有一个敌人，那就是哈里森。 东北大学3S与数字矿山研究所 就在天文学家们组成跨国联盟，共同向终点发起冲刺的时候，哈里森却陷入了泥潭。H3进展得很不顺利，迟迟没能完工。有人曾经怀疑他利用自己的名气为别人制造钟表赚取外快，但事实证明，那段时间他只是零星地接过几次小活，他的收入来源几乎完全来自经度委员会。根据记载，哈里森曾数次向经度委员会提出延期，并申请经费支持。经度委

24、员会满足了他的要求，一共给他拨过5次款，每次500英镑。这2500英镑支持了哈里森19年！1757年，哈里森终于完成了H3。这台机器只有60厘米高，30厘米宽，重量也只有35公斤。H3包含了几项新的发明，哈里森用圆形的平衡器代替原来的哑铃平衡器，解决了离心力的问题。他制造了一块“双金属片”（Bimetallic Strip），代替了原先用来抵抗温度变化的“烤架”。这种金属片至今仍然被广泛用于恒温器内。他还发明了一种“带夹圈的滚珠轴承”（Caged Roller Bearing），直到现在还能在带运动部件的机器上找到这种轴承。H3一共包含了753个零件，是到那时为止最复杂的一台钟表。哈里森父子俩

25、深感力不从心，便把许多部件承包给了伦敦的钟表匠。但是哈里森非常小心地不让他们接触到整体设计，他不想让H3的秘密被外人知道。这样做虽然对保护专利非常有利，但却屏蔽了他人的智力，减缓了H3的进度，客观上给了月距法一个赶超的机会。东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 1755年，哈里森再一次向经度委员会申请延期，他打算把过去的设计推倒重来，制造一块航海用的怀表。2年之后，也就是1759年，H4问世了。跟它的三位兄长相比，H4是个名副其实的小不点。它的直径为13厘米，重1.45公斤，做为怀表略微大了点，但仍然可以很容易地装进一个银表盒里，随身携带。东北大学3S与数字矿山研究所 东

26、北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 为了防止威廉作弊，经度委员会为装表的盒子做了4把钥匙，分别由威廉和另外3名军官包保管。因为风浪的关系，这艘船在海上漂泊了3个月才到达牙买加，一路上威廉不断利用H4为船定位，每次都被证明是正确的。“德普福德”号的船长心服口服，他向威廉保证说，如果哈里森父子生产的航海钟上市的话，他一定在第一时间购买一台。上岸后，随船的一名天文学家用望远镜确定了当地的正午，然后利用已经测出的经度数据和H4进行的验证，结果发现H4只慢了5秒钟！回程时“德普福德”号遇到了更大的风暴，海浪不断地冲进船舱，威廉不得不用毯子裹住H4，以免被海水淋湿。等他们于1762年

27、3月26日回到英国后，威廉立刻进行了校对，发现H4经过了将近半年的海上航行后，总误差还不到2分钟。这个误差远在经度奖金规定的范围之内了，但是经度委员会又找来几个数学家，对航海记录进行了再三核算，得出结论说，数据还不够充分，不够准确。哈里森必须再进行一次类似的远航才能拿到奖金。当然，这个结论也并不是没有道理，毕竟一次试验还不足以说明问题。但是，做出这个结论的恰恰是同样窥视经度奖金的天文学家们，这就不能不让人怀疑他们的诚意了。按照科学界通常的做法，天文学家们在这件事上应该回避，可是，经度问题历来被认为只能依靠测量天体来解决，天文学家们自始至终把持着经度奖金的生杀大权。东北大学3S与数字矿山研究所

28、1762年5月，也就是威廉从巴哈马回到伦敦一个多月后，月距法最忠实的支持者马斯卡林也从圣赫拿岛凯旋归来。他有充足的理由感到胜券在握，因为他第一次在实践中证明了月距法的可行性。回国后，马斯卡林立刻出版了英国海员指南（The British Mariners Guide），这本书相当于迈耶的月球表的英译版配上月距法的使用说明书。从此，海员们终于有了一个测量经度的实用的方法，而天文学家手里又多了一张可以和哈里森对抗的王牌。东北大学3S与数字矿山研究所 事实上，哈里森父子造出航海钟的消息早已传到了法国。法国政府派出了一个代表团前往伦敦，试图说服哈里森把H4的秘密卖给法国，被哈里森严辞拒绝。赶走了法国人

29、之后，哈里森立刻向英国政府求援，试图让国会给他5000英镑做为“专利保护费”，可是英国国会拒绝了他的“建议”。就是在这种情况下，1764年，威廉带着H4第二次出海，前往中北美洲的巴巴多斯，试验航海钟。可是，等他两个月后到达目的地时，发现等在那里准备验证H4精度的正是他的死对头马斯卡林。原来，布利斯专门挑了马斯卡林先期前往巴巴多斯，一方面再一次试验月距法，另一方面代表经度委员会验证一下H4的精度。威廉当场质疑马斯卡林的公正性，两人大吵一架。东北大学3S与数字矿山研究所 吵归吵，马斯卡林没有，或者说不敢在数据上做手脚。回到英国后，经度委员会仔细分析了双方的数据，发现H4能够将经度确定在10英里（大

30、约相当于16公里）的范围内，也就是说，这块表比经度法案规定的精确度高出了两倍有余。科学就有这点好处。它所依赖的数据就像是钉在木版上的钉子，如果你想掩盖或者伪造，肯定会被扎到。经度委员会面对板上钉钉的数据，实在是找不出太好的理由拒绝哈里森，只能宣布哈里森获得了一半的奖金，即1万英镑。条件是：哈里森就必须把所有4台航海钟上缴给经度委员会，并把它们的秘密和盘托出。如果哈里森要想得到剩下的一半奖金，则必须再制造出两台同样的产品，以证明其设计是可复制的，H4的成功不是偶然。 东北大学3S与数字矿山研究所 从历史上看，在哈里森造出航海钟之前，海员们习惯了利用日月星辰来定位，他们出于本能，不相信一个金属盒子

31、能代替宇宙和上帝。在他们看来，钟表和一个魔术师手里的魔盒一样，神秘莫测，完全不可理解，因此也就不可信。他们的看法也有道理，万一钟表在路上坏了怎么办？万一出了某种差错，时间不准了怎么办？因此，后来很多远洋船都要带上十几块航海钟，保证有足够的参照。可是，要知道，那时的航海钟是非常昂贵的玩意儿，哈里森的H4仅仅是原材料就要花费至少500英镑，这在当时可是一笔巨款，很少有人能买的起，更不用说一下子买好几块了。相比之下，一架高质量的六分仪，外加一本月距表，加起来不到20英镑！从实用的角度讲，月距法无疑有着巨大的优势。经度委员会有好几名海军部的官员，他们都是航海的老手，看问题当然会从实用性的角度出发，难怪

32、他们更喜欢月距法。东北大学3S与数字矿山研究所 当然了，月距法也有自己的问题。首先，月亮每个月会有6天的时间距离太阳过近，无法观测。这还不是最致命的，月距法需要对观测结果做大量的校正运算，这就要求观测员具有相当高的数学技巧。即使如此，算一次经度也至少需要耗费45个小时的时间，稍微算错一点都会给结果带来致命的偏差。马斯卡林当然知道这一点。他心里很清楚，要想打败哈里森，必须解决月距法计算难的问题。前面提到，马斯卡林不是一个只相信自己的人，他愿意使用任何人的数据，只要能解决问题就行。于是，他花钱雇佣了很多学生做为“人肉计算机”，帮他计算出了整个1767年的月距数据。1766年，马斯卡林出版了第一卷航

33、海年鉴和天文星历（Nautical Almanac and Astronomical Ephemeris），把1767年整年的月距和经度的关系列举了出来。海员只要有这本年鉴，就可以把计算经度的时间从原先的4个小时缩短到现在的30分钟。东北大学3S与数字矿山研究所 此时的马斯卡林如日中天，他的头衔已经换成了“第五任皇家天文官”。原来，第四任天文官布利斯只在“格林尼治天文台台长”的位子上坐了两年就因病去世了，32岁的马斯卡林于1765年继任。他上任后做的第一件事就是给迈耶的遗孀颁发了3000英镑的奖金，以表彰迈耶为月距法所做的贡献。迈耶于1765年2月因病毒感染去世，年仅39岁。后人猜测马斯卡林想

34、借表彰迈耶的机会再次宣传“月距法”的好处，但也许，马斯卡林确实只是想让迈耶的贡献得到大众的承认。马斯卡林上任后做的第二件事就是当众宣读了一份“备忘录”，认定“月距法”才是最有可能解决经度问题的正统方法。“太阳、月亮和星星是上帝送给人类的礼物，”马斯卡林在演讲的最后表达了自己对大自然的敬畏之心：“上帝制作的钟表才是最可靠的，人类的雕虫小技怎么能和伟大的上帝相提并论？”东北大学3S与数字矿山研究所 在马斯卡林咄咄逼人的攻势面前，固执的哈里森也不得不屈服了。他终于同意把H4的设计图纸和设计说明整理成文字上交给经度委员会，并由委员会整理成一本名为哈里森先生的计时器的原理于插图，在英国出版。从此，H4的

35、秘密被公之于天下。负责出版这本书的人正是皇家天文官马斯卡林。1765年8月14日，一个由数学家、钟表匠和科学仪器制造商组成的审查小组来到哈里森的家中，花了6天的时间看着哈里森当面拆除了H4的所有零件，并逐个讲解这些零件的功能和设计窍门。这个审查小组的领头人正是天文台台长马斯卡林。审查完毕之后，审查小组要求哈里森把H4重新装配起来，并上缴给经度委员会，由委员会派人做进一步的验证。负责做验证的人正是月距法的忠实信徒马斯卡林。东北大学3S与数字矿山研究所 马斯卡林没有资格做为经度奖金的裁判员。按照常理，他应该回避才是。但是，2万英镑奖金的诱惑实在是太大了，他一直不肯放弃。于是，在他的检测下，那块在两

36、次航海测验中表现良好的H4不知为何突然变得不准了，而他在指挥工人前往哈里森家搬运H1、H2和H3时，竟然“失手”把H1摔到了地上。而且他也没有安排专用车辆，而是让这三台精密的计时器乘坐一辆没有减震弹簧的马车穿越了整个伦敦市区。哈里森气坏了。他雇佣了一个写手，自费出版了一本6便士的小册子，声讨马斯卡林和经度委员会，指责这个机构不公平。但是，英国毕竟已是一个文明的社会，写成文件的东西谁也无法抵赖。在哈里森交出H4的所有秘密之后，经度委员会兑现了诺言，给了哈里森一半的奖金，除去已经预支给他的研究经费，哈里森实际拿到了7500英镑。东北大学3S与数字矿山研究所 但是，还剩下1万英镑的奖金。经度委员会经

37、过讨论，又出台了新的规定：哈里森要想拿到这笔巨款，必须再制造两台和H4一模一样的航海钟，并且必须通过远洋测试。哈里森想把H4从经度委员会暂借出来，以供自己借鉴，这个要求竟然也被拒绝了。没办法，已经74岁的哈里森只好再一次拿起工具，开始制作H5。3年之后，H5做好了。哈里森又花了2年的时间对它进行调试。等到他终于对结果感到满意的时候，哈里森已经是一个79岁的老人了，他的手开始不听使唤，眼睛也花了，他知道自己这辈子再也不可能制造出另一块航海钟了，可是，马斯卡林还年轻，只要有他在，远洋试验肯定不会顺利，他害怕自己活不到获奖的那一天了。怎么办？他所能想到的能帮他的人只有一个：英国国王乔治三世。乔治三世

38、一直对科学有着浓厚的兴趣，尤其喜欢天文学。他为自己建造了一个小型御用天文台，经常跑去仰望星空。他还关注过H4，甚至在H4首次远航试验归来时亲自接见了哈里森父子。1772年，哈里森的儿子威廉给乔治三世写了封信，描述了他们所遭受的不公正待遇，并用委婉的口气询问是否可以让H5在御用天文台存放一段时间，让国王亲自检查一下这块表的准确度。接到信后，乔治国王立刻召见了威廉，并当着大家的面对威廉说：“哈里森，以上帝的名义，我要为你讨回公道！”（By God, Harrison, Ill see you righted.）东北大学3S与数字矿山研究所 有了国王的支持，哈里森又一次给经度委员会写信，要求得到剩下

39、的钱，结果经度委员会开会讨论后，再一次拒绝了哈里森。委员们拒绝承认御用天文台的结果，坚持采用原来定下的方案，要求航海钟必须经过远航的考验。没办法，哈里森只好又给英国下议院写信，信中暗示国王乔治三世站在自己一边。在国王的压力下，英国国会重新审查了哈里森的情况，最后决定绕过经度委员会，直接从国库里拿出8750英镑做为赏金赏给了哈里森。也就是说，经度委员会直到此时仍然没有承认失败！这笔钱虽然不到1万英镑，但关键是哈里森终于被官方承认为解决经度难题的人，这场惊心动魄的经度之战最终以哈里森胜出而告一段落，而此时的哈里森已经79岁了。回过头来看，这场战役最后的胜利来的并不光彩。胜利的一方动用了政治的力量，

40、干预了一场本来应该属于纯学术范畴的争论。只不过，因为失败的一方也不干净，而且犯规在先，使得后来的人们忘记了这一点。东北大学3S与数字矿山研究所 哈里森最终拿到赏金是在1773年6月。一年前，也就是1772年，英国著名的探险家詹姆斯库克（James Cook）开始了第二次环球远征。和以往不同的是，库克船长随船携带了大量的德国泡菜，这种咸菜不但不易变质，而且能够为水手提供足够的维生素C。从此，困扰远洋水手多年的坏血病问题终于解决了。东北大学3S与数字矿山研究所 库克的这次远航还有一个任务，就是检验航海钟是否能够禁得起长时间海上颠簸的考验。他本来想带H4，但经度委员会最终决定让他带上另一位钟表匠拉克

41、姆肯德尔（Larcum Kendall）花费两年半的时间制作的一块仿制航海钟，后人称之为K1。东北大学3S与数字矿山研究所 三年后，也就是1775年2月，库克船长远征归来，盛赞K1给经度测定带来的方便，把它称为“我最可信赖的朋友”。要知道，库克是一名非常有经验的船长，对月距法十分熟悉。他的第一次远征的目的之一就是试验一下月距法是否有效。他随身携带着马斯卡林编纂的第一本航海年鉴，经过试验后发现运用月距法可以把定位精确到40公里以内，这对于当时的帆船来说已经是足够精确了。事实上，库克的船队可以说是人类历史上第一个能够准确测量经度的探险船队，这一优势使得他能够远离固定航道，发现了很多南太平洋上的小岛

42、。他的几次探险之旅为英国后来在南太平洋上的统治地位奠定了坚实的基础。库克的二次航行既要经过炎热的赤道，又要靠近寒冷的南极地带，气候多变。K1经受了考验。一路上他不断对这两种方法进行比较，发现钟表法不但用起来容易了许多，受天气情况影响小，而且精度也丝毫不差。事实上，正是在K1的帮助下，库克船长绘制了第一张南太平洋海岛的高精度地图。1776年，库克船长第三次远征时仍然带着K1。可是，这次远征运气不佳，库克被夏威夷岛上的土著杀死了，K1也落入了当地人的手里。当后人找到这块表时，发现它外表依然完好无损，时针仍然停留在库克被害的那个时刻。 东北大学3S与数字矿山研究所 库克的成功终于让钟表法扬眉吐气。可

43、是，哈里森却没有活着看到这一天的到来。1776年3月24日，老哈里森去世，享年83岁。做为一个一辈子追求准时的木匠，哈里森去世的日期也相当精确他是在生日那天去世的。也许是因为和经度委员会打官司累了吧，自从父亲去世后，威廉就再也没有制作过任何一块表，从此彻底告别了钟表业。但是经度之战其实还远未结束。因为航海钟造价高昂，很多海员仍然选择廉价的月距法。马斯卡林一直坚持每年出版一本航海年鉴，直到1811年去世为止。后来又有人接手了这一工作，将这本年鉴一直出版到了现在。哈里森死后，肯德尔继续制造航海钟，他制作的K3只花了不到100英镑，把成本降低了5倍。在他之后，英国又涌现出一批新的造表大师。托马斯马奇

44、（Thomas Mudge）是老一代造表大师“正直的乔治”格雷厄姆的学徒，他改进了H4的上弦机构，发明了一种新的杠杆式擒纵器，从经度委员会赢得了3000英镑奖金。东北大学3S与数字矿山研究所 但是，真正让航海钟赢得市场的是约翰阿诺德（John Arnold）和托马斯恩肖（Thomas Earnshaw），两人都是商人，致力于航海钟的大规模生产。他俩分别独立地发明了“锁簧式天文钟擒纵器”（Spring Detent Escapement），为此两人还为专利问题吵了一架。两人的竞争大大降低了航海钟的造价，到了18世纪80年代的时候，阿诺德的航海钟卖80英镑一台，恩肖的则更低，只要65英镑。英国海军

45、专门定购了一大批航海钟，供出航的军舰使用。因为售价低廉，每艘船都可以配备好几个航海钟，当年英国皇家海军的“小猎犬”号在1831年起航时随船携带了22个航海钟，达尔文就是在搭乘“小猎犬”号环球航行时开始构思物种起源一书的。值得一提的是，月距法一直没有被钟表法彻底打败，海员们一直坚持使用这个方法对航海钟进行必要的校正。可以说，正是这两种方法的合作，才保障了远洋船的安全。1995年，卫星定位法正式进入商业化时代，远在太空中的24颗定位卫星终于彻底地把航海钟和航海年鉴送进了博物馆。 东北大学3S与数字矿山研究所 因为马斯卡林的航海年鉴一直以格林尼治天文台所在的位置为零经度（子午线），因此，世界各国都不

46、得不认可了这座皇家天文台的权威性。1884年，来自全世界的天文学家在美国华盛顿召开了“国际子午线大会”，正式宣布格林尼治子午线为全球的本初子午线。因为经度和时间是一对不可分割的“冤家”，因此，格林尼治时间也就顺理成章地被定为国际标准时间的零点。格林尼治天文台于1954年退役后，依然保持了为伦敦居民校正时间的传统。直到现在，每天中午1点的时候，天文台屋顶上的一个红色圆球依然会准时落下，给往来于泰晤士河上的船只报告标准的格林尼治时间。东北大学3S与数字矿山研究所 东北大学3S与数字矿山研究所 哈里森的4台钟表，以及肯德尔的K1，现在都被格林尼治博物馆收藏，和马斯卡林的月距表、航海年鉴一起，静静地为

47、游客讲述一个发生在300年前的动人故事。H4因为太过精密，已经停了下来。H1、H2和H3现在依然在走。300年前的死对头，如今共处一室，共同享受无上的荣耀。东北大学3S与数字矿山研究所 5.2 矿山信息管理与更新矿山信息管理与更新 1. 矿山信息资源整合与规矿山信息资源整合与规划划2. 矿山信息的管理模矿山信息的管理模式式3. 矿山信息的更新方矿山信息的更新方式式东北大学3S与数字矿山研究所 5.3 矿山信息分类与编码矿山信息分类与编码 1. 矿山信息的分类矿山信息的分类2. 矿山信息的分类编矿山信息的分类编码码3. 矿山信息的空间编矿山信息的空间编码码东北大学3S与数字矿山研究所 5.4 矿山空间信息的查询与共享矿山空间信息的查询与共享 1. 矿山空间信息的查询模矿山空间信息的查询模式式2. 矿山信息的共享利用矿山信息的共享利用 东北大学3S与数字矿山研究所 5.5 矿山数据挖掘与知识发现矿山数据挖掘与知识发现 1. 可挖掘的矿山知识与作可挖掘的矿山知识与作用用2. 矿山数据的挖掘模矿山数据的挖掘模式与方法式与方法3. 煤与瓦斯突出预测煤与瓦斯突出预测中的应用中的应用东北大学3S与数字矿山研究所 课程教学课程教学 2009.12.28 2009.12.28 沈沈沈沈阳阳阳阳