第一課大地測量基礎(chǔ)注冊測繪師考試

第一課大地測量基礎(chǔ)注冊測繪師考試講義測繪師搖籃-斑點(diǎn)牛主講測繪師論壇提供一、坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)地球的運(yùn)動(dòng)：主要有四種1、跟隨宇宙一起運(yùn)動(dòng)2、跟隨銀河系一起運(yùn)動(dòng)3、圍繞太陽的周年視運(yùn)動(dòng)4、圍繞瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸的周日視運(yùn)動(dòng)大地測量主要研究后兩種。地球公轉(zhuǎn)遵循開普勒三大定律公轉(zhuǎn)的軌道呈一個(gè)橢圓，叫黃道近日點(diǎn)：黃道中距離太陽最近的點(diǎn)，地球速度最快遠(yuǎn)日點(diǎn)：黃道中距離太陽最遠(yuǎn)的點(diǎn)，地球速度最慢太陽位置位于黃道的兩個(gè)焦點(diǎn)之一上地球自轉(zhuǎn)地球受日月引力和其他因素影響其自轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)軸指向都是不斷變化的。1、地軸指向相對于空間的變化2、地軸指向相對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化3、自轉(zhuǎn)速度的變化地軸指向相對于空間的變化歲差：在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，類似于旋轉(zhuǎn)陀螺在重力場中的運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)倒圓錐體,角度等于黃赤交角23.5度,是地軸相對于空間的長周期運(yùn)動(dòng)(26000年)，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差。地軸指向相對于空間的變化春分點(diǎn)：春分點(diǎn)就是在天球坐標(biāo)系中，地球的赤道與黃道平行從南向北穿過赤道時(shí)所處的位置。在春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)，黃道面和赤道面重合。春分點(diǎn)是天球坐標(biāo)系的重要參考，它的西移造成了與之有關(guān)的坐標(biāo)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差地軸指向相對于空間的變化章動(dòng)：月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，和黃道有5度的夾角，使月球?qū)Φ厍虻囊α夭粩嘧兓?，從而?dǎo)致地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加18.6年的短周期元素，這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。地軸指向相對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化極移：此外還存在著相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化，由于地球本身質(zhì)量分布不均勻?qū)е碌厍蜃赞D(zhuǎn)軸在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象稱為極移。某一觀測瞬間地球北極點(diǎn)所在的位置稱為瞬時(shí)極，某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置稱為平極。目前從事極移觀測工作的國際機(jī)構(gòu)是國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)。國際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)和國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)(IUGG)在1967年建議采用1900年到1905年的平均緯度所確定的平級作為基準(zhǔn)點(diǎn)稱為國協(xié)議原點(diǎn)CIO。國際極移服務(wù)(IPMS,IERS的前身)和國際時(shí)間局(BIH)采用非剛體地球理論融合傳統(tǒng)光學(xué)觀測技術(shù)和空間觀測技術(shù)得到新的協(xié)議地極(CTP),WGS84和ITRF都采用以1984.0為參考?xì)v元的CTP作為Z軸指向。JYD1968.0(80坐標(biāo)系采用極原點(diǎn)系統(tǒng)，以歷元1968年的瞬時(shí)地極為協(xié)議原點(diǎn)，1968年BIH開始啟用CIO系統(tǒng))自轉(zhuǎn)速度的變化地球自轉(zhuǎn)不是均勻的，存在著短周期和長期變化，長期變化表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)速度緩慢變小。自轉(zhuǎn)速度的變化導(dǎo)致以自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時(shí)間尺度產(chǎn)生變化。描述以上三種地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的參數(shù)稱為地球定向參數(shù)(EOP),描述地球自轉(zhuǎn)速度變化和描述極移的參數(shù)，稱為地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(ERP),EOP即為ERP加上歲差和章動(dòng)。時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)：是建立在規(guī)定秒長的時(shí)間頻率基準(zhǔn)之上，包括時(shí)刻參考標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間間隔尺度標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間框架：時(shí)間框架是指特定覆蓋區(qū)域內(nèi)，通過授時(shí)，守時(shí)，時(shí)間頻率測量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)和維持的時(shí)間系統(tǒng)，是時(shí)間系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。歷元：對于衛(wèi)星系統(tǒng)和天文學(xué)某一事件相應(yīng)的時(shí)刻。時(shí)間系統(tǒng)恒星時(shí)ST：春分點(diǎn)經(jīng)過同一子午圈中天時(shí)間間隔為一個(gè)恒星日。依據(jù)真地極和平極分為真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。世界時(shí)UT：平太陽經(jīng)過同一子午圈中天時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽日。以格林尼治子夜起算的平太陽時(shí)稱為世界時(shí)。未經(jīng)任何改正的世界時(shí)表示為UT0,經(jīng)過極移改正的世界時(shí)表示為UT1，進(jìn)一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正后的世界時(shí)表示為UT2。由于一個(gè)恒星時(shí)正好是一個(gè)自轉(zhuǎn)周期，而以平太陽為參照的世界時(shí)受公轉(zhuǎn)影響實(shí)際超過自轉(zhuǎn)量，所以兩者不相等。以世界時(shí)為尺度，一個(gè)恒星日，等于23小時(shí)56分零四秒。時(shí)間系統(tǒng)歷書時(shí)ET,由于ST和UT都是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)，自轉(zhuǎn)速度不均勻?qū)е聹y得的時(shí)間不均勻,國際天文學(xué)協(xié)會(huì)IAU決定用地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的歷書時(shí)來代替世界時(shí)。根據(jù)廣義相對論，太陽質(zhì)心系和地心系的時(shí)間將不相同，分為太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDB)和地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDT)。TDT代替過去的ET。儒略日：為了便于計(jì)算兩個(gè)給定日期的天數(shù)而引入儒略日(JD，起點(diǎn)公元前4713),由于數(shù)字很大,通常采用簡化儒略日(MJD，起點(diǎn)1858年11月17日),36525個(gè)平太陽日為一個(gè)儒略世紀(jì)。時(shí)間系統(tǒng)原子時(shí)AT：以大地水準(zhǔn)面上的銫原子內(nèi)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷輻射的電磁波周期為基準(zhǔn)。國際時(shí)間局BIH綜合世界各地原子鐘數(shù)據(jù)最后確定的原子時(shí)，稱為國際原子時(shí)。簡稱TAI。1958年1月1日零時(shí)開始啟用。即規(guī)定在這一瞬間原子時(shí)時(shí)刻與世界時(shí)刻重合，但是事后發(fā)現(xiàn)在該瞬間于與世界時(shí)的時(shí)刻之差為0.0039秒。由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，原子時(shí)與世界時(shí)之間的時(shí)差逐年累積。原子時(shí)的精度高達(dá)10的負(fù)12次秒。時(shí)間系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)UTC：世界時(shí)時(shí)刻和原子時(shí)秒長結(jié)合的時(shí)間系統(tǒng)。閏秒：當(dāng)UTC超過平太陽時(shí)之差超過0.9秒時(shí)撥快或撥慢一秒稱為閏秒。由國際計(jì)量局在每年12月份最后一分鐘向全世界發(fā)出通知，一秒不夠的話在6月再閏一秒。由于地球自轉(zhuǎn)速度越來越慢，出現(xiàn)負(fù)閏秒的情況從沒發(fā)生。時(shí)間系統(tǒng)GPS時(shí)GPST：由GPS星載原子鐘和地面監(jiān)控站原子鐘組成的時(shí)間系統(tǒng)，由美國海軍觀測實(shí)驗(yàn)室維持。和TAI保持19秒的差，并與1980年1月6日零時(shí)與UTC保持一致。由于GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過與GPS信號來比對本地時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的情況越來越普遍。GPST屬于地方性的原子時(shí)，和國際原子時(shí)并不一致。坐標(biāo)系統(tǒng)大地測量坐標(biāo)參考系統(tǒng)分為天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。天球：以地球質(zhì)心為中心，以無窮大為半徑的假想球體稱為天球。春分點(diǎn)和天球赤道面是建立天球坐標(biāo)系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。建立大地基準(zhǔn)就是求定旋轉(zhuǎn)橢球的參數(shù)(形狀)及其定向(旋轉(zhuǎn)軸和起始子午面)和定位(橢球中心)。坐標(biāo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)橢球：橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的形體，是一個(gè)規(guī)則的幾何體，可以進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以作為地球坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)。定位就是確定橢球中心位置，分為2類：局部定位和地心定位局部定位要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，對橢球的中心位置，沒有特殊要求。地心定位，要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，同時(shí)要求橢球中心與地球質(zhì)心一致或最為接近。定向就是確定旋轉(zhuǎn)軸方向，必須滿足兩個(gè)條件：橢球短軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸。

大地起始子午面平行于天文起始子午面。坐標(biāo)系統(tǒng)參考橢球：在確定形狀參數(shù)（長半軸和扁率）后經(jīng)過局部定位和定向，同某一地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳擬合的地球橢球?？偟厍驒E球：滿足地心定位和雙平行條件外，在確定形狀參數(shù)后同全球大地水準(zhǔn)面最佳擬合的地球橢球。坐標(biāo)系統(tǒng)協(xié)議慣性坐標(biāo)系：根據(jù)統(tǒng)一的約定建立近似的慣性坐標(biāo)系，他在空間固定不動(dòng)，或做勻速直線運(yùn)動(dòng)。地固坐標(biāo)系：也稱地球坐標(biāo)系，是固定在地球上，與地球一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。分為地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系，分別對應(yīng)總地球橢球和參考地球橢球。都具有大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式。協(xié)議地球坐標(biāo)系：國際上通用的坐標(biāo)系一般采用協(xié)議地極方向CTP作為Z軸指向，因而稱作協(xié)議地球坐標(biāo)系。與之相對，以瞬時(shí)地極為Z軸指向的稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)參心坐標(biāo)系：54坐標(biāo)系，80坐標(biāo)系，新54坐標(biāo)系。參考橢球的定位：一點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位。一點(diǎn)定位：在設(shè)置坐標(biāo)系初期由于缺少基本參數(shù)，只能把定位參數(shù)設(shè)為0，在大地原點(diǎn)處橢球的法線方向和鉛垂線方向重合，橢球面與大地水準(zhǔn)面相切。多點(diǎn)定位：在一點(diǎn)定位后利用許多拉普拉斯點(diǎn)采用最小二乘法重新求定定位參數(shù)。在大地原點(diǎn)上橢球面不再同大地水準(zhǔn)面相切，但在所使用的天文大地網(wǎng)資料范圍內(nèi)，橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的密合。大地原點(diǎn)：也稱大地基準(zhǔn)點(diǎn)或大地起算點(diǎn)，其數(shù)據(jù)也稱作大地測量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)或大地測量起算數(shù)據(jù)。對于經(jīng)典的參心大地坐標(biāo)系的建立而言，參考橢球的定位和定向是通過確定大地原點(diǎn)的大地起算數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。因此一定的參考橢球和一定的大地原點(diǎn)上的大地起算數(shù)據(jù)確定了一定的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)54坐標(biāo)系：原點(diǎn)在蘇聯(lián)普爾科沃，橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球，是原蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系在中國的延伸。橢球參數(shù)：長半軸6378245，扁率1/298.3；缺點(diǎn)：1、橢球參數(shù)有較大誤差。2、與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜，東部最大誤差達(dá)到68米。3、幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。4、定向不明確，定向沒有采用國際慣用的CIO，也沒有采用我國的JYD，起始子午面不是BIH定義的格林尼治子午面。5、局部平差。坐標(biāo)系統(tǒng)80坐標(biāo)系：原點(diǎn)在西安，采用IAG75橢球參數(shù)，

長半軸=6378140m，GM=3.986005?10^14m3/s2,J2=1.08263×10∧-3,w=7.292115×10∧-5rad/s,

扁率=1/298.257，橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向我國地極原點(diǎn)JYD1968.0方向，起始子午面是BIH定義的格林尼治子午面。橢球定位參數(shù)以我國范圍內(nèi)高程異常值平方和等于最小為條件求解。多點(diǎn)定位。進(jìn)行了整體平差。高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系。坐標(biāo)系統(tǒng)新54坐標(biāo)系：是80坐標(biāo)系和54坐標(biāo)系的過渡。在80基礎(chǔ)上改變IAG75橢球參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將坐標(biāo)原點(diǎn)平移使坐標(biāo)軸保持平行而建立起來的。多點(diǎn)定位，但橢球面與大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)不是最佳擬合。定向明確，指向JYD1968。大地原點(diǎn)與80坐標(biāo)系相同，但起算數(shù)據(jù)不同。整體平差，與54坐標(biāo)系只能在局部轉(zhuǎn)換。高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系。坐標(biāo)系統(tǒng)地心坐標(biāo)系：建立的方法可分為直接法和間接法兩種。直接法就是直接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法。如天文重力法，衛(wèi)星大地測量法等。間接法是求得地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，間接求得地心坐標(biāo)的方法。地心坐標(biāo)系4個(gè)條件：

原點(diǎn)為地球質(zhì)心；

廣義相對論下的某局部地球框架內(nèi)尺度；

BIH定義的歷元協(xié)議地級及零子午線作為地球定向參數(shù)（EOP）；

定向隨時(shí)間演變滿足地殼無整體運(yùn)動(dòng)的約束條件。

坐標(biāo)系統(tǒng)WGS-84：Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地級CTP，X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道交點(diǎn)，Y軸垂直于XMZ平面，構(gòu)成右手系。是目前GPS廣播星歷和美國國家大地測量測量局NGS精密星歷的坐標(biāo)參考基準(zhǔn)。長半軸：6378137m,GM=3.986005?10^14m3/s2,w=7.292115×10∧-5rad/s,扁率=1/298.257223563，坐標(biāo)系統(tǒng)IERS,由IUGG和IAU共同建立任務(wù)，維持國際天球參考系統(tǒng)(ICRS)和國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)及框架，提供地球自轉(zhuǎn)參數(shù)EOP,ITRS,是一種協(xié)議地球參考系統(tǒng)，它的定義為：原點(diǎn)為地球質(zhì)心；長度單位為米，廣義相對論框架內(nèi)尺度；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地級CTP,X軸指向格林尼治平均子午面與CTP赤道交點(diǎn)，Y軸與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系；時(shí)間演變基準(zhǔn)是使用滿足無整體旋轉(zhuǎn)條件的板塊運(yùn)動(dòng)模型（只能近似達(dá)到）。ITRF是ITRS的具體實(shí)現(xiàn)。它以甚長基線干涉測量（VLBI，相距幾千公里的基線兩端用射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)接發(fā)來自河外的信號）、衛(wèi)星激光測距（SLR，絕對定位精度最高，分為空基和地基）、激光測月（LLR）、GPS、衛(wèi)星多普勒定軌定位（DORIS單向雙頻地基多功能系統(tǒng)）等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成全球觀測網(wǎng)點(diǎn)得到站坐標(biāo)和速度場。每年以IERS年報(bào)和備忘錄形式發(fā)布。坐標(biāo)系統(tǒng)IGS站：國際GNSS服務(wù)組織。主要任務(wù)是：為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）提供高精度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，以支持地球科學(xué)研究、多學(xué)科應(yīng)用和教育。

為完成使命，IGS下設(shè)有若干機(jī)構(gòu)：一個(gè)由超過350個(gè)連續(xù)運(yùn)行雙頻GPS觀測站構(gòu)成的全球網(wǎng)絡(luò)；

自從20世紀(jì)80年代末期，美國全球定位系統(tǒng)（GPS）在區(qū)域性和全球性的地球研究中扮演了重要角色。面對日益增長的和多樣化的GPS應(yīng)用，全球很多科學(xué)組織都做了大量努力來提高GPS數(shù)據(jù)獲取和分析的國際標(biāo)準(zhǔn)，于是成立一個(gè)公共的、全球性的跟蹤系統(tǒng)。坐標(biāo)系統(tǒng)2000國家大地坐標(biāo)系：實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是使CGCS框架與ITRF97在2000.0歷元一致，Z軸由原點(diǎn)指向BIH1984.0定義的CTP，X軸由原點(diǎn)指向IERS參考子午面與地球赤道面的交點(diǎn)，Y與Z，X軸構(gòu)成右手系。包括：GPSA、B級網(wǎng)，總參GPS一二級網(wǎng)，中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)，相對精度達(dá)到10-9。2008-7-1日開始啟用，過渡期8年。長半軸：6378137，GM=3.986004418?10^14m3/s2,w=7.292115×10∧-5rad/s,扁率=1/298.257222101。坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：分為整體轉(zhuǎn)換法，分區(qū)轉(zhuǎn)換法。二維轉(zhuǎn)換需要2個(gè)重合點(diǎn)且只需要二維坐標(biāo)，適合于小區(qū)域轉(zhuǎn)換，分為平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型；三維3個(gè)重合點(diǎn)，需要三維坐標(biāo)，適合于任何區(qū)域；轉(zhuǎn)換模型：四參數(shù)：2個(gè)平移，1個(gè)縮放，1個(gè)旋轉(zhuǎn)；七參數(shù)：3個(gè)平移，3個(gè)旋轉(zhuǎn)，1個(gè)縮放。所選公共點(diǎn)均勻分布，能覆蓋控制整個(gè)測區(qū)。布爾沙模型適用于大范圍，莫洛堅(jiān)斯基模型用于小范圍。不同大地坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換（直接轉(zhuǎn)換時(shí)加兩個(gè)橢球元素變化參數(shù)變成9參數(shù)），先各自轉(zhuǎn)為空間直角坐標(biāo)系，再通過三維模型用最小二乘法求轉(zhuǎn)換參數(shù)。二、地球重力場基本理論地球外部重力場的意義：地球重力場是大地測量大多數(shù)觀測的參考系，是觀測量歸算到幾何參考系的必要已知量。對于高程測量來說，最重要的基準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面（理想化的海洋面）是重力場中的一個(gè)水準(zhǔn)面。地面重力值是確定地球形狀的主要參數(shù)。地球外部重力場是現(xiàn)代空間探索技術(shù)的理論基礎(chǔ)。重力位重力是引力和離心力的合力，重力位是引力位和離心力位之和。由于地球曲率半徑在極點(diǎn)最大，重力也從赤道向兩極逐漸增大，由于地球物質(zhì)的密度分布極其復(fù)雜，而且不規(guī)則，無法精確求出地球的重力位，為此引入一個(gè)近似的重力位，即正常重力位。已知正常重力位，再求出它與地球重力位的差異，又稱擾動(dòng)位，就確定了地球重力位。重力位正常重力場：設(shè)旋轉(zhuǎn)橢球與實(shí)際地球質(zhì)量相等，并與地球一起旋轉(zhuǎn)，把這個(gè)橢球定義為其本身重力場中的一個(gè)等位面，并且這個(gè)重力場中的鉛垂線方向與橢球面相垂直，這些特性所決定的旋轉(zhuǎn)橢球的重力場稱為正常重力場，橢球稱為正常橢球，也稱為水準(zhǔn)橢球，是大地水準(zhǔn)面的規(guī)則形狀。正常重力位可以用四個(gè)確定的常數(shù)完整的表達(dá)，即4個(gè)大地測量基準(zhǔn)常數(shù)：長半徑a，地心引力常數(shù)（重力加速度與質(zhì)量乘積）GM，地球動(dòng)力學(xué)形狀因子(二階帶球諧系數(shù))J2，自轉(zhuǎn)角速度（ω）。引入正常橢球后，地球重力位被分成正常重力位和擾動(dòng)位兩部分，實(shí)際重力被分成正常重力和重力異常兩部分，目前采用水準(zhǔn)橢球作為正常橢球，也稱為等位橢球。除了確定以上參數(shù)，正常橢球也需要定向和定位，其原點(diǎn)與地球質(zhì)心重合。如果從幾何和物理兩方面考慮，可以把總地球橢球看做最密合于大地體的正常橢球。高程系統(tǒng)由于地面點(diǎn)需要?dú)w算到橢球面上，所以大地高由兩個(gè)部分組成，即地面點(diǎn)的地形高和（似）大地水準(zhǔn)面高，大地水準(zhǔn)面高又稱大地水準(zhǔn)面差距，似大地水準(zhǔn)面高又稱高程異常。由于水準(zhǔn)面是重力等位面，而重力是不斷隨著地球物質(zhì)的變化而變化，所以水準(zhǔn)面不是恒定不動(dòng)的，它具有多值性，水準(zhǔn)面不平行引起的水準(zhǔn)環(huán)線閉合差叫理論閉合差。這就需要引入高程系統(tǒng)，因?yàn)楣潭似鹚闼疁?zhǔn)面所以只會(huì)有一個(gè)真實(shí)值。高程系統(tǒng)分三類：正高，正常高，力高。高程系統(tǒng)大地水準(zhǔn)面：一個(gè)假想的、與靜止海水面相重合的重力等位面，以及這個(gè)面向大陸底部的延伸面。對應(yīng)正高系統(tǒng)。由于重力位無法精確測定，故正高也不能精確求得，用正常重力位代替真實(shí)重力位即得到正常高。似大地水準(zhǔn)面：正常高不是地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的距離，而是到一個(gè)與大地水準(zhǔn)面極為接近的基準(zhǔn)面的距離，這個(gè)面稱為似大地水準(zhǔn)面，似大地水準(zhǔn)面是由地面沿垂線向下量取正常高所得的點(diǎn)形成的連續(xù)曲面，他不是水準(zhǔn)面，只是用于計(jì)算的輔助面。在海洋面上大地水準(zhǔn)面與似大地水準(zhǔn)面重合，所以大地水準(zhǔn)面的高程原點(diǎn)對似大地水準(zhǔn)面也是同樣適用。力高：因?yàn)橥粋€(gè)重力位水準(zhǔn)面上的兩點(diǎn)的正高或者正常高不等，當(dāng)需要有一個(gè)等高面時(shí)，需引入力高系統(tǒng)，即水準(zhǔn)面在緯度45°處的正常高，力高是區(qū)域性的，主要用于大型水庫等工程建設(shè)中，不能作為國家統(tǒng)一的高程系統(tǒng)。地面上的點(diǎn)，相對于高程基準(zhǔn)面的高度，通常稱為絕對高程或海拔高程。一般由原點(diǎn)和若干個(gè)附點(diǎn)組成一個(gè)中心多邊形的國家水準(zhǔn)原點(diǎn)網(wǎng)，我國的原點(diǎn)網(wǎng)由一個(gè)原點(diǎn)，兩個(gè)附點(diǎn)，三個(gè)參考點(diǎn)組成。海上島嶼不能與國家高程網(wǎng)直接聯(lián)測時(shí)應(yīng)建立局部水準(zhǔn)原點(diǎn)，根據(jù)島上驗(yàn)潮站平均海水面的觀測確定高程基準(zhǔn)。垂線偏差的測定天文大地垂線偏差：垂線同總地球橢球(或參考橢球)法線構(gòu)成的角度稱為絕對(或相對)垂線偏差，統(tǒng)稱為天文大地垂線偏差。重力垂線偏差：實(shí)際重力場中的重力向量同正常重力場中的正常重力向量之間的夾角稱為重力垂線偏差。在精度不高的時(shí)候可以把總橢球看做正常橢球。在高精度測量中，正常橢球的力線與總橢球的法線要加以區(qū)分。測定垂線偏差一般有以下四種方法，1、天文大地測量方法：在天文大地點(diǎn)上測量大地坐標(biāo)，可以達(dá)到很高精度，但是只適用少量天文點(diǎn)。2、天文重力測量方法：天文測量結(jié)合重力測量內(nèi)插求得。3、GPS方法：適用于要求地形平坦，基線不長，精度要求低的情況。4、重力測量方法：由于參數(shù)不全還沒有得到獨(dú)立應(yīng)用。大地水準(zhǔn)面差距的測定和地球形狀的確定測定大地水準(zhǔn)面差距一般有以下幾種方法：地球重力場模型法(求擾動(dòng)位)，斯托克司公式方法，衛(wèi)星無線電測高方法(最有效的方法，即衛(wèi)星水準(zhǔn)法)GPS擬合法(小范圍地區(qū))，最小二乘配置法(用多種觀測資料一起處理解算)。確定地球形狀的基本方法有三種：

1、天文大地測量方法：大地點(diǎn)間的相對位置比較精確，因此就有可能比較好的效果確定橢球大小和扁率，缺點(diǎn)是止能在天文大地點(diǎn)上進(jìn)行，只具有幾何意義。

2、重力測量方法：計(jì)算擾動(dòng)位，重力測量數(shù)據(jù)有限得不到精度高的結(jié)果。

3、空間大地測量方法：衛(wèi)星的正常軌道用六個(gè)參數(shù)決定，軌道長半軸，軌道偏心率(決定軌道形狀)，升交點(diǎn)赤徑，升交點(diǎn)處軌道傾角，(決定位置)近地點(diǎn)角(軌道面指向)，平近點(diǎn)角(衛(wèi)星經(jīng)過近地點(diǎn)的時(shí)刻)。

為了確定六個(gè)軌道參數(shù)必須至少要有六個(gè)觀測值。通過軌道攝動(dòng)推求引力值，從而確定地球引力場中的球諧函數(shù)系數(shù)。三、地球橢球及投影橢球基本幾何參數(shù)：大地測量常數(shù)分為基本常數(shù)和導(dǎo)出常數(shù)，基本常數(shù)唯一定義了橢球，導(dǎo)出常數(shù)便于應(yīng)用，五個(gè)基本幾何參數(shù)為：長半軸a，短半軸b，扁率，(a－b)/a,第一偏心率√a2-b2/a，第二偏心率√a2-b2/b）。只要知道其中包含任一長度參數(shù)的兩個(gè)參數(shù)就能唯一定義橢球形狀。地球橢球及投影大地坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)：是整個(gè)橢球體上統(tǒng)一的坐標(biāo)系，它與同一點(diǎn)的天文坐標(biāo)比較可以確定該點(diǎn)的垂線偏差大小。子午面直角坐標(biāo)系：以子午圈橢圓中心為原點(diǎn)建立的平面直角坐標(biāo)系，用地點(diǎn)的所在經(jīng)度，橫軸，縱軸表示。地心緯度坐標(biāo)系：以子午圈橢圓中心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，用地點(diǎn)的所在經(jīng)度及緯度角和向徑表示。歸化緯度坐標(biāo)系：地心緯度坐標(biāo)系中的地點(diǎn)歸化到以長軸為半徑的輔助圓上的坐標(biāo)系。大地極坐標(biāo)系：橢球面上，以地點(diǎn)為原點(diǎn)，子午線為極軸，大地線為極徑形成的坐標(biāo)系。橢球面上的極坐標(biāo)與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換叫做大地主題解算。橢球面曲率半徑法截面：包含過橢球面上任意一點(diǎn)的法線的平面叫法截面。法截面與橢球面的交線叫做法截線。一條法線有無數(shù)個(gè)法截面。不同方向的法截弧的曲率半徑都不相同。子午圈曲率半徑在赤道上小于赤道半徑，隨著緯度的增大而增大，在極點(diǎn)上等于極曲率半徑，a2/b。卯酉圈，與該點(diǎn)子午面垂直的法截面與橢球交線。它的曲率中心正好位于橢球的旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)緯度為零時(shí)卯酉圈就是赤道，隨著緯度的增加，卯酉圈的曲率半徑真增大，緯度為90度時(shí)等于極曲率半徑。子午圈曲率半徑與卯酉圈曲率半徑統(tǒng)稱為主曲率半徑。子午法截弧是南北方向，方位角為零度或者180度，卯酉法截弧是東西方向，方位角為90度，或者270度。在地點(diǎn)上正交。任意方向法截弧的曲率半徑的極小值即子午圈曲率半徑，極大值即卯酉圈曲率半徑。曲面上任意一點(diǎn)的平均曲率半徑是該點(diǎn)上主曲率半徑的幾何平均值。橢球面曲率半徑法截面：包含過橢球面上任意一點(diǎn)的法線的平面叫法截面。法截面與橢球面的交線叫做法截線。一條法線有無數(shù)個(gè)法截面。不同方向的法截弧的曲率半徑都不相同。子午圈曲率半徑在赤道上小于赤道半徑，隨著緯度的增大而增大，在極點(diǎn)上等于極曲率半徑，a2/b。卯酉圈，與該點(diǎn)子午面垂直的法截面與橢球交線。它的曲率中心正好位于橢球的旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)緯度為零時(shí)卯酉圈就是赤道，隨著緯度的增加，卯酉圈的曲率半徑真增大，緯度為90度時(shí)等于極曲率半徑。子午圈曲率半徑與卯酉圈曲率半徑統(tǒng)稱為主曲率半徑。子午法截弧是南北方向，方位角為零度或者180度，卯酉法截弧是東西方向，方位角為90度，或者270度。在地點(diǎn)上正交。任意方向法截弧的曲率半徑的極小值即子午圈曲率半徑，極大值即卯酉圈曲率半徑。曲面上任意一點(diǎn)的平均