大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)課件

1、大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ),范志勇 長(zhǎng)沙理工大學(xué)測(cè)繪教研室,第一章 緒 論,定義：大地測(cè)量學(xué)是為人類活動(dòng)提供空間信息的科學(xué)，著重研 究地球的幾何特征（形狀和大?。┖突疚锢硖匦裕ㄖ亓?chǎng)）及其變化。 性質(zhì)：地球科學(xué)的一個(gè)分支，是一門地球信息科學(xué)，既是基礎(chǔ) 科學(xué)，又是應(yīng)用科學(xué) 任務(wù)：測(cè)量和描繪地球并監(jiān)測(cè)其變化，為人類活動(dòng)提供關(guān)于地 球的空間信息；研究宇宙空間其它星球的狀態(tài)。 經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)：視地球?yàn)椴蛔儎傮w，均勻旋轉(zhuǎn)球體或橢球 體，在一定范圍內(nèi)測(cè)繪地球和研究其形狀、大小及外 部重力場(chǎng)。,一、大地測(cè)量學(xué)的定義,現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)：以空間大地測(cè)量學(xué)為主要標(biāo)志，研究地球及外部宇宙空間。 與經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)相比，在研究方法

2、、手段方面有顯著不同。主要表現(xiàn)在人造衛(wèi)星、空間探測(cè)器、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。,1、是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)先行性的重要保證。 確定地球的形狀、大小重力場(chǎng)參數(shù)；統(tǒng)一全國(guó)坐標(biāo)框架，建立國(guó)家和精密城市控制網(wǎng)，精確測(cè)定控制點(diǎn)的坐標(biāo)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要地形圖及相關(guān)資料，測(cè)繪地形圖需要建立控制網(wǎng)，建立控制網(wǎng)需要建立坐標(biāo)框架，建立坐標(biāo)框架須知道地球的形狀、大小及重力參數(shù)。而這些方面正是大地測(cè)量學(xué)所研究的內(nèi)容。,二、大地測(cè)量學(xué)的地位和作用,2、在防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)及環(huán)境保護(hù)、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)中的作用 1). 建立大地形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為地震預(yù)報(bào)提供有關(guān)資料； 2). 監(jiān)測(cè)泥石流、山體滑坡、雪

3、崩、森林火災(zāi)、洪水等災(zāi)害， 并為災(zāi)后評(píng)估提供資料； 3). 監(jiān)測(cè)海水面的變化； 4). 為災(zāi)難事件救援提供快速定位；如空難、海難、交通事故； 5). 環(huán)境監(jiān)測(cè)，如沙漠，森林，土地利用情況等； 這些監(jiān)測(cè)一般是利用GPS、遙感衛(wèi)星、VLBI、激光測(cè)衛(wèi)（SLR）等技術(shù)， 必須要知道地球的形狀大小、重力場(chǎng)模型、地心坐標(biāo)等。,3、是發(fā)展空間技術(shù)和國(guó)防建設(shè)的重要保障 1). 為衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)及其它宇宙探測(cè)器提供精確的地球參考框架和全球重力場(chǎng)模型； 2). 為戰(zhàn)爭(zhēng)提供軍事測(cè)繪保障，超前儲(chǔ)備保障，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)保障。如提供戰(zhàn)區(qū)電子地圖、數(shù)字影像圖，打擊目標(biāo)的精確三維坐標(biāo)。,4、 在當(dāng)代地球科學(xué)研究中有重要地位

4、 1). 建立與維持高精度的坐標(biāo)框架和區(qū)域性與全球的三維大地網(wǎng)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)隨時(shí)間的變化； 2). 監(jiān)測(cè)和分析各種地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象；提供有關(guān)地球動(dòng)力（地殼板塊運(yùn)動(dòng)）過(guò) 程中時(shí)空度量上的定量定性信息； 3). 測(cè)定地球形狀和外部重力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步精化地球重力場(chǎng)模型； 4). 是測(cè)繪科學(xué)的各分支學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)，極大地影響著測(cè)繪科學(xué)的發(fā)展。,1、 測(cè)量學(xué)的兩個(gè)分支 普通測(cè)量學(xué)：研究小范圍的地球表面，認(rèn)為該范圍的地 球表面是平面，且鉛垂線彼此平行。 大地測(cè)量學(xué)：研究全球或大范圍的地球，認(rèn)為鉛垂線彼 此不平行，研究地球的形狀、大小及重力場(chǎng)。,三、大地測(cè)量學(xué)的基本體系,現(xiàn)代大地測(cè)量 (

5、三個(gè)基本分支),2、大地測(cè)量學(xué)的基本體系,1)、幾何大地測(cè)量學(xué)：即天文大地測(cè)量學(xué) 基本任務(wù) 確定地球形狀、大小，地面點(diǎn)的幾何位置 主要內(nèi)容 國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)建立的理論、方法，精 密測(cè)角、測(cè)距、測(cè)水準(zhǔn)；地球橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)，橢球面上 的測(cè)量計(jì)算，橢球數(shù)學(xué)投影，地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學(xué) 模型等,2)、物理大地測(cè)量學(xué)（理論大地測(cè)量學(xué)） 基本任務(wù)：用物理方法（重力測(cè)量）確定地球形狀及其 外部重力場(chǎng)。 主要內(nèi)容：位理論，地球重和場(chǎng)，重力測(cè)量及其歸算， 推球地球形狀及外部重力場(chǎng)的理論與方法。 3)、空間大地測(cè)量學(xué) 以人造地球衛(wèi)星及其它空間探測(cè)器為代表的空間大地測(cè)量的理論、技術(shù)與方法。,大地測(cè)量學(xué)還可進(jìn)一步 應(yīng)

6、用大地測(cè)量學(xué)：以建立國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)為中心內(nèi)容 橢球大地測(cè)量學(xué)：坐標(biāo)系建立、地球橢球性質(zhì)、投影數(shù)學(xué)變換 大地天文測(cè)量學(xué)：測(cè)量天文經(jīng)度、緯度及天文方位角 大地重力測(cè)量學(xué)：重力場(chǎng)、重力測(cè)量方法 海洋大地測(cè)量學(xué): 地球動(dòng)力學(xué): 衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué): 大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理學(xué):,3、現(xiàn)代在地測(cè)量的特征 1)、測(cè)量范圍大，范圍從地區(qū)、全球乃至宇宙空間； 2)、研究對(duì)象和范圍不斷深入、全面和精細(xì)，從靜態(tài)測(cè)量發(fā)展到動(dòng)態(tài)測(cè)量，從地球表面測(cè)繪發(fā)展到地球內(nèi)部構(gòu)造及動(dòng)力過(guò)程的研究； 3)、觀測(cè)精度高； 4)、觀測(cè)周期短。,4、大地測(cè)量的基本內(nèi)容 1)、確定地球形狀、外部重力場(chǎng)及其變化；建立大地測(cè)量坐標(biāo)系；研究地殼形變，極移

7、和海洋水面地形用其變化 2)、研究月球及太陽(yáng)系行星的形狀及重力場(chǎng) 3)、建立和維護(hù)國(guó)家和全球天文大地水平控制網(wǎng)、精密水準(zhǔn)網(wǎng)及海洋大地控制網(wǎng) 4)、研究為獲得高精度測(cè)量成果的儀器和方法 5)、研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學(xué)變換及有關(guān)的大地測(cè)量計(jì)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(xué)處理理論方法，測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及應(yīng)用。,四、大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,1、第一階段：地球圓球階段： 將地球看成是圓球進(jìn)行測(cè)量其大?。ò霃剑?公元前六世紀(jì)，畢達(dá)哥拉斯最先提出地球圓球說(shuō)。 首次地球半徑測(cè)量：公元前三世紀(jì)，亞歷山大學(xué)者埃拉托色尼用子午圈弧長(zhǎng)測(cè)量法來(lái)估算地球半徑,與現(xiàn)代數(shù)據(jù)相比

8、,誤差約 100Km.,最早一次對(duì)地球大小的實(shí)測(cè)： 我國(guó)唐代張遂指導(dǎo)進(jìn)行。得出子午線上緯度差一度，地面相距約132Km，與現(xiàn)代值110.95Km相比，誤差約21Km。 公元827年,阿拉伯人阿爾曼孟通過(guò)弧長(zhǎng)測(cè)量,推算出緯度35處的1子午線弧長(zhǎng)等于111.8Km,比正確值110.95Km只大1%,2、第二階段:地球橢球階段：最先由牛頓提出 在此階段，理論方面 英國(guó)的牛頓:萬(wàn)有引力定律,地球橢球?qū)W說(shuō). 荷蘭的斯涅耳:三角測(cè)量法 德國(guó)的開(kāi)普勒:行星運(yùn)動(dòng)三大定律 荷蘭的惠更斯:擺測(cè)重力原理 法國(guó)的勒讓德:最小二乘法,重力位函數(shù) 法國(guó)的克萊羅:克萊羅定律 英國(guó)的普拉特和艾黎:地殼均衡學(xué)說(shuō) 另外此階段還進(jìn)

9、行了大量的實(shí)測(cè)工作。 從理論和實(shí)際上推算地球橢球參數(shù)，確定地球形狀大小。,此階段在幾何大地測(cè)量方面取得的成果 1)、長(zhǎng)度單位的建立:法國(guó)利用弧度測(cè)量的結(jié)果,取其子午圈弧長(zhǎng)的四千萬(wàn)分之一為長(zhǎng)度單位,稱為1米.,2)、最小二乘法的提出：法國(guó)勒讓德于1806年發(fā)表，其實(shí)17歲的高斯 1794已應(yīng)用了該理論。 3)、橢球大地測(cè)量學(xué)的形成：解決了橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)，橢球面上測(cè)量計(jì)算 及正形投影方法 4)、弧度測(cè)量大規(guī)模展開(kāi)：以英、法、西班牙、德、俄、美為代表。 5)、推算了不同的地球橢球參數(shù)：,貝賽爾橢球參數(shù)：,克拉克橢球參數(shù)：,此階段物理大地測(cè)量取得的成就 1)、克萊羅定理的提出：假設(shè)地球是由許多密度不同的

10、均勻物質(zhì)層圈組成的橢球體，且層密度按一定法則由地心向外逐層減少。得出：,2)、重力位函數(shù)的提出： 位函數(shù)性質(zhì)：在一個(gè)參考坐標(biāo)系中，引力位對(duì)被吸引點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)方向的一階導(dǎo)數(shù)等于引力在該方向上的分力。 意義：可借助等位面研究地球形狀，可借助重力位的一階導(dǎo)數(shù)研究重力場(chǎng)。 3)、地殼均衡學(xué)說(shuō)的提出： 根據(jù)地殼均衡學(xué)說(shuō)導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。 4)、重力測(cè)量有了進(jìn)展。,3、第三階段 ：大地水準(zhǔn)面階段 此階段幾何大地測(cè)量取得的成就： 1、天文大地網(wǎng)的布設(shè)有了重大發(fā)展 三大網(wǎng)：印度、美國(guó)、蘇聯(lián) 2、較高精度儀器的使用，如因瓦基線尺，因瓦水準(zhǔn)尺，帶測(cè)微器的水準(zhǔn)儀； 天文大地測(cè)量與重力大地測(cè)量的結(jié)合。 此

11、階段物理大地測(cè)量取得的成就 1、大地測(cè)量邊值問(wèn)題理論的提出。 用已知的重力和重力位求邊界面和外部重力場(chǎng)的問(wèn)題,克萊羅：以橢球面為邊界解決邊值問(wèn)題 斯托克司：以大地水準(zhǔn)面為邊界面解決邊值問(wèn)題 莫洛金斯基：以地球表面為邊界，直接用地面重力值確定地球形狀與外部重 力場(chǎng),2、新的橢球參數(shù)的提出。 赫爾默特橢球，海福特橢球，克拉索夫斯基橢球 3、測(cè)量數(shù)據(jù)處理與測(cè)量平差理論與實(shí)踐也取得重大進(jìn)展,4、第四階段：現(xiàn)代大地測(cè)量新時(shí)期 1)、以空間測(cè)量技術(shù)為代表：電磁波測(cè)距、人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、甚長(zhǎng) 基線干涉測(cè)量等技術(shù)的應(yīng)用。 2)、月球和行星大地測(cè)量學(xué)的形成：空間探測(cè)器、衛(wèi)星、空間飛行器等技 術(shù)的應(yīng)用。 3)

12、、高精度的天文大地網(wǎng)、重力網(wǎng)的建立。 4)、大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和最小二乘配置法的提出與應(yīng)用。 大 地控制網(wǎng)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)：精度、可靠性與經(jīng)費(fèi) 廣義測(cè)量平差理論的形成。,五、大地測(cè)量的展望,1、 全球定位系統(tǒng)、激光測(cè)衛(wèi)（SLR）、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）是主導(dǎo)本學(xué)科發(fā)展的主要空間大地測(cè)量技術(shù)。 1）、全球定位系統(tǒng)： 美國(guó)的GPS： 24顆衛(wèi)星，有限制使用、三個(gè)民用載波 俄國(guó)的GLONASS：24顆衛(wèi)星，精碼P碼不保密 歐洲在建的伽俐略系統(tǒng)：不保密。 中國(guó)的北斗星系統(tǒng),2）、激光測(cè)衛(wèi)SLR（Satellite Laser Ranging) 測(cè)定激光由地面站發(fā)射經(jīng)衛(wèi)星反射到地面站接收的時(shí)間間隔 ，

13、 計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻地面到衛(wèi)星的距離.,人衛(wèi)激光儀,精度最高的絕對(duì)定位技術(shù)。 全球地心參考框架、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、全球重力場(chǎng)低階模型、精密定軌等方面有重要作用。 地基：在衛(wèi)星上安置反光鏡，地面上安激光測(cè)距儀，對(duì)衛(wèi)星測(cè)距。 天基：在衛(wèi)星上安置激光測(cè)距儀，地面上安反光鏡，對(duì)地測(cè)距,3）、慣性測(cè)量系統(tǒng) 利用慣性力學(xué)原理，測(cè)定地面點(diǎn)三維坐標(biāo)、重力異常和垂線偏差。,4）、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI（Very Long Baseline Interferometry) 在相距幾千公里甚長(zhǎng)基線兩端，用射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)接收來(lái)自宇宙外射電源的射電信號(hào)，根據(jù)干涉原理，直接測(cè)定基線長(zhǎng)和方向的一種空間測(cè)量技術(shù)。,觀測(cè)對(duì)象：河外類星體 觀測(cè)儀器：射電望遠(yuǎn)鏡 觀測(cè)量：射電源到同步觀測(cè) 的射電望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差 解算量：同步觀測(cè)的射電望 遠(yuǎn)鏡之間的坐標(biāo)差等,2、空間大地網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)本學(xué)科科學(xué)技術(shù)任務(wù)的技術(shù)方案 1）、用衛(wèi)星測(cè)量、激光測(cè)衛(wèi)和甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等空間大地測(cè)量技術(shù)建立空間大地控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及重力場(chǎng)，建立大地基準(zhǔn)參考框架，監(jiān)測(cè)地殼形變，保證空間技術(shù)及戰(zhàn)略武器的發(fā)展的地面基準(zhǔn)等科技任務(wù)的基本技術(shù)方案。 2）、我國(guó)及許多國(guó)家正在建立或已建立GPS大地控制網(wǎng) 3）、國(guó)際地球參考框架IFRF（Internati