第二章大地测量学

1、第二章 大地测量学大地测量学的基本任务 建立和维护高精度全球和区域性大地测量系统与大地测量参考框架 获取空间点位置的静态和动态信息 测定和研究地球形状大小、地球外部重力场及其随时间的变化 测定和研究全球和区域性地球动力学现象 研究地球表面观测量向椭球和平面的投影变换及相关的大地测量问题 研究新型的大地测量仪器和大地测量方法 研究空间大地测量理论和方法 研究月球和行星大地测量理论和方法大地测量的特点 长距离，大范围 高精度 实时、快速 时间维 地心坐标 学科融合大地测量学的作用 经济建设和社会发展 防灾、减灾、和救灾 环境监测、评估与保护 发展空间技术和国防建设 地球科学研究大地测量学的发展阶段

2、学科萌芽阶段 天圆地方地圆说子午圈弧度测量、估算地球半径学科形成阶段 光学测量仪器出现、三角测量法、哥白尼日心说、开普勒行星三大定律、伽利略用自由落体原理进行重力测量、惠更斯用摆测重力、牛顿和惠更斯的地扁说19世纪的大地测量 高斯的最小二乘理论、椭球面大地测量学的形成、正形投影、大地经度、大地纬度和方位角的高斯公式、大地水准面的概念现代大地测量学的形成 人造卫星、甚长基线干涉测量、电子计算机、电磁波测距等技术的出现大地测量学的学科体系分类 大地测量学基本分支： 常规大地测量学、物理大地测量学、空间大地测量学 跨学科性质： 动力大地测量学、海洋大地测量学、月球和行星测量、天文大地测量学大地测量系

3、统与参考框架 大地测量系统是总体概念，包括：坐标系统、高程系统、深度基准、重力系统 参考框架是由若干个固定在地面上的大地网点或其它实体按相应于大地测量系统的规定模式构建，是测量系统的具体实现，包括：坐标框架、高程框架、重力测量框架大地测量坐标系统 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量常数。 大地坐标系统： 地心坐标系统和参心坐标系统 空间直角坐标系统、大地坐标系统和球面坐标系统 点的位置表示方法：空间直角坐标和大地坐标 大地测量坐标系统 地心坐标系统： 原点位于整个地球的质心，z轴与某一历元的地球北极重合，x轴在赤道面内指向零子午线，y轴与x,z轴构成右手坐标系。 大

4、地测量坐标系统 参心坐标系统： 原点位于参考椭球中心，z轴与地球自转轴平行，x轴在赤道面内并并行于零子午面，y轴与x,z轴构成右手坐标系。 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的几何和物理参数。分为基本常数和导出常数。 基本常数： 地球赤道半径a;地心引力常数GM;地球动力学形状因子J2；地球自转角速度 导出常数：椭球短半轴、几何扁率大地测量坐标框架 参心坐标框架 由天文大地网实现和维持的，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。 1954坐标系统和1980西安坐标系统大地测量坐标框架 地心坐标框架是国际地面参考系统的具体实现，以现代大

5、地测量技术构成全球观测网点，经数据处理，得到ITRF点的站坐标和速度场。 GPS2000坐标系高程系统和高程框架 高程基准 根据青岛大港验潮站观测的黄海平均海水面为基准面，在青岛观象山上设立了水准原点 高程系统 我国的高程系统采用的是正常高系统，是地面点沿铅垂线方向至似大地水准面的距离。 高程框架 由全国高精度水准控制网实现，以黄海高程基准为起算基准，以正常高系统为高差的传递方式，建立水准控制网，其现势性通过定期复测来实现。深度基准 深度基准面通常选取在当地平均海水面以下深度为L的地方。 我国采用的深度基准面为理论最低潮面重力系统和重力测量框架 重力测量就是测定空间点的重力加速度。 我国的重力

6、基准： 50-70年代，波茨坦重力基准，参考系统为克拉索夫斯基椭球常数。 80年代，采用IUGG75椭球常数及其重力场 目前，GRS80椭球常数及其重力场 重力测量框架 由分布在全国的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网以及用作相对重力尺度标准的若干条长短基线构成。应用大地测量学 任务和方法 任务：在全国范围内建立高精度的大地控制网，精密确定地面点的位置。 国家平面控制网：分级布网、逐级控制 布网类型：三角网、测边网、边角网、GPS网 国家高程控制网：从高到低、从整体到局部、逐级控制、逐级加密国家平面控制网 平面控制测量目的 点位坐标的传递和控制 平面控制测量的技术 水平角测量、距离测量

7、、三角高程测量、卫星定位测量 平面控制网的布网方案 一等三角锁200km，平均边长30km平面测量仪器国家高程控制网 目的 在全国范围内建立统一的高程控制网；为地壳垂直运动、还没地形及其变化和大地水准面形状等研究提供精确的高程数据。 布网方案 从高到低、从整体到局部、逐级控制、逐级加密 一等水准网： 是国家高程控制网的骨干，环线周长 1000km1500km 二等水准网： 是国家高程控制的全面基础，环线周长 500km750km 三、四等水准网：直接为地形测图和工程建设提供高程点国家高程控制网 水准网观测国家高程控制网 水准测量仪器国家重力控制网 重力控制网的作用 在大地测量中，帮助研究地球形

8、状和严密处理观测数据。 在空间技术中需要它提供地球外部重力场的资料。 国家重力控制网 采用相对重力测量的技术手段。 我国的重力控制网分为二级：重力基准网和一等重力网。 重力基准网包括：绝对重力点和相对重力点，绝对重力点又称为基准重力点，相对重力点又称为基本重力点。点间距离为300-1000km。 一等重力网点间距为100-300km 椭球面大地测量学 研究与大地水准面最佳拟合的旋转椭球面的数学性质以及以该面为参考的一切大地测量计算问题的学科。 内容： 大地控制网的地面数据向椭球面的归算问题； 椭球面法截线和大地线的性质； 椭球面三角形的解算方法； 大地测量主题及其解算方法； 椭球面投影到平面上

9、的问题。椭球面大地线 法截线和大地线 法截面：包含椭球面上的一点法线的平面。 法截线：法截面与该椭球面的交线。 大地线（测地线）：椭球面上两点间的最短曲线。 大地主题解算 大地正算： 已知A点的大地坐标和其至B点的大地方位角和距离，计算B点的大地坐标和大地方位角。 大地反算： 已知A点和B点的大地坐标，计算两点上的正反方位角和期间的距离。高斯克吕格投影 是等角横切椭球柱投影 特点：投影后角度保持不变 中央子午线的投影长度不变，且是 一条直线，为X轴。 赤道线的投影是一条直线为Y轴高斯克吕格投影分带 3度带和6度带高斯克吕格投影的通用坐标 自然坐标和通用坐标的转换 我国位于北半球，X值全部为正，

10、Y值有正 有负，为了计算方便，不出现负的Y坐标值， 将X轴向西移动500公里，并在Y坐标前加 上所在带号，称为通用值。物理大地测量 应用重力测量的方法确定地球形状、外部重力场及其变化的学科。 地球形状及其外部重力场是地球坐标系统及其实现的基础。 主要内容： 重力测量的仪器与方法； 重力位理论； 地球形状及其外部重力场的基本理论； 用重力场理论和信息解决大地测量科学问题。地球重力场理论的基本概念 重力：地球引力和离心力的合力，单位为伽，方 向为铅垂线方向，大小与该点位置有关。 重力场：地球空间点处的重力强度，用地球重力位或 重力表示。 大地水准面：与静止的平均海水面重合的那个重 力等位面。 大地

11、水准面差距：大地水准面与参考椭球面之间的垂 直距离。 重力测量技术 地面重力测量技术 绝对重力测量和相对重力测量重力测量技术海洋和航空重力测量 利用装载在轮船或飞机上的相对重力仪所进行的连续重力测量。卫星重力测量 a.地面跟踪卫星测定地球重力场 通过观测地面跟踪站至卫星的方向、距离、距离变化率、 相位，推算地球重力场。 b.卫星跟踪卫星测量地球重力场 分为高低卫星跟踪和低低卫星跟踪。 SST-hl:利用低轨卫星上的GPS接收机与GPS卫星星座构成空间跟踪网。德国的CHAMP卫星。 SST-ll:指同一轨迹上两颗相距200-300km的低轨卫星，以微米级的测距精度相互跟踪。GRACE采用SST-

12、ll和SST-hl组合跟踪模式。卫星大地测量 是利用空间技术手段进行区域或全球大地测量的学科。 主要内容： 1.建立和维持全球和区域性大地测量系统与大地测量框架 2.快速、精确测定全球、区域或局部空间点的三维位置和 相互位置关系 3.确定卫星轨道 4.探测地球重力场及其时间变化，测定地球潮汐 5.监测和研究地球动力学 6.监测和研究电离层、对流层、海洋环流、海平面变化、 冰川、冰原的时间变化卫星大地测量 分类 根据观测目标：卫星地面跟踪观测、卫星对地观测、卫星对卫星观测 根据原理：几何法和动力法 几种卫星测量技术 甚长基线干涉测量（VLBI） 是一种接收河外射电源发出的波，来进行射电干涉测量的

13、技术。适用于测定极移、日长、全球板块运动和区域构造运动。原理： VLBI特点： 是一种几何方法， 具有长期的稳定性， 提供了一个以河外射电源为参考的坐标系，是目前最佳的准惯性参考系。几种卫星测量技术 全球定位系统（GPS） 卫星激光测距（SLR） 地基卫星激光测距 空基激光测地系统 卫星对卫星测距 SLR应用：精密测定地心绝对坐标 建立全球或区域地心参考框架 测定低频地球重力场参数 测定地球质心的变化 监测板块运动 监测地球自转参数及变化 测定海潮波参数 测定地心引力常数几种卫星测量技术 卫星雷达测高（SRA） 利用雷达测高仪测定至瞬时海水面间的垂直距离来测定地球重力场，研究海洋学、地球物理学中的各种物理现象的方法和技术。几种卫星测量技术 SRA应用 实际测定海洋区域的大地水准面 探测出海底山脉、断裂带和地堑构造，并给出物理解释 可研究洋流、海潮的范围、幅度及其随时间得变化规律 确定冰盖的形状大小及其变化情况大地测量学的发展趋势 向地球科学基础性研究领域深入发展 空间大地测量将主导着学科未来的发展 全球定位系统 卫星激光测距 卫星测高 射电源甚长基线干涉测量 双向无线电卫星定位