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《大地测量学基础》山东建筑大学测绘工程与GIS教研室第一章绪论§1大地测量学的定义和作用1.1大地测量学的定义大地测量学是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，为人类活动提供关于地球空间信息的一门学科。•古老而年轻的科学，是地球科学中发展最活跃、最具有重要地位的一个分支；主要任务：测量、描绘地球并监测其变化，为人类活动提供地球等行星体的空间信息；其本质：从本质上讲是地球信息科学，既是基础学科，又是应用学科。•经典大地测量学：把地球假设为刚体不变，是均匀旋转的球体或椭球体，并在一定范围内测绘地球和研究其形状、大小及外部重力场。（1）奠定了几何大地测量和物理大地测量的理论基础和实用方法；(2)局限性：应以运动、发展的观点看待地球l现代大地测量学：以空间测绘技术(人造地球卫星、空间探测器)为支撑，以空间大地测量为特征，测量范围大。1.2大地测量学的地位和作用l1.2.1大地测量学在国民经济各项建设和社会发展中发挥着基础先行性的重要保证作用l1.2.2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l1.2.3大地测量学是发展空间技术和国防建设的重要保障l1.2.4大地测量学在当代地球科学研究中的地位显得越来越重要1.2.1大地测量学在国民经济各项建设和社会发展中发挥着基础现行性的重要保证作用•交通运输•资源开发•水利水电•城市建设及信息管理•工业企业•农田规划•土地管理地形图1.2.2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•地震带区域内的大地测量形变监测系统：(自动、连续）GPS（全球卫星定位系统）VLBI（甚长基线干涉测量）SLR（激光测卫）•海难、空难等GPS快速定位+卫星通信技术•温室效应引起的海水面变化利用GPS技术将全球验潮站联测到VLBI及SLR上1.2.3大地测量学是发展空间技术和国防建设的重要保障•空间科学技术发展水平是当今衡量一个国家综合科技水平和综合国力的重要指标，同时也是评估一个国家国防能力的重要标志。•大地测量的保障作用1.精确的地球参考框架（惯性坐标系及地心地固坐标系）作用：描述空间飞行器在参考框架内的相对运动2.精密的全球重力场模型作用：（1）用于对地球表面及其外空间一切飞行器的分析（2）设计力学行为的先验重力场约束1.2.4大地测量学在当代地球科学研究中的地位显得越来越重要•海底板块边界分布情况、海平面变化、海面地形（卫星测高、重力测量、地球物理资料）•提供更准确的重力场模型（利用卫星重力测量及陆、海大规模重力测量）•提高板块运动、断裂活动、地壳运动、地震活动预报的时间分辨率和看分辨率（VLBI、SLR）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。如交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等的監測與救援。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。§1大地测量学的基本体系和内容2.1大地测量学的基本体系应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重力测量、测量平差等；新分支：海样大地测量、行星大地测量、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。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。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。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。•物理大地测量学（理论大地测量学）基本任务：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：（1）位理论（2）地球重力场（3）重力测量及其归算（4）推求地球形状及外部重力场•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位代表的空间大地测量的理论、技术与方法。•现代大地测量学与传统大地测量学的比较特征（1）测量范围大（2）从静态测量发展到动态测量（3）观测精度高（4）测量周期大大缩短2.2大地测量学的基本内容1.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，测定极移以及海洋水面地形及其变化。2.研究月球及太阳行星的形状及重力场3.建立和维持具有高科技水平的国家和全球天文大地水平控制网和精密水准网以及海洋大地控制网4.研究为获得高精度测量成果的仪器、方法5.研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换以及有关的大地测量计算6.研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及联合网的数学处理的理论和方法，测量数据库的建立以及应用等§3大地测量学的发展简史及展望3.1大地测量学的发展简史（4个阶段）•第一阶段：地球圆球阶段•第二阶段：地球椭球阶段•第三阶段：大地水准面阶段•第四阶段：现代大地测量新时期•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）时间代表人物观点及测量方法远古我国人民天圆地方前6世纪后半叶毕达哥拉斯地球是圆球前3世纪亚历山大学者：埃拉托色尼子午圈弧长测量估算地球半径公元713—741唐.一行弧度测量：该段子午线上纬差1度为132KM，误差21KM(110.95km)公元827阿拉伯教主阿尔曼孟弧度测量:35度1度子午弧长111.8Km,•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。时间人物代表成果1615年荷兰.斯涅耳三角测量1543年波兰.哥白尼《关于天体的圆运动》日心说1619年德国.开普勒行星运动的三大定律1590年1673年意大利.伽利略荷兰.惠更斯重力测量数学摆公式1687年英国.牛顿《自然哲学的数学原理》旋转椭球重力加速度随纬度的变化而变化•A:该阶段几何大地测量的主要成绩（1）长度单位的建立：法国于1799年计算出新的椭球参数，其子午圈弧长的四千万分之一为1m.(2)提出最小二乘法：法国的勒让德(A.M.Legendre)，德国的高斯(C.F.Gauss)。（3)椭球大地测量学形成：解决了椭球数学性质与测量计算，正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及贝塞尔（Bessel)作出了巨大贡献。（4）弧度测量大规模展开：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椭球参数：a=1:199.1±4.7克拉克椭球参数：a=1：293.5•B:该阶段物理大地测量的基础理论（1）克莱罗定理：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)。该椭球面上纬度φ的一点的重力加速度按下式计算：)sin1(2eq25eaq2（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。意义：（1）研究重力场可借助于重力位的一阶导数（2)研究地球形状可借助于研究等位面•地壳均衡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。地球某一深度处的压力是相等的，地球的外层在未受到侵蚀和沉积作用的扰动时处于均衡状态。•重力测量的进展：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。（1）将椭球面推进到大地水准面阶段（2）外业测量的参考基准线——铅垂线（物理重力方向）（3）椭球计算的基准线——法线（几何垂直方向）（4）垂线偏差：重力方向相对垂线方向的偏差。（5）大地水准面•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。A:几何大地测量学在该阶段的进展（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，基线间距400km，天文点间距150km,拉普拉斯点250km,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。B：物理大地测量学在该阶段进展：（1）大地测量边值问题的提出英国学者斯托克司(G.G.Stokes)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(F.A.VeningMeinesz)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。a地球重力位应该分为正常重力位和扰动位两部分b在某些假定条件下，可通过重力异常的积分，提出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。c克拉索夫斯基大地测量边值问题：•通过地面上观测的重力值精确求定地面点的扰动位•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•边界既不是参考椭球面也不是大地水准面，而是地球表面(2)提出了新的椭球参数赫尔默特：a=6378388m,=1:298.3海福特：a=6378388±35m,=1:297.0±0.5克拉索夫斯：a=6378245m,=1:298.3•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。△现代大地测量的特征：⑴研究范围大（全球：如地球两极、海洋）⑵从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。⑶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。⑷测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。3.2大地测量的展望3.2.1全球卫星定位系统，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空间大地测量技术3.2.2空间大地网是实现本学科科学技术任务的主要技术方案3.2.3精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标•名词解释：GPS：GlobalPositioningSystem全球性的授时测距定位导航系统SLR：SatelliteLaserRanging即激光测卫，利用激光测距技术，测量卫星与地面激光测距仪、卫星与卫星之间以及卫星与地面点之间的距离（向径）。VLBI：VeryLongBaselineInterferometry即甚长基线干涉测量，利用干涉原理，在相距几千公里甚长基线的两端，用射电望远镜同时收测来自某一河外射电源的信号，直接测定基线长度和方向的一种空间测量技术。INS：InertialNavigationSystem即惯性测量系统，利用惯性力学测量原理，通过运动物体加速度的测定，测定地面点的三维坐标、重力异常和垂线偏差。EDM：ElectronicDistance