测量基础培训课件-2-基准篇

1、测量基础讲座(jingzu)-基准篇测量(cling)服务中心共三十五页内容提要(ni rn t yo)大地基准大地测量系统大地测量参考框架(kun ji)高程基准、系统与框架共三十五页一、大地(dd)基准引言 就如同数学上表示一个点的位置(wi zhi)要用到坐标系一样，测量上表示点的空间位置(wi zhi)也要用到坐标系。不过所不同的是，测量上所要表示点的空间位置(wi zhi)，通常是相对于地球参照系的绝对位置(wi zhi)，这就必须有一个与地球密切相关的起算基准。共三十五页一、大地(dd)基准术语(shy)大地基准：分为坐标基准和高程基准等，有时特指坐标基准。它规定了大地坐标和海拔高

2、程的基准面和基准点，是建立大地测量系统和推算大地控制网中各点坐标和高程等的起算依据。坐标基准：通常是由一个确定的地球椭球（对应一组大地测量常数）和一个具有象征意义的大地原点及其对应的一组起算数据组成的。 共三十五页一、大地(dd)基准术语大地测量常数：是指与地球一起旋转且和地球表面最佳吻合的地球椭球参数，按计算次序分为基本常数和导出常数，也可按属性分为几何常数和物理常数。基本常数有四个，即赤道半径(bnjng)、地心引力常数、地球动力学形状因子和地球自转角速度；导出常数常用的有极半径(bnjng)、几何扁率、第一偏心率、第二偏心率、椭球面正常重力位等。 共三十五页一、大地(dd)基准术语大地起

3、算数据：是指大地原点的大地经度、大地纬度、大地高程和至一相邻点的大地方位角。是通过在大地原点上测定天文经纬度、天文方位角，规定大地水准面差距和垂线偏差（两个分量）来获取的。其实质是参考椭球与地球（大地体）之间的3个定位(dngwi)参数和3个定向参数。共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统术语(shy)大地测量系统：分为坐标系统和高程系统等，有时特指坐标系统。它规定了大地基准、尺度标准及其实现方式（包括理论、模型和方法）。大地坐标系统：是一种与地球固定在一起并随地球一起转动的非惯性坐标系统。按原点位置的不同分为地心坐标系和参心坐标系，按表现形式的不同分为空间直角坐标系和空间大地坐标

4、系。共三十五页坐标系分类（按原点位置）：地心坐标系：以地球(dqi)质心（总地球(dqi)椭球中心）为原点， Z轴（椭球旋转轴）指向国际时间局定义的某一历元协议地极，X轴指向零子午线与椭球赤道的交点，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。参心坐标系：以参考椭球中心为原点， Z轴（椭球旋转轴）与某一历元地球自转轴平行 ， X轴与零子午面平行，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。 二、大地测量(d d c ling)系统共三十五页从19世纪中叶以来， 世界上许多国家或国际组织，为满足本国或国际社会的需要，先后建立了100余种区域性的参心大地坐标系统，如： 苏联1942普尔科沃坐标系 中国1980国家大地坐标

5、系自20世纪80年代至今，随着空间科学技术的发展，一些(yxi)国家或国际组织先后建立了全球性的地心大地坐标系统，如： 国际地面参考系统（ITRS） 1984世界大地坐标系统（WGS84）二、大地测量(d d c ling)系统共三十五页坐标系分类（按表现形式）：空间直角坐标系：以椭球中心为原点，椭球旋转轴为Z轴，X轴指向于起始子午面与椭球赤道面的交点，Y轴与X轴、Z轴构成右手坐标系。空间大地坐标系：以椭球旋转轴为基准轴，椭球赤道面、起始子午面和椭球体面为基准面，空间一点的椭球面法线为基准线，点的位置用大地经度L ，大地纬度B和大地高H表示。平面直角坐标系：是利用(lyng)投影变换，将球面坐

6、标（L ，B）通过某种数学变换映射为平面坐标（x，y) 。二、大地测量(d d c ling)系统共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统空间(kngjin)直角坐标系与空间(kngjin)大地坐标系PYXBYXZHl共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统坐标系统变换与坐标形式转换坐标系统变换：将一个坐标系统中的坐标变换为另一坐标系统中的坐标。坐标系统变换可通过七参数转换模型实现（各模型等价），而转换模型七参数可借助公共点对反求（精度与模型精度、公共点对精度和分布有关）。坐标形式转换：将一个坐标系统中一种形式的坐标转换为同一坐标系统中的另一坐标形式。空间直角坐标与空间大地

7、(dd)坐标间转换需要椭球参数，空间大地(dd)坐标与平面坐标间转换需要投影参数。共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统几个常用的坐标系：1954北京坐标系1980国家(guji)大地坐标系 1984世界大地坐标系WGS84共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统1954北京坐标系：该坐标系源自于苏联1942普尔科沃坐标系，采用的椭球是克拉索夫斯基椭球，参数为：a=6378245，f=1/298.3；起算数据通过联测由苏联远东经东北（三个基线网）传到北京（推算出北京一主干三角点的大地坐标和该点至另一点的大地方位角）。 该坐标系椭球的参数与现代椭球参数差异较大；椭球的定位、

8、定向不准确，导致参考椭球面与大地水准面在我国范围内呈西高东低的系统性倾斜（全国平均+29米，东部最大达+68米）。1954北京坐标系和苏联1942普尔科沃坐标系的区别在于：（1）1954北京坐标系的高程(gochng)是以1956年青岛验潮站确定的黄海平均海水面为基准；（2）高程(gochng)异常是以苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。 共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统1980国家大地坐标系：地球椭球参数是IAG 1975年的推荐值： a=6378140 f =1/298.257 椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968

9、.0 JYD地极原点方向），起始大地子午面平行于起始天文子午面（欧拉角=0），定位采用多点定位（选取922点，按椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好为条件解得垂线(chu xin)偏差和高程异常等）。大地原点：位于陕西泾阳县永乐镇北洪流村。1980国家大地坐标系天文大地网属整体平差。共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统新1954北京坐标系：新1954北京坐标系是介于1980国家大地坐标系和1954北京坐标系之间的一种“协定”坐标系。又名1954北京坐标系（整体平差转换(zhunhun)值）。该坐标系的椭球参数与1954北京坐标系一样；坐标原点与1954北京坐标系重合；坐标轴系与

10、1980坐标系平行；大地原点与1980坐标系相同但起算数据不同。该坐标系提供的坐标是经全国天文大地网整体平差的结果，其点位精度与1980国家大地坐标系相同，但坐标值与1954年北京坐标系接近。共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统1984世界大地坐标系（WGS84）：由美国国家影像制图局（原国防部测绘局）推出。椭球参数：a=6378137.0，f =1/298.257223563 。属于地心地固坐标系（协议地面参考系）：原点位于地球质心， Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向， X轴指向国际时间局BIH1984.0定义的零子午线和赤道的交点，Y轴通过右

11、手规则确定。 WGS84通过全球定位系统跟踪站来实现(shxin)和维持（精化）。GPS所采用的大地常数和参考框架几经变化。WGS84原始定义参考框架精度12m ； 1994年推出WGS84（G730）；1996年推出WGS（G873），目前它的参考框架与ITRF94的一致性在5cm左右，与IGS的精密星历各分量的差别在3cm左右。共三十五页二、大地测量(d d c ling)系统1984世界大地坐标系（WGS84）：WGS84附加了全球性地球重力场模型EGM96：是NIMA、NASA等利用地面重力异常数据、卫星(wixng)跟踪数据等通过积分计算推到出的最高达360阶次（130317个系数）

12、的地球引力位球谐展开表达式。共三十五页三、大地测量参考(cnko)框架术语大地测量参考框架：是大地测量系统的具体实现和应用形式。通常是由一系列点所组成的、按一定模式构建的大地控制网。分为坐标框架和高程(gochng)框架等。大地测量坐标框架：传统的大地测量坐标框架通常是由一系列点所组成的、按一定模式构建的大地控制网实现和维持的。分为地心坐标框架和参心坐标框架。共三十五页三、大地测量(d d c ling)参考框架坐标框架的分类：地心坐标框架：定义在总椭球和地心坐标系统中，现代地心坐标框架通常是一种动态的、三维的、全球性的坐标框架。国际公认的应用最广精度最高的地心坐标框架是国际地面参考框架（IT

13、RF），它是国际地面参考系统的实现和维持。参心坐标框架：定义在参考椭球和参心坐标系统中，通常是一种静态(jngti)的、二维的、区域性的坐标框架。20世纪，世界绝大部分国家或地区都采用天文大地网来实现和维持自己的参心坐标框架。共三十五页三、大地测量(d d c ling)参考框架国际地面参考框架由国际地球自转服务局（IERS，总部设在法国巴黎）建立和维持，自1988年开始陆续发布ITRF88/89/90/91/92/93/94/96/97/2000等， 2006年10月最新发布ITRF2005。采用甚长基线干涉（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、GPS等空间大地测量技术构成全球观测网点，经综

14、合处理，获得观测网点（框架点）的坐标和速度，以及相应(xingyng)的椭球定位定向参数。共三十五页三、大地测量参考(cnko)框架我国的地心坐标框架中国GPS2000网是定义在ITRS200地心坐标系统(xtng)中的区域性地心坐标框架，是地心坐标系统(xtng)在我国范围内的实现和维持。 中国GPS2000网是由国家测绘局布设的GPS A、B级网，总参测绘局布设的GPS一、二级网，中国地震局、中国科学院、总参测绘局、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成。共28个连续运行站、2518个点。中国GPS2000网整合了上述三网的观测成果，通过联合处理形成了统一的坐标参考框架，精度优于10-8

15、，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，为建立我国新一代的地心坐标系统打下了坚实的基础。共三十五页三、大地测量(d d c ling)参考框架共三十五页三、大地测量参考(cnko)框架我国的参心坐标框架20世纪5080年代建立的全国天文大地网（国家平面控制网），分别定义在1954北京坐标系和1980西安坐标系中。国家平面控制网包含三角点、导线点共 154348个。主要通过三角测量来建立，因而相应(xingyng)的网（点）又称为国家三角网（点）。国家三角网划分为一、二、三、四几个等级。国家三角点的平面坐标采用高斯克吕格平面坐标系统，所有国家三角点均提供大地经纬度和高斯平面直角坐标。共三十五页三、

16、大地测量(d d c ling)参考框架共三十五页四、高程基准、系统(xtng)和框架1、高程基准：术语： 它规定了海拔高程的基准面和基准点，是建立高程系统和推算大地控制网中各点高程的起算依据。通常以某验潮站长期观测所获得的平均海水面作为起算面（即高程为0）；同时，在其附近陆地(ld)面设置一固定点（水准原点），通过精密水准联测确定水准原点的海拔高程，作为起算点。共三十五页四、高程(gochng)基准、系统和框架我国的高程基准： 以青岛大港验潮站观测所获得的黄海平均(pngjn)海水面作为起算面（即高程为0），以青岛观象山上设置的“中华人民共和国水准原点” 作为起算点。1987年前采用“195

17、6黄海高程基准”，其水准原点高程为72.289m 。1988年1月1日起启用“1985国家高程基准”，其水准原点高程为72.2604m。共三十五页四、高程基准(jzhn)、系统和框架2、高程系统：术语：它规定了高程基准、尺度标准(biozhn)及其传递方式等。按采用基准面的不同，或者对水准测量数据采取处理方法的不同，分为正高、正常高和大地高等系统。正高系统：以大地水准面为基准面。由地面点沿铅垂线到大地水准面的距离称为正高（海拔高）。实际上正高难以精确获得。正常高系统：以似大地水准面为基准面。由地面点沿铅垂线到似大地水准面（非常接近大地水准面，可由物理大地测量方法确定）的距离称为正常高（似海拔高

18、）。大地高系统：以参考椭球面为基准面。由地面点沿法线到参考椭球面的距离称为大地高（也称椭球高）。共三十五页四、高程(gochng)基准、系统和框架高程(gochng)系统之间的关系 =高程异常h = H - 地球表面椭球面似大地水准面 共三十五页四、高程(gochng)基准、系统和框架高程系统之间的关系大地高（ Hd）与正高（Hg ）的关系： Hd= Hg+ N N为大地水准面高或大地水准面差距，由于不能精确获得地面点的正高和大地水准面差距，因此不能按上式求得大地高。大地高（ Hd）与正常高（H）的关系： Hd= H + 为高程异常，可根据重力测量资料直接计算或通过天文重力水准方法求得，正常高

19、可通过水准测量加重力异常改正求得，因此可以按上式求得大地高。另外，通过三角(snjio)高程测量所获得的两点之间的高差，如果消除垂线偏差的影响，就是两点之间的大地高高差。共三十五页四、高程(gochng)基准、系统和框架我国的高程系统(xtng)（正常高系统(xtng)）1956黄海高程系：以青岛验潮站19501956年观测资料所确定的平均海水面作为高程基准面（称为“1956年黄海平均海水面” ，并在青岛市观象山建立一个全国统一的高程起算点（称为“水准原点”，其高程为72.289m），以此为根据建立的高程控制网均属1956年黄海高程系。 1985国家高程基准：以青岛验潮站19521979年观测

20、资料所确定的平均海水面作为高程基准面，“水准原点”的高程为72.2604m，即1985国家高程基准的平均海水面比1956年黄海高程系的平均海水面高0.0286m 。共三十五页四、高程基准、系统(xtng)和框架3、高程框架高程框架是高程系统的实现。高程框架一般通过(tnggu)高精度水准控制网实现，或者通过(tnggu)（似）大地水准面模型来实现。共三十五页四、高程(gochng)基准、系统和框架外国的高程框架近年来，许多(xdu)国家和组织先后推出了各自的（似）大地水准面模型。欧洲的EGG94/95/96/97系列似大地水准面模型。美国的GEOID90/93/96/99系列大地水准面模型。美国的EGM96 具有两种数据产品形式：全球大地水准面高（高程异常）格网（