大地測量學基礎 緒論.ppt(郭)

1、1 第一章 緒 論1大地測量學的定義和作用大地測量學的定義和作用 1.1大地測量學的定義大地測量學的定義 大地測量學大地測量學 是指在一定的時間與空間參考系中，測量和描繪地球形狀及是指在一定的時間與空間參考系中，測量和描繪地球形狀及其重力場并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關于地球的空間信息的其重力場并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關于地球的空間信息的一門學科。一門學科。v 經(jīng)典大地測量經(jīng)典大地測量：地球剛體不變、均勻旋轉(zhuǎn)的球體或橢球體；：地球剛體不變、均勻旋轉(zhuǎn)的球體或橢球體；范圍小。范圍小。v 現(xiàn)代大地測量現(xiàn)代大地測量：空間測繪技術：空間測繪技術(人造地球衛(wèi)星、空間探測器人造地球衛(wèi)星、空間探測器)，空

2、間大地測量為特征，范圍大?？臻g大地測量為特征，范圍大。 21.2大地測量學的作用大地測量學的作用 建立地面控制網(wǎng)，精確測定大地控制點的空間三維位建立地面控制網(wǎng)，精確測定大地控制點的空間三維位置及其重力場參數(shù)，具有重要的作用，表現(xiàn)如下：置及其重力場參數(shù)，具有重要的作用，表現(xiàn)如下：v 大地測量學是一切測繪科學技術的基礎，在國民經(jīng)濟大地測量學是一切測繪科學技術的基礎，在國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎保證作用。建設和社會發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎保證作用。如如 交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等 v 大地測量學在防災，減災，救災及環(huán)境監(jiān)測、評價與

3、大地測量學在防災，減災，救災及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護中發(fā)揮著特殊作用。如地震、山體滑坡、交通事保護中發(fā)揮著特殊作用。如地震、山體滑坡、交通事故等的監(jiān)測與救援。故等的監(jiān)測與救援。v 大地測量是發(fā)展空間技術和國防建設的重要保障。如大地測量是發(fā)展空間技術和國防建設的重要保障。如: 衛(wèi)星、導彈、航天飛機、宇宙探測器等發(fā)射、制導、衛(wèi)星、導彈、航天飛機、宇宙探測器等發(fā)射、制導、跟蹤、返回工作都需要大地測量作保證。跟蹤、返回工作都需要大地測量作保證。32大地測量學基本體系和內(nèi)容大地測量學基本體系和內(nèi)容 2.1大地測量學的基本體系大地測量學的基本體系 應用大地測量、橢球大地測量、天文大地測量、大地應用大地測量、

4、橢球大地測量、天文大地測量、大地重力測量、測量平差等；新分支：重力測量、測量平差等；新分支： 海樣大地測量、行星大海樣大地測量、行星大地測量、衛(wèi)星大地測量、地球動力學、慣性大地測量。地測量、衛(wèi)星大地測量、地球動力學、慣性大地測量。 幾何大地測量學（即天文大地測量學）幾何大地測量學（即天文大地測量學） 基本任務：基本任務：是確定地球的形狀和大小及確定地面點的是確定地球的形狀和大小及確定地面點的幾何位置。幾何位置。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：國家大地測量控制網(wǎng)國家大地測量控制網(wǎng)(包括平面控制網(wǎng)和高包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)程控制網(wǎng))建立的基本原理和方法，精密角度測量，距離測建立的基本原理和方法，精密角度

5、測量，距離測量，水準測量；地球橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，量，水準測量；地球橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，橢球數(shù)學投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學模型等。橢球數(shù)學投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學模型等。4 物理大地測量學：即理論大地測量學物理大地測量學：即理論大地測量學 基本任務：基本任務：是用物理方法是用物理方法(重力測量重力測量)確定地球形狀確定地球形狀及其外部重力場。及其外部重力場。 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場，重力測量及包括位理論，地球重力場，重力測量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場的理論與方法。其歸算，推求地球形狀及外部重力場的理論與方法。 空間大地測量學

6、空間大地測量學： 主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論、技術與方法。表的空間大地測量的理論、技術與方法。 52.2 大地測量學的基本內(nèi)容大地測量學的基本內(nèi)容 v 確定地球形狀及外部重力場及其隨時間的變化，建立確定地球形狀及外部重力場及其隨時間的變化，建立統(tǒng)一的大地測量坐標系，研究地殼形變統(tǒng)一的大地測量坐標系，研究地殼形變(包括垂直升降及包括垂直升降及水平位移水平位移)，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。 研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。v 建立和

7、維持國家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程建立和維持國家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和精密水準網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國民控制網(wǎng)和精密水準網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國民經(jīng)濟和國防建設的需要。經(jīng)濟和國防建設的需要。v 研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。研究地研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學變換及有關大地測量球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學變換及有關大地測量計算。計算。6v 研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫建立及聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方

8、法，測量數(shù)據(jù)庫建立及應用等。應用等。 現(xiàn)代大地測量的特征：現(xiàn)代大地測量的特征： 研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋）研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋） 從靜態(tài)到動態(tài)，從地球內(nèi)部結構到動力過程。從靜態(tài)到動態(tài)，從地球內(nèi)部結構到動力過程。 觀測精度越高，相對精度達到觀測精度越高，相對精度達到10-810-9，絕對精度，絕對精度 可到達毫米?？傻竭_毫米。 測量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來越復雜。測量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來越復雜。73大地測量學發(fā)展簡史及展望大地測量學發(fā)展簡史及展望 3.1大地測量學的發(fā)展簡史大地測量學的發(fā)展簡史 v第一階段：地球圓球階段第一階段：地球圓球階段 從遠古至從

9、遠古至17世紀，人們用天文方法得到地面上同一子世紀，人們用天文方法得到地面上同一子午線上兩點的緯度差，用大地法得到對應的子午圈弧午線上兩點的緯度差，用大地法得到對應的子午圈弧長，從而推得地球半徑（弧度測量長，從而推得地球半徑（弧度測量 ）v 第二階段：地球橢球階段第二階段：地球橢球階段 從從17世紀至世紀至19世紀下半葉，在這將近世紀下半葉，在這將近200年期間，人年期間，人們把地球作為圓球的認識推進到向兩極略扁的橢球。們把地球作為圓球的認識推進到向兩極略扁的橢球。 8 大地測量儀器：望遠鏡，游標尺，十字絲，測微器；大地測量儀器：望遠鏡，游標尺，十字絲，測微器； 大地測量方法：大地測量方法：1

10、615年荷蘭斯涅耳年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測首創(chuàng)三角測量法量法; 行星運動定律：行星運動定律：1619年德國的開普勒年德國的開普勒(J.Kepler)發(fā)表了行發(fā)表了行星運動三大定律；星運動三大定律； 重力測量：重力測量：1673年荷蘭的惠更斯年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進提出用擺進行重力測量的原理；行重力測量的原理； 英國物理學家牛頓英國物理學家牛頓(L.Newton)提出地球特征：提出地球特征：1）是兩極）是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球，其扁率等于扁平的旋轉(zhuǎn)橢球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由）重力加速度由赤道向兩極與赤道向兩極與sin(地理緯度地理緯度)成比例地

11、增加。成比例地增加。9幾何大地測量標志性成果：幾何大地測量標志性成果：長度單位的建立：子午圈弧長的四千萬分之一作為長長度單位的建立：子午圈弧長的四千萬分之一作為長度單位，稱為度單位，稱為1 1m m。最小二乘法的提出：法國的勒讓德最小二乘法的提出：法國的勒讓德( (A.M.Legendre)A.M.Legendre)，德國的高斯德國的高斯( (C.F.Gauss)C.F.Gauss)。橢球大地測量學的形成：解決了橢球數(shù)學性質(zhì)與測量橢球大地測量學的形成：解決了橢球數(shù)學性質(zhì)與測量計算，正形投影方法。在這個領域，高斯、勒讓德及計算，正形投影方法。在這個領域，高斯、勒讓德及貝塞爾（貝塞爾（Bessel

12、)Bessel)作出了巨大貢獻。作出了巨大貢獻。弧度測量大規(guī)模展開。在這期間主要有以英、法、西弧度測量大規(guī)模展開。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測量，以及德國、俄國、美國班牙為代表的西歐弧度測量，以及德國、俄國、美國等為代表的三角測量。等為代表的三角測量。推算了不同的地球橢球參數(shù)。如貝賽爾、推算了不同的地球橢球參數(shù)。如貝賽爾、克拉克橢球克拉克橢球參數(shù)。參數(shù)。1) 10物理大地測量標志性成就：物理大地測量標志性成就：克萊羅定理的提出：克萊羅定理的提出：法國學者克萊羅法國學者克萊羅( (A.C.Clairaut)A.C.Clairaut)假設地球是由許多密度不同的均勻物質(zhì)層圈組成的

13、橢假設地球是由許多密度不同的均勻物質(zhì)層圈組成的橢球體球體，這些橢球面都是重力等位面這些橢球面都是重力等位面( (即水準面即水準面) )。該橢。該橢球面上緯度球面上緯度的一點的重力加速度按下式計算：的一點的重力加速度按下式計算：)sin1 (2eq25eaq211重力位函數(shù)的提出：為了確定重力與地球形狀的關系，重力位函數(shù)的提出：為了確定重力與地球形狀的關系，法國的勒讓德提出了位函數(shù)的概念。所謂位函數(shù)，即法國的勒讓德提出了位函數(shù)的概念。所謂位函數(shù)，即是有這種性質(zhì)的函數(shù)：在一個參考坐標系中，引力位是有這種性質(zhì)的函數(shù)：在一個參考坐標系中，引力位對被吸引點三個坐標方向的一階導數(shù)等于引力在該方對被吸引點三

14、個坐標方向的一階導數(shù)等于引力在該方向上的分力。研究地球形狀可借助于研究等位面。因向上的分力。研究地球形狀可借助于研究等位面。因此，位函數(shù)把地球形狀和重力場緊密地聯(lián)系在一起。此，位函數(shù)把地球形狀和重力場緊密地聯(lián)系在一起。地殼均衡學說的提出：英國的普拉特地殼均衡學說的提出：英國的普拉特( (J.H.Pratt)J.H.Pratt)和艾和艾黎黎( (G.B.Airy)G.B.Airy)幾乎同時提出地殼均衡學說，根據(jù)地殼幾乎同時提出地殼均衡學說，根據(jù)地殼均衡學說可導出均衡重力異常以用于重力歸算均衡學說可導出均衡重力異常以用于重力歸算。重力測量有了進展。設計和生產(chǎn)了用于絕對重力測量重力測量有了進展。設計

15、和生產(chǎn)了用于絕對重力測量以及用于相對重力測量的便攜式擺儀。極大地推動了以及用于相對重力測量的便攜式擺儀。極大地推動了重力測量重力測量的發(fā)展。的發(fā)展。12幾何大地測量學進展：幾何大地測量學進展： 天文大地網(wǎng)的布設有了重大發(fā)展。全球三大天文大地天文大地網(wǎng)的布設有了重大發(fā)展。全球三大天文大地網(wǎng)的建立（網(wǎng)的建立（18001900印度，一等三角網(wǎng)印度，一等三角網(wǎng)2萬公里，平萬公里，平均邊長均邊長45公里；公里；19111935美國一等美國一等7萬公里；萬公里；1924-1950蘇聯(lián)，蘇聯(lián)，7萬多公里萬多公里) 因瓦基線尺出現(xiàn)，平行玻璃板測微器的水準儀及因瓦因瓦基線尺出現(xiàn)，平行玻璃板測微器的水準儀及因瓦水

16、準尺使用。水準尺使用。 l第三階段：大地水準面階段第三階段：大地水準面階段 從從19世紀下半葉至世紀下半葉至20世紀世紀40年代，人們將對橢球的認年代，人們將對橢球的認識發(fā)展到是大地水準面包圍的大地體。識發(fā)展到是大地水準面包圍的大地體。 13物理大地測量在這階段的進展：物理大地測量在這階段的進展： 1.大地測量邊值問題理論的提出：大地測量邊值問題理論的提出： 英國學者斯托克司英國學者斯托克司( (G.G.Stokes)G.G.Stokes)把真正的地球重把真正的地球重力位分為正常重力位和擾動位兩部分，實際的重力分力位分為正常重力位和擾動位兩部分，實際的重力分為正常重力和重力異常兩部分，在某些假

17、定條件下進為正常重力和重力異常兩部分，在某些假定條件下進行簡化，通過重力異常的積分，提出了以大地水準面行簡化，通過重力異常的積分，提出了以大地水準面為邊界面的擾動位計算公式和大地水準面起伏公式。為邊界面的擾動位計算公式和大地水準面起伏公式。后來，荷蘭學者維寧后來，荷蘭學者維寧曼尼茲曼尼茲(F.A.Vening Meinesz)根根據(jù)斯托克司公式推出了以大地水準面為參考面的垂線據(jù)斯托克司公式推出了以大地水準面為參考面的垂線偏差公式。偏差公式。 2.2.提出了新的橢球參數(shù)：提出了新的橢球參數(shù)： 赫爾默特橢球、海福特橢球、克拉索夫斯基橢球赫爾默特橢球、海福特橢球、克拉索夫斯基橢球等。等。14 第四階

18、段：現(xiàn)代大地測量新時期 20世紀下半葉，以電磁波測距、人造地球衛(wèi)世紀下半葉，以電磁波測距、人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及甚長基線干涉測量等為代表的新星定位系統(tǒng)及甚長基線干涉測量等為代表的新的測量技術的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測量帶來了的測量技術的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測量帶來了革命性的變革，使大地測量定位、確定地球參革命性的變革，使大地測量定位、確定地球參數(shù)及重力場，構筑數(shù)字地球等基本測繪任務都數(shù)及重力場，構筑數(shù)字地球等基本測繪任務都以嶄新的理論和方法來進行。從此大地測量學以嶄新的理論和方法來進行。從此大地測量學進入了以空間測量技術為代表的現(xiàn)代大地測量進入了以空間測量技術為代表的現(xiàn)代大地測量發(fā)展的新時期。發(fā)展的新時期。 15 我國高精度天文大地網(wǎng)的建立我國高精度天文大地網(wǎng)的建立 1951-1975年：一等三角點年：一等三角點5萬多個，全長萬多個，全長7.5多萬公里，二多萬公里，二等鎖，一等導線等，等鎖，一等導線等，19721982年平差數(shù)據(jù)處理，建立年平差數(shù)據(jù)處理，建立1980國家大地坐標系。國家大地坐標系。 我國高精度重力網(wǎng)的建立我國高精度重力網(wǎng)的建立 1981年開始絕對重力測量與相對重力測量，年開始絕對重力測量與相對重力測量，11個絕對重力個絕對重力點（基準點），點（基準點），40多個（基本點），重力網(wǎng)的平差，多個（基本點），重力網(wǎng)的平差，1985年國家重力基本網(wǎng)形成。年