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大地测量学基础第一章绪论§1.1大地测量学的定义和作用§1.2大地测量学的基本体系和内容§1.3大地测量学的发展简史与展望引言•以前学习的测量学（地形测量学）是在小范围内进行，视为平面，地形图为垂直投影。大范围为曲面，怎样把地形图拼接？怎样处理观测成果？•测图、定位需要坐标，需要建立坐标系，如何建立合理的坐标系？•通常用大地水准面包围的形体——大地体来表示地球形状，大地体的形状到底怎样？怎样测定大地水准面起伏？•我们知道可以用地理坐标（经纬度）、空间直角坐标（X，Y，Z）和高斯平面直角坐标（x,y）表示地面点位，它们之间如何换算？•如何在大范围内进行精密测量？一、大地测量学的定义•最初：陆地测量。•发展：测量和描绘地球表面的科学。包含海洋测量，测定地球形状，顾及地球曲率的测量。•现代：在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球及其他行星体的一门学科。（为人类活动提供关于地球空间信息的一门学科）•区分：高等大地测量学——理论大地测量学；普通大地测量学——地形测量学（测量学）•大地测量学的基本任务：1）技术任务：建立一个国家或地区的大地控制网2）科学任务：研究地球的形状、大小和地球外部重力场二、大地测量学的特点经典大地测量特点：椭球体刚体静态只有几何意义范围较小现代大地测量特点：弹性体动态物理意义；以空间大地测量为特征，范围大。•大地测量学是地学基础性学科，又是应用地学学科；大地测量学理论性强，需要很多数学、物理知识，实践性越来越弱。因此，它既是专业课，又是专业基础课。现代大地测量的特征⑴研究范围大（如地球两极、海洋,乃至月球、行星）。⑵从分维式到整体式。⑶从静态到动态。⑷从几何空间到物理-几何空间。⑸观测精度越高，相对精度达到10-8～10-9，绝对精度可到达毫米；角度零点几秒；高程亚毫米级。⑹测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。三、大地测量学的分支•几何大地测量学•物理大地测量学•空间大地测量学（一）几何大地测量学（即天文大地测量学）•基本任务：是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。•主要内容：国家大地测量控制网(包括平面控制网和高程控制网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。（二）物理大地测量学（即理论大地测量学）•基本任务：是用物理方法(重力测量)确定地球形状及其外部重力场。•主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。（三）空间大地测量学主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。大地测量学的分支（续）从研究内容分1、应用大地测量学：建立国家大地测量控制网2、椭球大地测量学：坐标系建立、地球椭球性质、以及投影数学变换3、大地天文测量学：测量天文经度、天文纬度及天文方位角4、大地重力测量：研究重力场及重力测量方法5、测量平差：大地测量控制网平差计算现代大地测量学交叉：海洋大地测量学；宇宙大地测量学；动态大地测量学；卫星大地测量；慣性大地测量学；数学大地测量学；整体大地测量学；相对大地测量学；四维大地测量学；现代大地测量数据处理学等等四、现代大地测量学的基本内容•建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和国防建设的需要。•研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数据处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。•研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量计算。•研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。•确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变(包括垂直升降及水平位移)，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。研究月球及太阳系行星的形状及重力场。五、大地测量学的作用•大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。•大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发挥着独具风貌的特殊作用。•大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如:卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟踪、返回工作都需要大地测量作保证。•大地测量在当代地球科学研究中的地位显得越来越重要。•大地测量学是测绘学科的各分支学科的基础科学。六、大地测量学的发展简史第一阶段：地球圆球阶段，从远古至17世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而推得地球半径（弧度测量）。公元前3世纪，亚历山大学者埃拉托色尼进行了弧度测量，估算出地球半径（与现代值大约差100km）用这种方法解决地球大小问题分为两种测量：•一是属于天文部分：子午圈弧长两端点的纬度差•一是属于大地部分：两端点间的子午圈弧长。用天文大地测量方法确定地球大小的原则至今使用第二阶段：地球椭球阶段，从17世纪至19世纪下半叶，在这将近200年期间，人们把地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。•行星运动定律：1619年德国的开普勒(J.Kepler)发表了行星运动三大定律；•重力测量：1673年荷兰的惠更斯(C.Huygens)提出用摆进行重力测量的原理；•英国物理学家牛顿(L.Newton)提出地球特征：1）是两极扁平的旋转椭球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向两极与sin２φ(φ——地理纬度)成比例地增加。•大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器；•大地测量方法：1615年荷兰斯涅耳(W.Snell)首创三角测量法。glT几何大地测量标志性成果：1)长度单位的建立：取子午圈弧长的四千万分之一作为长度单位，称为1m。2)最小二乘法的提出：法国的勒让德(A.M.Legendre)，德国的高斯(C.F.Gauss)。3)椭球大地测量学的形成，解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算，以及将椭球面投影到平面的正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及贝塞尔(F.W.Bessel)作出了巨大贡献。4)弧度测量大规模展开。由于带有测微机构的经纬仪，精确长度杆尺及基线尺，纬度及天文方位角观测方法等新技术的出现和使用，促进了弧度测量的发展。在这期间主要有以英、法、西班牙为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、美国等为代表的三角测量。5)推算了不同的地球椭球参数。贝赛尔：a＝6377397m，α＝1∶299.1克拉克：a＝6378249m，α＝1∶293.5物理大地测量标志性成就：1)克莱罗定理的提出：法国学者克莱罗(A.C.Clairaut)假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体，这些椭球面都是重力等位面(即水准面)，且各层密度由地心向外逐层按一定法则减少，该椭球面上纬度的一点的重力加速度按下式计算：)sin1(2eq2521288eaq90,:pee当时可得重力扁率q为赤道上的离心力与赤道上重力加速度之比，α为椭球扁率①同一水准面上的重力值随纬度变化而变化；②同一水准面上赤道上重力值有最小值，两极处有最大值；③通过重力测量可以推求地球的大小。物理大地测量标志性成就：2)重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法国的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数,等于引力在该方向上的分力。研究地球形状可借助于研究等位面。因此，位函数把地球形状和重力场紧密地联系在一起。3)地壳均衡学说的提出：英国的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy)几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳均衡学说可导出均衡重力异常以用于重力归算。4)重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了重力测量的发展。第三阶段：大地水准面阶段从19世纪下半叶至20世纪40年代，人们将对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。几何大地测量学在这阶段的进展主要体现在以下几方面：•1.天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立（1800－1900印度，一等三角网2万公里，平均边长45公里；1911－1935美国一等7万公里；1924-1950苏联，7万多公里)•2.因瓦基线尺出现，带平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用。物理大地测量在这阶段的进展是：1.大地测量边值问题理论的提出：(大地水准面为边界)英国学者斯托克司把真正的地球重力位分为正常重力位和扰动位两部分，实际的重力分为正常重力和重力异常两部分，在某些假定条件下进行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。后来，荷兰学者维宁·曼尼兹根据斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏差公式。后来，俄国学者莫洛金斯基直接利用地面上的重力观测值求定地球形状和外部重力场。2.提出了新的椭球参数(利用地面重力资料推地球扁率)赫尔默特椭球海福特椭球克拉索夫斯基椭球等第四阶段：现代大地测量新时期20世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了革命性的变革，使大地测量定位、确定地球参数及重力场，构筑数字地球等基本测绘任务都以崭新的理论和方法来进行。从此大地测量学进入了以空间测量技术为代表的现代大地测量发展的新时期。•GPS（GlobalPositioningSystem）--全球卫星定位系统•SLR(SatelliteLaserRanging)--激光测卫•VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)--甚长基线干涉测量•INS（InertialNavigationSystem）--惯性测量系统(工程测量)•广义最小二乘法--平差、滤波、推估七、大地测量的展望•全球卫星定位系统(GNSS—GPS、GLONASS、Galileo、北斗)，激光测卫(SLR)以及甚长基线干涉测量(VLBI)是主导本学科发展的主要的空间大地测量技术。•用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器发展的地面基准等科技任务的基本技术方案。•精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标，精化现有的360阶的高阶模型，使全球大地水准面达到5～10cm的精度。主要参考书•武汉大学孔祥元等编著的《大地测量学基础》，武汉大学出版社•同济大学施一民著的《现代大地控制测量》，测绘出版社•郑州测绘学校杨国清主编的《控制测量学》，黄河水利出版社大地测量习题集结束•谢谢!