控制測量學-課件

控制測量學東華理工學院測量系控制測量學東華理工學院測量系第一章緒論一、大地測量學的定義和作用二、控制測量學的基本任務和內(nèi)容三、控制測量的基準面和基準線四、控制網(wǎng)的布設形式五、控制測量新技術的發(fā)展應用六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望第一章緒論一、大地測量學的定義和作用一、大地測量學的定義和體系大地測量學：

是“測定和描繪地球表面的科學”?！饕蝿眨簻y量和描繪地球并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關于地球的空間信息。包括：精確測定地球表面點的地理位置，研究地球形狀、大小和地球表面外部重力場，以及它們隨時間的變化。一、大地測量學的定義和體系大地測量學：※大地測量學的地位和作用

在國民經(jīng)濟各項建設和社會發(fā)展中，發(fā)揮著基礎先行的重要保證作用，是一切測繪科學技術的基礎。在防災、減災、救災及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護中發(fā)揮著獨具風貌的特殊作用。是發(fā)展空間技術和國防建設的重要保障。在當代地球科學研究中的地位更加重要?！蟮販y量學的地位和作用大地測量學的基本體系測量學大地測量學測量學的兩個分支研究范圍是不大的地球表面，把地球表面認為是平面且不損害測量精度，計算時也認為在該范圍內(nèi)的鉛垂線彼此是平行的。

研究全球或相當大范圍內(nèi)的地球，鉛垂線被認為彼此不平行，同時顧及地球的形狀及重力場。

大地測量學的基本體系測量學的兩個分支研究范圍是不大的地球表面常規(guī)大地測量學的基本體系：應用大地測量學——以研究建立國家大地測量控制網(wǎng)為中心內(nèi)容；橢球大地測量學——以研究坐標系建立及地球橢球性質(zhì)以及投影數(shù)學變換為主要內(nèi)容；天文大地測量學——以研究測量天文經(jīng)度、緯度及天文方位角為中心內(nèi)容；重力大地測量學——以研究重力場及重力測量方法為中心內(nèi)容；測量平差——以研究大地測量控制網(wǎng)平差計算為主要內(nèi)容；電磁波測距大地測量學——大地測量學同無線電電子學相結合；常規(guī)大地測量學的基本體系：應用大地測量學——以研究建立國家大與其它相關學科的發(fā)展相聯(lián)系：電磁波測距大地測量學—同無線電電子學相結合；宇宙大地測量學——與天體力學及天文學結合；海洋大地測量學——與海洋地質(zhì)學及海洋導航學結合

地球動力學——與地球物理、海洋地質(zhì)學及地質(zhì)學相結合；衛(wèi)星大地測量學——與人造地球衛(wèi)星學及天體力學相結合；慣性大地測量學

——以慣性原理為基礎，利用加速度計測量運動物體某方向加速度，通過計算機積分計算得到運動物體空間位置；現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)處理學

——與線性代數(shù)、矩陣、概率統(tǒng)計及優(yōu)化設計、數(shù)值計算方法等相結合；與其它相關學科的發(fā)展相聯(lián)系：現(xiàn)代大地測量學的基本體系(1)幾何大地測量學

確定地球的形狀、大小及地面點的幾何位置。主要內(nèi)容是關于國家大地測量控制網(wǎng)(平面和高程)建立的基本原理和方法，精密角度測量，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，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。

現(xiàn)代大地測量學的基本體系(1)幾何大地測量學確定地球的形狀現(xiàn)代大地測量學的基本體系（2）物理大地測量學

用物理方法(重力測量)確定地球形狀及其外部重力場。主要內(nèi)容包括位理論，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等。

現(xiàn)代大地測量學的基本體系（2）物理大地測量學用物理方法(重現(xiàn)代大地測量學的基本體系（3）空間大地測量學

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。新特征:測量范圍大；研究對象和范圍不斷深入、全面和精細；觀測精度高；測量周期短。現(xiàn)代大地測量學的基本體系（3）空間大地測量學以人造地球衛(wèi)星現(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容

(1)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，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。(2)研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。

(3)建立和維持具有高科技水平的國家和全球的天文大地水平控制網(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?，F(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(1)確定地球形狀及外部重現(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(4)研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。(5)研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學變換及有關的大地測量計算。(6)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)學處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫建立及應用等?，F(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(4)研究為獲得高精度測量成二、控制測量學的任務和內(nèi)容控制測量是研究精確測定地面點空間位置的學科

如（X、Y、Z）、（L、B、H）?？刂茰y量的特點：

服務對象主要是各種工程建設、城鎮(zhèn)建設和土地規(guī)劃與管理工作。測量范圍比大地測量小，測量手段、數(shù)據(jù)處理多樣化。

工程建設大體可分為設計、施工、運營3個階段設計階段------測圖控制網(wǎng)施工階段------施工控制網(wǎng)運營階段------變形觀測專用控制網(wǎng)二、控制測量學的任務和內(nèi)容控制測量是研究精確測定地面點空間位主要內(nèi)容：研究：國家大地控制網(wǎng)（平面與高程）的建立基本原理與方法；精密測角（方向）、測邊，精密水準測量；地球橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，橢球數(shù)學投影以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學模型等主要內(nèi)容：研究：三、地球形體和控制測量的基準面和基準線1.地球自然表面、地球體

地球的固體和液體部分相對于大氣的分界面地球自然表面包圍的形體

三、地球形體和控制測量的基準面和基準線1.地球自然表面、地球2、大地水準面、大地體重力（離心力、地心引力的合力）重力方向——鉛垂線方向水準面——靜止狀態(tài)的水面（無數(shù)個），重力位能相等。測量中，要求儀器的垂直軸與鉛垂線一致，故鉛垂線是外業(yè)測量工作的基準線。2、大地水準面、大地體重力測量中，要求儀器的垂直軸與鉛垂線一★大地水準面用占地球表面71%的海水面代替地球的形體，并作為測量外業(yè)工作統(tǒng)一的基準面——大地水準面。假定海洋的水體，只受重力作用，無潮汐、風浪影響，處于完全靜止和平衡狀態(tài)，將海洋的表面延伸到大陸的下面并處處保持著與垂線方向正交這一特點，也是一個水準面，稱這一特定的水準面為大地水準面。所包圍的形體稱大地體?！锎蟮厮疁拭嬗谜嫉厍虮砻?1%的海水面代替地球的形體，并作為地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，地殼有高低起伏，所以重力方向有局部變化，致使處處與重力方向垂直的大地水準面也就不規(guī)則，它不能作為大地測量計算的基準面。必須尋找一個與大地體相近的，能用簡單的數(shù)學模型表示的規(guī)則體形代替——橢球面。地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，地殼有高低起伏，所以重力方向有局部變3、總地球橢球、參考橢球用來代替大地體的橢球體稱為地球橢球體。一個與大地體外形符合最好的地球橢球叫總地球橢球或平均地球橢球。

3、總地球橢球、參考橢球用來代替大地體的橢球體稱為地球橢球體總地球精球應滿足的三個條件：1．總質(zhì)量等于地球的總質(zhì)量，中心與地球的質(zhì)心重合，赤道平面與地球赤道面一致。2．旋轉(zhuǎn)角速度與地球的旋轉(zhuǎn)角速度相等。3．體積與大地體的體積相等。它的表面與大地水難面之間的差距的平方和為最小。總地球精球面是—個理想的測量計算的基準面。

4、參考橢球面、參考橢球體

各國或地區(qū)為各自的大地測量工作需要，采用了參考橢球體，用參考橢球面作為測量計算的基準面。參考橢球只與某一個國家或某一地區(qū)的大地水準面符合較好的地球橢球體?？偟厍蚓驊獫M足的三個條件：4、參考橢球面、參考橢球體各國5、垂線偏差和大地水準面差距大地水準面的鉛垂線與橢球面的法線之間的夾角稱為垂線偏差。在某一點上，大地水準面超出橢球面的高差稱為大地水準面差距。它們是標志大地水準面和橢球面之間的差異的量。測量計算時要進行歸化。5、垂線偏差和大地水準面差距大地水準面的鉛垂線與橢球面的法線地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體四．控制網(wǎng)的布設形式1.水平控制網(wǎng)的布設形式1）三角網(wǎng)★網(wǎng)形定義觀測量：方向值測量基本原理和方法優(yōu)點：圖形簡單、精度高、多余觀測量多、便于計算。缺點：布網(wǎng)困難大四．控制網(wǎng)的布設形式1.水平控制網(wǎng)的布設形式★三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)和推算元素觀測量（觀測數(shù)據(jù)）：角度或方向值起算數(shù)據(jù)：X、Y、S．推算元素：由起算元素和觀測元素的平差值推算出的三角形邊長、方位角、點的坐標等?！铼毩⒕W(wǎng)與非獨立網(wǎng)（附合網(wǎng)）只有必要的一套起算數(shù)據(jù)（如一條邊、一個方位角和一個起算點坐標）多于一套起算數(shù)據(jù)★三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)和推算元素觀測量（觀測數(shù)據(jù)）：角度或方向值只控制測量學-課件2）導線網(wǎng)觀測值：角度（或方向）和邊長；起算數(shù)據(jù)：一個起算點（X、Y）、一個方向的方位角；優(yōu)點：各點上方向少、通視限制小、易于選點、無須造標；圖形靈活；邊長精度均勻。缺點：可靠性低。3）邊角網(wǎng)和測邊網(wǎng)（以三角形為基本圖形）4）GPS網(wǎng)2.高程控制網(wǎng)的布設形式（第五章節(jié)介紹）2）導線網(wǎng)觀測值：角度（或方向）和邊長；1、精密測角儀器的發(fā)展50年代——垂直度盤自動歸零補償器、光學對中器的改進。60年代——讀婁的數(shù)字化與自動化（電經(jīng)）；2、測距儀的發(fā)展

普通光源——激光測距儀——紅外測距儀●全站型電子速測儀五、控制測量新技術的發(fā)展應用1、精密測角儀器的發(fā)展五、控制測量新技術的發(fā)展應用3、精密水準儀的發(fā)展平板玻璃測微器自動安平水準儀“摩托化”水準測量數(shù)字水準儀3、精密水準儀的發(fā)展4、計算機在測量上的應用用于控制測量的數(shù)據(jù)處理用于現(xiàn)代化數(shù)據(jù)采集測繪資料檔案管理信息系統(tǒng)的建立4、計算機在測量上的應用5、三維激光掃描系統(tǒng)

工作原理

三維激光掃描儀向目標發(fā)射激光脈沖，依次掃描被測區(qū)域，快速獲得地面景觀的三維坐標和反射光強，利用軟件進行三維建模，生成地面景觀的三維圖象和可量測點陣數(shù)據(jù)，并可方便地轉(zhuǎn)化為多種輸出格式的圖形產(chǎn)品。1、體積小、重量輕，操作簡單、裝拆便利，具備良好的野外操作性能。

2、掃描范圍大、速度快、精度高。

3、快速建立三維景觀模型、圖形圖象數(shù)據(jù)一次獲取。

5、三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

三維激光掃描儀向目標發(fā)射激光6、GPS（GlobalPositioningSystem)系統(tǒng)N=?10個點控制整個北京1.68萬平方公里6、GPS（GlobalPositioningSyste控制測量學-課件7、慣性導航系統(tǒng)（INS系統(tǒng)）導航是引導載體到達預定目的地的過程。導航分為無線電導航、天文導航、衛(wèi)星導航及慣性導航。慣性導航則是利用慣性測量元件測量載體相對于慣性空間的運動參數(shù)，然后在給定的初始條件下推算出導航參數(shù)，引導載體到達目的地的技術。慣性導航技術的理論基礎是牛頓力學基本定律。慣性導航僅依靠慣性裝置本身就能在載體內(nèi)部獨立地完成導航任務，不需要與外界發(fā)生任何信號聯(lián)系，具有高度的自主性。

武器系統(tǒng)的發(fā)展和需求，促進了慣性技術的發(fā)展。

慣性導航裝置最先用于飛機，以后成功地用于艦船。

80年代中期以后，以激光陀螺和光纖陀螺為基礎的地面導航系統(tǒng)逐步發(fā)展起來。

7、慣性導航系統(tǒng)（INS系統(tǒng)）導航是引導載體到達預六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望1、大地測量學發(fā)展簡史1)第一階段——地球圓球階段

2)第二階段——地球橢球階段

3)第三階段——大地水準面階段

4)第四階段——現(xiàn)代大地測量新時期

六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望1、大地測量學發(fā)展簡史1)第一階段——地球圓球階段從遠古至17世紀末，人們把地球認為是圓球。公元前3世紀，亞歷山大學者埃拉托色尼首次用子午圈弧長測量法來估算地球半徑，分為兩種測量：一是屬于天文部分：子午圈弧長兩端點的緯度差；一是屬于大地部分：兩端點間的子午圈弧長。到15～16世紀文藝復興浪潮席卷歐洲時，以哥白尼、伽里略及牛頓等為代表的一批科學家擺脫宗教枷鎖后，才在自然科學方面獲得一系列的驚人發(fā)明和創(chuàng)造，促進了大地測量學的萌芽和形成。

1)第一階段——地球圓球階段從遠古至17世紀末，人們2)第二階段——地球橢球階段17世紀末至19世紀下半葉，人們把地球的認識推進到向兩極略扁的橢球。17世紀初，荷蘭人斯涅耳(W．Snell)首創(chuàng)三角測量法。此后，望遠鏡，游標尺，十字絲，測微器等相繼出現(xiàn)。天文學和物理學在地球形狀、重力場及其空間位置等方面也都提出了嶄新的觀念。荷蘭的哥白尼1543年創(chuàng)立了日心說，確定了地球在太陽系中的空間位置；2)第二階段——地球橢球階段17世紀末至19世紀下半葉，人德國的開普勒1619年發(fā)表了行星運動遵循的三大定律；意大利的伽里略1590年根據(jù)自由落體原理進行了第一次重力測量；荷蘭的惠更斯1673年提出用擺進行重力測量的原理，并推導了數(shù)學擺公式。牛頓于1687年根據(jù)他建立的萬有引力定律，經(jīng)論證認為：①在引力定律下，并繞一軸旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)流體物質(zhì)的均衡形狀，是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球；②重力加速度由赤道向兩極與(—地理緯度)成比例地增加。德國的開普勒1619年發(fā)表了行星運動遵循的三大定律；惠更斯也推導了地球的扁率。把地球質(zhì)量集中在球心，扁率等于赤道處離心力與引力之比的一半。人類進入了認識地球為旋轉(zhuǎn)橢球的新階段，幾何大地測量學得到形成和發(fā)展，物理大地測量學開始奠定基礎。

惠更斯也推導了地球的扁率。把地球質(zhì)量集中在球心，扁率等于赤道★取得的成績:1）長度單位的建立;2）最小二乘法的提出;3)橢球大地測量學的形成，解決了橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，以及將橢球面投影到平面的正形投影方法。4)弧度測量大規(guī)模展開;5)推算了不同的地球橢球參數(shù)。

★取得的成績:1）長度單位的建立;★基礎理論:(1)克萊羅定理的提出。是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。(2)重力位函數(shù)的提出。位函數(shù)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)等于引力在該方向上的分力。(3)地殼均衡學說的提出。導出均衡重力異常用于重力歸算。(4)重力測量有了進展。

2)第二階段——地橢球階段★基礎理論:(1)克萊羅定理的提出。是假設地球是由許多密度★存在的問題:外業(yè)測量的基準線是鉛垂線，方向是物理的重力方向；而橢球面計算基準線則是法線，方向則是幾何的垂直方向。重力方向相對法線方向有偏差，即所謂垂線偏差。地球表面每點的重力及其方向都不相同。地球表面是極其復雜的自然地面，不能用簡單數(shù)學關系式來表達，只能用控制點坐標來逐點描繪。

2)第二階段——地球橢球階段★存在的問題:外業(yè)測量的基準線是鉛垂線，方向是物理的重力方向由于海水面占全球表面大部分，且比較規(guī)則，在某種假設下，可認為海水面是重力等位面，并把它延伸到大陸下，得到一個遍及全球的等位面。

德國的李斯廷(J.B.Listing)1872年，把它命名為大地水準面。

人類認識地球形狀又產(chǎn)生了一次飛躍——即將橢球面推進到大地水準面的新階段。由于海水面占全球表面大部分，且比較規(guī)則，在某種假設下，可認為19世紀下半葉至20世紀40年代，對橢球的認識發(fā)展到是大地水準面包圍的大地體。

★幾何大地測量學的進展：

（1）天文大地網(wǎng)的布設有了重大發(fā)展；（2）因瓦基線尺出現(xiàn)帶平行玻璃板測微器的水準儀及因瓦水準尺使用；將天文大地測量同重力測量相結合代替天文水準等方面有較大進步。

3)第三階段——大地水準面階段19世紀下半葉至20世紀40年代，對橢球的認識發(fā)展到是大地水物理大地測量理論研究和實踐取得重大進展

(1)大地測量邊值問題理論的提出

克萊羅是以橢球面為邊界解決邊值問題的。

英國的斯托克司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。

荷蘭學者維寧·曼尼茲推出了以大地水準面為參考面的垂線偏差公式。

俄國學者莫洛金斯基直接利用地面上的重力觀測值求定地球形狀和外部重力場。

物理大地測量理論研究和實踐取得重大進展(1)大地測量邊值(2)提出了新的橢球參數(shù)

主要特點是用重力測量資料推求橢球扁率。赫爾默特橢球參數(shù)：海福特橢球參數(shù)：克拉索夫斯基橢球參數(shù)：

(2)提出了新的橢球參數(shù)主要特點是用重力測量資料推求橢球扁平差計算前對測量數(shù)據(jù)的歸算；馬爾可夫(Markov)在高斯平差理論的基礎上，提出了高斯—馬爾可夫的平差模型；荷蘭學者田斯特拉(Tienstra)完成了相關平差的理論；提出了分階段、分區(qū)以及分組平差的理論與實踐；矩陣及線性代數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計等相關學科理論引入測量平差中。

(3)測量數(shù)據(jù)處理和測量平差理論與實踐的發(fā)展

平差計算前對測量數(shù)據(jù)的歸算；(3)測量數(shù)據(jù)處理和測量平差理論距離測量的發(fā)展：1948年瑞典人貝爾斯特蘭德研制成功世界上第一臺光電測距儀；60年代出現(xiàn)了激光測距儀；1956年南非人沃德利研制成功世界第一臺微波測距儀；70年代德國首先研制成功測距、測角相結合的電子速測儀?！飳Ь€測量及測邊網(wǎng)、邊角網(wǎng)測量成為可能。

4)第四階段—現(xiàn)代大地測量新時期距離測量的發(fā)展：1948年瑞典人貝爾斯特蘭德研制成功世界上第空間技術的發(fā)展：20世紀70年代衛(wèi)星多普勒技術；海洋衛(wèi)星雷達測高；激光衛(wèi)星測距(SLR)等得到應用。80年代，美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)得到全面發(fā)展，并投入使用；俄羅斯也有相應的定位系統(tǒng)—GLONASS利用空間探測器、衛(wèi)星或空間飛行器，形成了月球和行星大地測量學。

空間技術的發(fā)展：20世紀70年代衛(wèi)星多普勒技術；控制網(wǎng)優(yōu)化和測量平差理論的發(fā)展20世紀60年代，荷蘭學者巴爾達重新研究并提出了大地控制網(wǎng)質(zhì)量標準問題，明確提出評價大地網(wǎng)質(zhì)量的三項標準：精度、可靠性和經(jīng)費。在精度標準中，提出準則矩陣的概念。在70年代，德國學者格拉法倫德等提出了人們公認的控制網(wǎng)優(yōu)化設計的四類分法及內(nèi)容，系統(tǒng)地引進了數(shù)學規(guī)劃的解法，并引進了準則矩陣的建立等問題。最小二乘配置法綜合了平差，濾波和推估，形成了廣義的最小二乘法平差理論。

控制網(wǎng)優(yōu)化和測量平差理論的發(fā)展20世紀60年代，荷蘭學者巴爾2、大地測量展望主導本學科發(fā)展的主要的空間大地測量技術

美國國防部自1973年開始研制的全球性的授時測距定位導航系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem)簡稱GPS。

前蘇聯(lián)也研制了相似的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)。

歐洲空間局也計劃建立相應的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)NAVSAT2、大地測量展望主導本學科發(fā)展的主要的空間大地測量技術主導本學科發(fā)展的主要的空間大地測量技術激光測衛(wèi)SLR(SatelliteLaserRanging)絕對定位技術。衛(wèi)星對衛(wèi)星的在軌衛(wèi)星之間激光測距系統(tǒng)與已有的海洋衛(wèi)星雷達測高系統(tǒng)組合成的全球陸地海洋衛(wèi)星激光測高系統(tǒng)。甚長基線干涉測量VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)慣性測量系統(tǒng)INS(1nertialNavigationSystem)主導本學科發(fā)展的主要的空間大地測量技術激光測衛(wèi)SLR(Sat控制測量學-課件空間大地網(wǎng)的建立：

用衛(wèi)星測量、激光測衛(wèi)及甚長基線干涉測量等空間大地測量技術建立大規(guī)模、高精度、多用途的空間大地測量控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及其重力場，建立大地基準參考框架，監(jiān)測地殼形變，保證空間技術及戰(zhàn)略武器發(fā)展的地面基準等科技任務的基本技術方案。精化地球重力場模型是大地測量學的重要發(fā)展目標?？臻g大地網(wǎng)的建立：用衛(wèi)星測量、激光測衛(wèi)及甚長基線干涉測量等控制測量學-課件控制測量學-課件控制測量學東華理工學院測量系控制測量學東華理工學院測量系第一章緒論一、大地測量學的定義和作用二、控制測量學的基本任務和內(nèi)容三、控制測量的基準面和基準線四、控制網(wǎng)的布設形式五、控制測量新技術的發(fā)展應用六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望第一章緒論一、大地測量學的定義和作用一、大地測量學的定義和體系大地測量學：

是“測定和描繪地球表面的科學”。※主要任務：測量和描繪地球并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關于地球的空間信息。包括：精確測定地球表面點的地理位置，研究地球形狀、大小和地球表面外部重力場，以及它們隨時間的變化。一、大地測量學的定義和體系大地測量學：※大地測量學的地位和作用

在國民經(jīng)濟各項建設和社會發(fā)展中，發(fā)揮著基礎先行的重要保證作用，是一切測繪科學技術的基礎。在防災、減災、救災及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護中發(fā)揮著獨具風貌的特殊作用。是發(fā)展空間技術和國防建設的重要保障。在當代地球科學研究中的地位更加重要?！蟮販y量學的地位和作用大地測量學的基本體系測量學大地測量學測量學的兩個分支研究范圍是不大的地球表面，把地球表面認為是平面且不損害測量精度，計算時也認為在該范圍內(nèi)的鉛垂線彼此是平行的。

研究全球或相當大范圍內(nèi)的地球，鉛垂線被認為彼此不平行，同時顧及地球的形狀及重力場。

大地測量學的基本體系測量學的兩個分支研究范圍是不大的地球表面常規(guī)大地測量學的基本體系：應用大地測量學——以研究建立國家大地測量控制網(wǎng)為中心內(nèi)容；橢球大地測量學——以研究坐標系建立及地球橢球性質(zhì)以及投影數(shù)學變換為主要內(nèi)容；天文大地測量學——以研究測量天文經(jīng)度、緯度及天文方位角為中心內(nèi)容；重力大地測量學——以研究重力場及重力測量方法為中心內(nèi)容；測量平差——以研究大地測量控制網(wǎng)平差計算為主要內(nèi)容；電磁波測距大地測量學——大地測量學同無線電電子學相結合；常規(guī)大地測量學的基本體系：應用大地測量學——以研究建立國家大與其它相關學科的發(fā)展相聯(lián)系：電磁波測距大地測量學—同無線電電子學相結合；宇宙大地測量學——與天體力學及天文學結合；海洋大地測量學——與海洋地質(zhì)學及海洋導航學結合

地球動力學——與地球物理、海洋地質(zhì)學及地質(zhì)學相結合；衛(wèi)星大地測量學——與人造地球衛(wèi)星學及天體力學相結合；慣性大地測量學

——以慣性原理為基礎，利用加速度計測量運動物體某方向加速度，通過計算機積分計算得到運動物體空間位置；現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)處理學

——與線性代數(shù)、矩陣、概率統(tǒng)計及優(yōu)化設計、數(shù)值計算方法等相結合；與其它相關學科的發(fā)展相聯(lián)系：現(xiàn)代大地測量學的基本體系(1)幾何大地測量學

確定地球的形狀、大小及地面點的幾何位置。主要內(nèi)容是關于國家大地測量控制網(wǎng)(平面和高程)建立的基本原理和方法，精密角度測量，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，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。

現(xiàn)代大地測量學的基本體系(1)幾何大地測量學確定地球的形狀現(xiàn)代大地測量學的基本體系（2）物理大地測量學

用物理方法(重力測量)確定地球形狀及其外部重力場。主要內(nèi)容包括位理論，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等。

現(xiàn)代大地測量學的基本體系（2）物理大地測量學用物理方法(重現(xiàn)代大地測量學的基本體系（3）空間大地測量學

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。新特征:測量范圍大；研究對象和范圍不斷深入、全面和精細；觀測精度高；測量周期短。現(xiàn)代大地測量學的基本體系（3）空間大地測量學以人造地球衛(wèi)星現(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容

(1)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，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。(2)研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。

(3)建立和維持具有高科技水平的國家和全球的天文大地水平控制網(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。現(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(1)確定地球形狀及外部重現(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(4)研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。(5)研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學變換及有關的大地測量計算。(6)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)學處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫建立及應用等?，F(xiàn)代大地測量學基本科學技術內(nèi)容(4)研究為獲得高精度測量成二、控制測量學的任務和內(nèi)容控制測量是研究精確測定地面點空間位置的學科

如（X、Y、Z）、（L、B、H）?？刂茰y量的特點：

服務對象主要是各種工程建設、城鎮(zhèn)建設和土地規(guī)劃與管理工作。測量范圍比大地測量小，測量手段、數(shù)據(jù)處理多樣化。

工程建設大體可分為設計、施工、運營3個階段設計階段------測圖控制網(wǎng)施工階段------施工控制網(wǎng)運營階段------變形觀測專用控制網(wǎng)二、控制測量學的任務和內(nèi)容控制測量是研究精確測定地面點空間位主要內(nèi)容：研究：國家大地控制網(wǎng)（平面與高程）的建立基本原理與方法；精密測角（方向）、測邊，精密水準測量；地球橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，橢球數(shù)學投影以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學模型等主要內(nèi)容：研究：三、地球形體和控制測量的基準面和基準線1.地球自然表面、地球體

地球的固體和液體部分相對于大氣的分界面地球自然表面包圍的形體

三、地球形體和控制測量的基準面和基準線1.地球自然表面、地球2、大地水準面、大地體重力（離心力、地心引力的合力）重力方向——鉛垂線方向水準面——靜止狀態(tài)的水面（無數(shù)個），重力位能相等。測量中，要求儀器的垂直軸與鉛垂線一致，故鉛垂線是外業(yè)測量工作的基準線。2、大地水準面、大地體重力測量中，要求儀器的垂直軸與鉛垂線一★大地水準面用占地球表面71%的海水面代替地球的形體，并作為測量外業(yè)工作統(tǒng)一的基準面——大地水準面。假定海洋的水體，只受重力作用，無潮汐、風浪影響，處于完全靜止和平衡狀態(tài)，將海洋的表面延伸到大陸的下面并處處保持著與垂線方向正交這一特點，也是一個水準面，稱這一特定的水準面為大地水準面。所包圍的形體稱大地體。★大地水準面用占地球表面71%的海水面代替地球的形體，并作為地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，地殼有高低起伏，所以重力方向有局部變化，致使處處與重力方向垂直的大地水準面也就不規(guī)則，它不能作為大地測量計算的基準面。必須尋找一個與大地體相近的，能用簡單的數(shù)學模型表示的規(guī)則體形代替——橢球面。地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，地殼有高低起伏，所以重力方向有局部變3、總地球橢球、參考橢球用來代替大地體的橢球體稱為地球橢球體。一個與大地體外形符合最好的地球橢球叫總地球橢球或平均地球橢球。

3、總地球橢球、參考橢球用來代替大地體的橢球體稱為地球橢球體總地球精球應滿足的三個條件：1．總質(zhì)量等于地球的總質(zhì)量，中心與地球的質(zhì)心重合，赤道平面與地球赤道面一致。2．旋轉(zhuǎn)角速度與地球的旋轉(zhuǎn)角速度相等。3．體積與大地體的體積相等。它的表面與大地水難面之間的差距的平方和為最小?？偟厍蚓蛎媸恰獋€理想的測量計算的基準面。

4、參考橢球面、參考橢球體

各國或地區(qū)為各自的大地測量工作需要，采用了參考橢球體，用參考橢球面作為測量計算的基準面。參考橢球只與某一個國家或某一地區(qū)的大地水準面符合較好的地球橢球體?？偟厍蚓驊獫M足的三個條件：4、參考橢球面、參考橢球體各國5、垂線偏差和大地水準面差距大地水準面的鉛垂線與橢球面的法線之間的夾角稱為垂線偏差。在某一點上，大地水準面超出橢球面的高差稱為大地水準面差距。它們是標志大地水準面和橢球面之間的差異的量。測量計算時要進行歸化。5、垂線偏差和大地水準面差距大地水準面的鉛垂線與橢球面的法線地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體四．控制網(wǎng)的布設形式1.水平控制網(wǎng)的布設形式1）三角網(wǎng)★網(wǎng)形定義觀測量：方向值測量基本原理和方法優(yōu)點：圖形簡單、精度高、多余觀測量多、便于計算。缺點：布網(wǎng)困難大四．控制網(wǎng)的布設形式1.水平控制網(wǎng)的布設形式★三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)和推算元素觀測量（觀測數(shù)據(jù)）：角度或方向值起算數(shù)據(jù)：X、Y、S．推算元素：由起算元素和觀測元素的平差值推算出的三角形邊長、方位角、點的坐標等?！铼毩⒕W(wǎng)與非獨立網(wǎng)（附合網(wǎng)）只有必要的一套起算數(shù)據(jù)（如一條邊、一個方位角和一個起算點坐標）多于一套起算數(shù)據(jù)★三角網(wǎng)起算數(shù)據(jù)和推算元素觀測量（觀測數(shù)據(jù)）：角度或方向值只控制測量學-課件2）導線網(wǎng)觀測值：角度（或方向）和邊長；起算數(shù)據(jù)：一個起算點（X、Y）、一個方向的方位角；優(yōu)點：各點上方向少、通視限制小、易于選點、無須造標；圖形靈活；邊長精度均勻。缺點：可靠性低。3）邊角網(wǎng)和測邊網(wǎng)（以三角形為基本圖形）4）GPS網(wǎng)2.高程控制網(wǎng)的布設形式（第五章節(jié)介紹）2）導線網(wǎng)觀測值：角度（或方向）和邊長；1、精密測角儀器的發(fā)展50年代——垂直度盤自動歸零補償器、光學對中器的改進。60年代——讀婁的數(shù)字化與自動化（電經(jīng)）；2、測距儀的發(fā)展

普通光源——激光測距儀——紅外測距儀●全站型電子速測儀五、控制測量新技術的發(fā)展應用1、精密測角儀器的發(fā)展五、控制測量新技術的發(fā)展應用3、精密水準儀的發(fā)展平板玻璃測微器自動安平水準儀“摩托化”水準測量數(shù)字水準儀3、精密水準儀的發(fā)展4、計算機在測量上的應用用于控制測量的數(shù)據(jù)處理用于現(xiàn)代化數(shù)據(jù)采集測繪資料檔案管理信息系統(tǒng)的建立4、計算機在測量上的應用5、三維激光掃描系統(tǒng)

工作原理

三維激光掃描儀向目標發(fā)射激光脈沖，依次掃描被測區(qū)域，快速獲得地面景觀的三維坐標和反射光強，利用軟件進行三維建模，生成地面景觀的三維圖象和可量測點陣數(shù)據(jù)，并可方便地轉(zhuǎn)化為多種輸出格式的圖形產(chǎn)品。1、體積小、重量輕，操作簡單、裝拆便利，具備良好的野外操作性能。

2、掃描范圍大、速度快、精度高。

3、快速建立三維景觀模型、圖形圖象數(shù)據(jù)一次獲取。

5、三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

三維激光掃描儀向目標發(fā)射激光6、GPS（GlobalPositioningSystem)系統(tǒng)N=?10個點控制整個北京1.68萬平方公里6、GPS（GlobalPositioningSyste控制測量學-課件7、慣性導航系統(tǒng)（INS系統(tǒng)）導航是引導載體到達預定目的地的過程。導航分為無線電導航、天文導航、衛(wèi)星導航及慣性導航。慣性導航則是利用慣性測量元件測量載體相對于慣性空間的運動參數(shù)，然后在給定的初始條件下推算出導航參數(shù)，引導載體到達目的地的技術。慣性導航技術的理論基礎是牛頓力學基本定律。慣性導航僅依靠慣性裝置本身就能在載體內(nèi)部獨立地完成導航任務，不需要與外界發(fā)生任何信號聯(lián)系，具有高度的自主性。

武器系統(tǒng)的發(fā)展和需求，促進了慣性技術的發(fā)展。

慣性導航裝置最先用于飛機，以后成功地用于艦船。

80年代中期以后，以激光陀螺和光纖陀螺為基礎的地面導航系統(tǒng)逐步發(fā)展起來。

7、慣性導航系統(tǒng)（INS系統(tǒng)）導航是引導載體到達預六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望1、大地測量學發(fā)展簡史1)第一階段——地球圓球階段

2)第二階段——地球橢球階段

3)第三階段——大地水準面階段

4)第四階段——現(xiàn)代大地測量新時期

六、大地測量學的發(fā)展簡史與展望1、大地測量學發(fā)展簡史1)第一階段——地球圓球階段從遠古至17世紀末，人們把地球認為是圓球。公元前3世紀，亞歷山大學者埃拉托色尼首次用子午圈弧長測量法來估算地球半徑，分為兩種測量：一是屬于天文部分：子午圈弧長兩端點的緯度差；一是屬于大地部分：兩端點間的子午圈弧長。到15～16世紀文藝復興浪潮席卷歐洲時，以哥白尼、伽里略及牛頓等為代表的一批科學家擺脫宗教枷鎖后，才在自然科學方面獲得一系列的驚人發(fā)明和創(chuàng)造，促進了大地測量學的萌芽和形成。

1)第一階段——地球圓球階段從遠古至17世紀末，人們2)第二階段——地球橢球階段17世紀末至19世紀下半葉，人們把地球的認識推進到向兩極略扁的橢球。17世紀初，荷蘭人斯涅耳(W．Snell)首創(chuàng)三角測量法。此后，望遠鏡，游標尺，十字絲，測微器等相繼出現(xiàn)。天文學和物理學在地球形狀、重力場及其空間位置等方面也都提出了嶄新的觀念。荷蘭的哥白尼1543年創(chuàng)立了日心說，確定了地球在太陽系中的空間位置；2)第二階段——地球橢球階段17世紀末至19世紀下半葉，人德國的開普勒1619年發(fā)表了行星運動遵循的三大定律；意大利的伽里略1590年根據(jù)自由落體原理進行了第一次重力測量；荷蘭的惠更斯1673年提出用擺進行重力測量的原理，并推導了數(shù)學擺公式。牛頓于1687年根據(jù)他建立的萬有引力定律，經(jīng)論證認為：①在引力定律下，并繞一軸旋轉(zhuǎn)的均質(zhì)流體物質(zhì)的均衡形狀，是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球；②重力加速度由赤道向兩極與(—地理緯度)成比例地增加。德國的開普勒1619年發(fā)表了行星運動遵循的三大定律；惠更斯也推導了地球的扁率。把地球質(zhì)量集中在球心，扁率等于赤道處離心力與引力之比的一半。人類進入了認識地球為旋轉(zhuǎn)橢球的新階段，幾何大地測量學得到形成和發(fā)展，物理大地測量學開始奠定基礎。

惠更斯也推導了地球的扁率。把地球質(zhì)量集中在球心，扁率等于赤道★取得的成績:1）長度單位的建立;2）最小二乘法的提出;3)橢球大地測量學的形成，解決了橢球數(shù)學性質(zhì)，橢球面上測量計算，以及將橢球面投影到平面的正形投影方法。4)弧度測量大規(guī)模展開;5)推算了不同的地球橢球參數(shù)。

★取得的成績:1）長度單位的建立;★基礎理論:(1)克萊羅定理的提出。是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。(2)重力位函數(shù)的提出。位函數(shù)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)等于引力在該方向上的分力。(3)地殼均衡學說的提出。導出均衡重力異常用于重力歸算。(4)重力測量有了進展。

2)第二階段——地橢球階段★基礎理論:(1)克萊羅定理的提出。是假設地球是由許多密度★存在的問題:外業(yè)測量的基準線是鉛垂線，方向是物理的重力方向；而橢球面計算基準線則是法線，方向則是幾何的垂直方向。重力方向相對法線方向有偏差，即所謂垂線偏差。地球表面每點的重力及其方向都不相同。地球表面是極其復雜的自然地面，不能用簡單數(shù)學關系式來表達，只能用控制點坐標來逐點描繪。

2)第二階段——地球橢球階段★存在的問題:外業(yè)測量的基準線是鉛垂線，方向是物理的重力方向由于海水面占全球表面大部分，且比較規(guī)則，在某種假設下，可認為海水面是重力等位面，并把它延伸到大陸下，得到一個遍及全球的等位面。

德國的李斯廷(J.B.Listing)1872年，把它命名為大地水準面。

人類認識地球形狀又產(chǎn)生了一次飛躍——即將橢球面推進到大地水準面的新階段。由于海水面占全球表面大部分，且比較規(guī)則，在某種假設下，可認為19世紀下半葉至20世紀40年代，對橢球的認識發(fā)展到是大地水準面包圍的大地體。

★幾何大地測量學的進展：

（1）天文大地網(wǎng)的布設有了重大發(fā)展；（2）因瓦基線尺出現(xiàn)帶平行玻璃板測微器的水準儀及因瓦水準尺使用；將天文大地測量同重力測量相結合代替天文水準等方面有較大進步。

3)第三階段——大地水準面階段19世紀下半葉至20世紀40年代，對橢球的認識發(fā)展到是大地水物理大地測量理論研究和實踐取得重大進展

(1)大地測量