第二章 (2)大地測量學.ppt

1、,第二章 大地測量學,海洋科學學院海洋信息工程系,沈蔚 博士,空間測量與制圖 4209903,2007-6-8,2,測繪的基礎-大地測量是一項具有超前性的測繪基礎工作。也是國家地理信息系統(tǒng)的基礎框架。 我國大地測量是隨著中華人民共和國誕生而起步的,經過近六十年來大地測量工作者的努力,為國民經濟建設、國防建設提供了服務,為科學研究提供了大量的精確數(shù)據。,測繪的基礎 - 大地測量,2007-6-8,3,目 錄,1.大地測量的任務、體系和主要技術手段 2.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間(衛(wèi)星)大地測量學 6.我國大

2、地測量的回顧和展望,2007-6-8,4,1. 大地測量的任務, 體系和主要技術手段,學科性質：地球科學(地學) 學科任務：獲取和研究地球幾何空間的和地 球重力場的靜態(tài)和動態(tài)信息。 內容舉例： 測定地球形狀大??； 測定地面點空間坐標； 點間距離和方向； 測定和描述地球重力場等。,2007-6-8,5,大地測量的任務（舉例）,確定地球大小,形狀,旋轉及其變化； 確定地球上點的位置,高程以及它們的變化； 提供地球上點的重力信息及其變化; 提供坐標基準,高程基準和重力基準,為地理信息系統(tǒng)和測制地圖提供基礎框架； 為工程設計, 施工提供測繪服務； 為國防提供測繪服務。,2007-6-8,6,學科分支(

3、體系),1. 實用(地面)大地測量學 2. 橢球面(幾何)大地測量學； 3. 物理(重力)大地測量學； 4. 空間(衛(wèi)星)大地測量學。,2007-6-8,7,1.大地測量的任務、體系和主要技術手段 主要技術手段,經緯儀角度測量； 水準儀高程測量； 激光測距儀距離測量。 甚長基線干涉測量(VLBI)； 衛(wèi)星激光測距(SLR)； 全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)； 衛(wèi)星測高(SA)。,經典大地測量 技術,空間大地測量技術,2007-6-8,8,目 錄,1.大地測量的任務,體系和主要技術手段 2.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間(衛(wèi)星)大地測量學

4、 6.我國大地測量的回顧和展望,2007-6-8,9,2.應用大地測量 國家平面控制測量（1）,點位的傳遞與控制 傳遞： 控制：,XA，XB XP XB，XC XP” 檢查： XP - XP” =? 提高精度: (XP+ XP” )/2,2007-6-8,10,2.應用大地測量 國家平面控制測量（2）,建立原則：逐級控制，布滿全國。 按等級高低分為：IIV等4級控制網類型： 測角三角網 邊角導線網 測邊網,2007-6-8,11,經 緯 儀,2.應用大地測量 國家平面控制測量（2）,2007-6-8,12,測距儀及反射棱鏡,2.應用大地測量 國家平面控制測量（2）,2007-6-8,13,全國

5、天文大地網共包含三角點、導線點48433個,拉普拉斯點458個,長度起始邊467條,由此組成了全國范圍的參考框架,是國家各部門進行測繪工作的基礎。,全國天文大地網 A Sketch of the National Geodetic Control Network of China,平面基準,全國天文大地網,中華人民共和國大地原點，是1980年國家大地坐標系起算點。大地原點位于陜西省涇陽縣永樂店北洪流村。,平面基準,大地原點,2.應用大地測量 國家高程控制測量,儀器：水準儀 測高原理,水準儀及水準尺,2.應用大地測量 國家高程控制測量,2007-6-8,17,我國于1959年以前完成了一期一等水

6、準，1976年至1980年完成二期一等水準，并利用青島大港驗潮站1952年至1979年的潮沒觀測資料計算的平均海水面，命名為1985國家高程基準,為72.2604m。1991年至1998年國家測繪局又對二期水準進行了復測,總長為 9.77萬公里。,全國一二等水準路線,高程基準,2007-6-8,18,水準原點,水準原點位于青島市觀象山，是全國高程控制網的起算點,原點高程(1985)高出黃海平均海水面72. 2604米。,高程基準,2007-6-8,19,目 錄,1.大地測量的任務,體系和主要技術手段 2.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間

7、(衛(wèi)星)大地測量學 6.我國大地測量的回顧和展望,2007-6-8,20,橢球面大地測量學的主要內容,地球形狀; 橢球面上幾何元素(點.線.面)之間的數(shù)學關系； 橢球面上計算點的大地坐標,邊長和方位角； 橢球面上幾何元素變換到平面上的投影； 建立大地坐標系的理論和方法。 ,3.橢球面大地測量學,2007-6-8,21,為了描述地球橢球的形狀，綜合了天文,大地,重力,人衛(wèi)等資料, 給出了不同的地球參考橢球的參數(shù),以適應各個國家的測量需求。,地球參考橢球,克拉索夫斯基橢球,1954年北京坐標系,1980年西安坐標系,美國GPS坐標系,IAG-75橢球,WGS84橢球,3.橢球面大地測量學,2007

8、-6-8,22,橢球面幾何元素(點線面)的數(shù)學關系,如何解算橢球面上兩點間距離最短連線(大地線)； 如何解算由大地線圍成的橢球面三角形； 橢球面上坐標、邊長和方位角計算問題。,大地測量主題,正主題: 已知P1( B1L1), A12, S12 , 求 P2(B2 L2), A21 反主題: 已知P1(B1L1), P2(B2L2)，求 S12, A12, A21,3.橢球面大地測量學,PN: P點橢球面法線 B: P點大地緯度 L: P點大地經度 H: H=PP, P點大地高 X, Y, Z: P點的空間直角坐標,3.橢球面大地測量學,大地坐標系(1) -坐標:(B,L,H) (X,Y,Z),

9、2007-6-8,24,大地坐標系(3) -坐標框架,在大地坐標系或空間直角坐標系中精密測定了點位坐標的地面點集合，稱坐標框架。 例: 國家一等三角點的集 合是一個坐標框架。,3.橢球面大地測量學,2007-6-8,25,目 錄,1.大地測量的任務,體系和主要技術手段 2.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間(衛(wèi)星)大地測量學 6.我國大地測量的回顧和展望,2007-6-8,26,物理大地測量主要任務,建立國家重力基準網； 確定區(qū)域的和地球的重力場； 建立高程異?？刂凭W； 確定區(qū)域的和地球的大地水準面。,4. 物理大地測量,2007-6-8

10、,27,重力測量(1) - 相對重力測量,相對重力測量：測定兩點重力差 彈簧重力儀原理 當la lb, 則gB gA, g=gB - gA=k(lalb)=kl, K:彈性的倔強系數(shù),4. 物理大地測量,2007-6-8,28,重力測量(2) - 絕對重力測量,自由落體原理 當 v0=0, h0=0 重力儀： 相對重力儀，LCR重力儀，精度15gal 絕對重力儀，F(xiàn)G 5重力儀，精度5 gal,4. 物理大地測量,2007-6-8,29,FG5絕對重力儀 精度5gal,2007-6-8,30,國家2000重力基準網,國家2000重力基準網由120余個絕對和相對重力點組成，由于該網使用了FG5絕

11、對重力儀施測，并增加了絕對重力點的數(shù)量，國家2000重力基準網的精度在10gal (10-5cmsec-2)左右。,31,大地水準面 - 定義,粗略定義： 靜止(平均)海水面向大陸伸 延所形成的封閉曲面。 嚴密定義： 與不隨時間變化的平均海面 密合的重力等位面,4. 物理大地測量,大地水準面,2007-6-8,32,國家2000似大地水準面,國家2000似大地水準面的 絕對精度0.3m- 0.6m， 分辨率30km30km， 覆蓋我國全部陸海國土。 這些指標相對于1980大地水準面提高 了近一個量級。它已正式提供使用。,2007-6-8,33,目 錄,1.大地測量的任務,體系和主要技術手段 2

12、.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間(衛(wèi)星)大地測量學 6.我國大地測量的回顧和展望,2007-6-8,34,空間大地測量(1) - 技術手段,利用空間技術進行大地測量 全球定位系統(tǒng)(GNSS): GPS, GLONASS, GALELIO ； 衛(wèi)星激光測距(SLR) ； 甚長基線干涉測量(VLBI) ； 衛(wèi)星測高(SA) 。,5.空間大地測量,2007-6-8,35,實時, 快速, 精密測定全球點位； 測定全球重力場； 測定全球海面地形，海平面變化； 建立全球大地測量坐標系。,5.空間大地測量,空間大地測量(2) - 技術特點,2007

13、-6-8,36,衛(wèi)星激光測距SLR,2007-6-8,37,衛(wèi)星激光測距SLR,2007-6-8,38,衛(wèi)星測高,5.空間大地測量,SeaSat,TOPEX,SEASAT,2007-6-8,39,監(jiān)測海平面變化； 測定高分辨率海洋重力場（大地水準面和重力異常） 測定海面地形（平均海面相對大地水準面的起伏）和海流、渦旋，大洋環(huán)流（與大氣環(huán)流密切相關）； 獲取厄爾尼諾發(fā)生的前兆，監(jiān)測其發(fā)展過程； 測定海潮潮波系統(tǒng)，建立全球海潮模型，為航海、海洋工程建設等提供服務；,衛(wèi)星測高(SA)- 應用,2007-6-8,40,甚長基線干涉VLBI,2007-6-8,41,衛(wèi)星定位系統(tǒng),衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星信

14、號獲取地球空間三維坐標信息，具有全球性、全天候、連續(xù)性，精度高、快速實時、操作 簡便、價格低廉 等優(yōu)點。,2007-6-8,42,國內外衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介,目前國內外有三個實用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它們分別是美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng), 俄羅斯的GLONASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng), 和中國的北斗區(qū)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)。,2007-6-8,43,GPS空間部分衛(wèi)星星座,5.空間大地測量,2007-6-8,44,GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介,全球覆蓋、全天候、連續(xù)導航?？梢栽诘厍蛏虾徒乜臻g中任何一點，達到這一目的。 定位速度快。接收機從開機搜索衛(wèi)星到定位只需3分鐘。在導航狀態(tài)1秒鐘可完成一次實時定位。 高精度三維定位

15、。10-6 10-9 ; 確定物體三維坐標, 運行速度, 運行方位, 運動姿態(tài), 運行軌跡。 精確定時。,2007-6-8,45,GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介,24顆衛(wèi)星是分布在三個軌道平面。每個軌道8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星高度19100公里。繞地運行一圈11小時11分鐘。軌道傾角64.8, 所以更適用于高緯度地區(qū)導航定位。目前空中可用衛(wèi)星只有11顆。 有兩個載波。L1頻道間隔0.5625MHz，L2頻道間隔是0.4325MHz。定位精度為20米。,2007-6-8,46,歐洲衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Galileo),歐洲發(fā)射稱為伽俐略(Galileo)的全球導航衛(wèi)星30個，軌道高度24000km，軌道傾角為5

16、0。于2005試放第一顆衛(wèi)星，2008年投入試運行。定位 精度為米級。,2007-6-8,47,北斗一號衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介(1),北斗一號衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國獨立自主建立的主動式局域衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的空間部分是由三顆GEO衛(wèi)星組成，二顆工作，一顆備用, 分別位于東經80, 140和111的赤道上空36000km 。定位精度為20m。,2007-6-8,48,中國一定要有完全獨立自主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。因此建立和完善中國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不僅是大地測量的業(yè)務問題，是事關國家獨立自強的大事。我國將在今后八年左右建成北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它將是連續(xù),全天侯,被動方式定位，訊號覆蓋中國及其鄰近區(qū)域，實時

17、定位精度提高至10m。,北斗一號衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡介(2),2007-6-8,49,目 錄,1.大地測量的任務,體系和主要技術手段 2.實用(地面)大地測量學 3.橢球面(幾何)大地測量學 4.物理(重力)大地測量學 5.空間(衛(wèi)星)大地測量學 6.我國大地測量的回顧和展望,建立我國新世紀 國家測繪基準 目標和任務,2007-6-8,51,近鄰國家大地基準的現(xiàn)代化,2007-6-8,52,新西蘭大地基準現(xiàn)代化,1998年，新西蘭實施了新的地心參考基準，即以2000年1月1日為參考歷元的新西蘭大地測量基準2000 (NZGD2000)。,2007-6-8,53,蒙古大地基準現(xiàn)代化,蒙古建立了新的國家

18、大地坐標框架MONREF97。采用的大地坐標系統(tǒng)和WGS84保持一致。 MONREF97這一新的國家地心三維坐標框架，取代了原來的蒙古國家二維平面坐標系MSK42(采用克拉索夫斯基橢球)。,2007-6-8,54,日本大地基準現(xiàn)代化,從2000年4月開始日本新的大地基準JGD2000正式取代了具有百年歷史的東京大地基準。JGD2000采用國際地面參考系統(tǒng)ITRS的定義，歷元定為1997.0。,2007-6-8,55,韓國大地基準現(xiàn)代化,韓國于1998年推出國家三維地心大地坐標系統(tǒng)KGD2000，以替換現(xiàn)行的坐標系統(tǒng)。 KGD2000以ITRF97為參照，歷元采用2000.0。,2007-6-8,56,馬來西亞大地基準現(xiàn)代化,馬來西亞建立國家三維地心大地坐標系統(tǒng)NGRF2000，坐標系統(tǒng)定義于ITRF97, 歷元為2000.0 。,2007-6-8,57,現(xiàn)代大地測量發(fā)展的特點 工作對象從靜止的轉變到動態(tài)的； 工作范圍由陸地擴展到海洋； 信息獲取由地面發(fā)展到空間； 數(shù)據處理由后處理發(fā)展到實時處理； 工作距離由10km量級發(fā)展到103km量級； 由單一學科發(fā)展到和其他學科的集成。,2007-6-8,58,建立