第2章大地測(cè)量學(xué)郭金運(yùn)辦公室：J6-453E-mail:jinyunguo1@126.com手機(jī)地測(cè)量系海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2主要內(nèi)容概述大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架實(shí)用大地測(cè)量學(xué)橢球大地測(cè)量學(xué)物理大地測(cè)量學(xué)衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)大地測(cè)量進(jìn)展32.1概述大地測(cè)量學(xué)的定義、分類(lèi)和任務(wù)：定義：大地測(cè)量學(xué)是為人類(lèi)活動(dòng)提供空間信息的科學(xué)，著重研究精密定位、地球（包括其他天體）的幾何特征（形狀和大?。┖突疚锢硖匦裕ㄖ亓?chǎng)）及其變化。分類(lèi)：空間大地測(cè)量、物理大地測(cè)量、幾何大地測(cè)量、海洋大地測(cè)量、動(dòng)力大地測(cè)量、實(shí)用大地測(cè)量、月球大地測(cè)量、行星大地測(cè)量等4大地測(cè)量學(xué)的任務(wù)1建立和維護(hù)高精度全球和區(qū)域性大地測(cè)量系統(tǒng)與大地測(cè)量參考框架2獲取空間點(diǎn)位置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息3測(cè)定和研究地球形狀大小、地球外部重力場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化4測(cè)定和研究全球和區(qū)域性地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，包括地球自轉(zhuǎn)、極移、潮汐、板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變以及全球變化5大地測(cè)量學(xué)的任務(wù)（Cont…）5研究地球表面觀測(cè)量向橢球面和平面的投影變換及相關(guān)的大地測(cè)量計(jì)算問(wèn)題6研究新型的大地測(cè)量?jī)x器和大地測(cè)量方法7研究空間大地測(cè)量理論和方法8研究月球和行星大地測(cè)量理論和方法，研究月球或者行星探測(cè)器定位、定軌和導(dǎo)航技術(shù)，構(gòu)建月球或行星坐標(biāo)參考系和框架，探測(cè)月球和行星重力場(chǎng)。6大地測(cè)量學(xué)的特點(diǎn)1長(zhǎng)距離，大范圍2高精度3實(shí)時(shí)，快速4時(shí)間維5地心6學(xué)科融合7大地測(cè)量學(xué)的作用與服務(wù)對(duì)象1經(jīng)濟(jì)建設(shè)2資源與環(huán)境發(fā)展3空間技術(shù)與航天工程4地球自轉(zhuǎn)與地球動(dòng)力學(xué)5國(guó)防安全與軍事信息化6地球科學(xué)82.2大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架大地測(cè)量系統(tǒng)規(guī)定了大地測(cè)量起算基準(zhǔn)、尺度基準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)方式（包括理論、模型和方法）?！鴺?biāo)系統(tǒng)，高程系統(tǒng)，深度基準(zhǔn)，重力基準(zhǔn)大地測(cè)量參考框架是通過(guò)大地測(cè)量手段，由固定在地面上的點(diǎn)所構(gòu)成的大地網(wǎng)（點(diǎn)）或其他實(shí)體（靜止或運(yùn)動(dòng)物體）按相應(yīng)于大地測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)定模式構(gòu)建的，是對(duì)大地測(cè)量系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。9大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)和大地測(cè)量常數(shù)地心坐標(biāo)系統(tǒng)參心坐標(biāo)系統(tǒng)1原點(diǎn)位于整個(gè)地球質(zhì)心2尺度是廣義相對(duì)論意義下某一局部地球框架內(nèi)的尺度3定向?yàn)閲?guó)際時(shí)間局測(cè)定的某一歷元的協(xié)議地極和零子午線，稱(chēng)為地球定向參數(shù)EOP4定向隨時(shí)間的演變滿足地殼無(wú)整體運(yùn)動(dòng)的約束條件10大地測(cè)量常數(shù)：是指與地球一起旋轉(zhuǎn)且和地球表面最佳吻合的旋轉(zhuǎn)橢球的幾何和物理參數(shù)。包括基本常數(shù)和導(dǎo)出常數(shù)。基本常數(shù)惟一定義了大地測(cè)量系統(tǒng)，赤道半徑a，地心引力常數(shù)GM，地球動(dòng)力學(xué)形狀因子J2，地球自轉(zhuǎn)角速度w。導(dǎo)出常數(shù)由基本常數(shù)導(dǎo)出，便于大地測(cè)量應(yīng)用11三、參考橢球面－部分參考橢球參數(shù)一覽表

參考橢球名稱(chēng)推求年代長(zhǎng)半徑a扁率f貝塞1551：299.1528128克拉41：294.9786982赫爾墨特190663781401：298.3海福特190963783881：297.0克拉索夫斯基194063782451：298.31967年大地坐標(biāo)系197163781601：298.247167427國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)IUGG十六屆大會(huì)推薦值197563781401：298.257IUGG十七屆大會(huì)推薦值197963781371：298.257IUGG十八屆大會(huì)推薦值198363781361：298.257WGS-84198463781371：298.25722356312大地測(cè)量坐標(biāo)框架參心坐標(biāo)框架地心坐標(biāo)框架高程系統(tǒng)和高程框架深度基準(zhǔn)重力系統(tǒng)和重力測(cè)量框架13陜西涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)

大地經(jīng)緯度的概略值是：L＝108o55′，B＝34o32′152.3實(shí)用大地測(cè)量學(xué)實(shí)用大地測(cè)量學(xué)基本任務(wù)：建立地面大地控制網(wǎng)，即以精確可靠的地面點(diǎn)坐標(biāo)、高程和重力來(lái)實(shí)現(xiàn)大地測(cè)量系統(tǒng)。地面大地控制網(wǎng)：平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)和重力控制網(wǎng)地面大地控制網(wǎng)布設(shè)基本原則：從大到小，逐級(jí)控制16國(guó)家平面控制網(wǎng)目的：完成點(diǎn)位（坐標(biāo)）的傳遞和控制17平面控制測(cè)量技術(shù)水平角測(cè)量：經(jīng)緯儀——角度測(cè)量、目標(biāo)照準(zhǔn)和歸心置平181920距離測(cè)量：鋼尺、銦瓦基線尺、測(cè)距儀ABD21全站儀參數(shù)設(shè)置氣象改正棱鏡常數(shù)改正儀器加常數(shù)改正測(cè)距模式的設(shè)置22三角高程測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量：GPSGLONASSGALILEOCOMPASS23大地天文測(cè)量方法：是指用天文方法測(cè)定天文經(jīng)緯度和天文方位角。（1）津格爾（星對(duì)）測(cè)時(shí)法，又稱(chēng)東西星等高測(cè)時(shí)法；（2）塔爾科特測(cè)緯度法；（3）多星等高法（4）北極星任意時(shí)角法（5）中天法作用：控制24國(guó)家平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案25國(guó)家高程控制網(wǎng)目的和任務(wù)：（1）在全國(guó)范圍內(nèi)建立統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，為地形測(cè)圖和工程建設(shè)提供必要的高程控制（2）為地殼垂直運(yùn)動(dòng)、海面地形及其變化和大地水準(zhǔn)面起伏等地球科學(xué)研究提供精確的高程數(shù)據(jù)。布網(wǎng)原則：從高到低、從整體到局部、逐級(jí)控制、逐級(jí)加密26國(guó)家高程控制網(wǎng)27徠卡NA2/NAK2

SZ1032+DFS1自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀

TrimbleDiNi

拓普康DL-101C/102C

2829國(guó)家重力控制網(wǎng)絕對(duì)重力和相對(duì)重力重力基準(zhǔn)網(wǎng)30312.4橢球面大地測(cè)量學(xué)橢球面大地測(cè)量是實(shí)用大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這是因?yàn)椋海?）由于地球表面的彎曲，不同海拔高度處的地面幾何觀測(cè)量存在不同程度的變形（2）由于地球形狀復(fù)雜，不同地理位置上的鉛垂線之間的關(guān)系非常復(fù)雜，實(shí)用大地測(cè)量都是以鉛垂線為依據(jù)的站心地平坐標(biāo)系中進(jìn)行的。32橢球面大地測(cè)量的基本任務(wù)基本任務(wù)：研究旋轉(zhuǎn)橢球面的數(shù)學(xué)性質(zhì)，以及以該面為參考的大地測(cè)量計(jì)算問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容：大地控制網(wǎng)的地面數(shù)據(jù)向橢球面的歸算問(wèn)題；橢球面法截線和大地線的性質(zhì)，以及橢球面三角形的解算方法；大地測(cè)量主題及其解算方法；橢球面投影到平面上的問(wèn)題，以及不同形式的地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。33基本概念法截面——包含曲面一點(diǎn)法線的平面。法截線——法截面與曲面的截線。斜截線-----不包含法線的平面與曲面的截線子午圈——包含短軸的平面與橢球面的交線。卯酉圈——與橢球面上一點(diǎn)子午圈相垂直的法截線，為該點(diǎn)的卯酉圈。平行圈——垂直于短軸的平面與橢球面的交線。34大地問(wèn)題正解——已知P1點(diǎn)大地坐標(biāo)（B1，L1）、P1P2大地線長(zhǎng)S和大地方位角A1，推求P2點(diǎn)大地坐標(biāo)（B2，L2）和大地方位角A2。大地問(wèn)題反解——已知P1P2兩點(diǎn)的大地坐標(biāo)（B1，L1）、（B2，L2）反算P1P2的大地線長(zhǎng)S和大地方位角A1、A2。大地元素：大地緯度、大地經(jīng)度、大地線長(zhǎng)度、正反大地方位角大地測(cè)量主題35一、高斯投影的基本概念橫軸橢圓柱相切等角投影高斯-克呂格投影Gauss平面直角坐標(biāo)系X軸向西平移500KM36高斯投影基本要求：（1）橢球面上的角度投影到平面上后保持不變（2）中央子午線的投影是一條直線，并且是投影點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)軸（3）中央子午線投影后沒(méi)有長(zhǎng)度變形，在中央子午線方向上滿足等長(zhǎng)的條件。37三、高斯投影的分帶為限制長(zhǎng)度投影變形，投影分帶有6度分帶和3度分帶兩種方法。

382.5物理大地測(cè)量學(xué)任務(wù)：研究利用地球的重力等物理觀測(cè)量確定地球形狀、地球外部重力場(chǎng)及其變化等問(wèn)題。內(nèi)容

（1）研究地球形狀及其外部重力場(chǎng)；（2）發(fā)展重力場(chǎng)探測(cè)設(shè)備及探測(cè)方法；（3）研究利用地球重力場(chǎng)理論和信息解決大地測(cè)量科學(xué)問(wèn)題39一、地球的重力與重力位1、重力地面空間任意一質(zhì)點(diǎn)K（質(zhì)量為m）的重力g等于引力F與離心力P的合力

（1）地球引力

（2）離心力

（3）重力g=F+PλφρFPgrOxyzK40大地水準(zhǔn)面：與靜止?fàn)顟B(tài)海水面相重合的重力等位面。Geoid大地水準(zhǔn)面高，大地水準(zhǔn)面起伏41重力測(cè)量技術(shù)地面重力測(cè)量42海洋和航空重力測(cè)量43衛(wèi)星重力測(cè)量地面跟蹤衛(wèi)星測(cè)定重力場(chǎng)衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星測(cè)量重力場(chǎng)（1）高低衛(wèi)星跟蹤（2）低低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星重力梯度44452.6空間大地測(cè)量學(xué)內(nèi)容

1）建立和維持全球和區(qū)域大地測(cè)量系統(tǒng)與大地測(cè)量框架；（2）快速、精確測(cè)定全球、區(qū)域或局部空間點(diǎn)的三維位置和相互位置關(guān)系；（3）利用地面站觀測(cè)數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星軌道；（4）探測(cè)地球重力場(chǎng)及其時(shí)變，測(cè)定地球潮汐；（5）監(jiān)測(cè)和研究地球動(dòng)力學(xué)；（6）監(jiān)測(cè)和研究電離層、對(duì)流層、海洋環(huán)流、海平面變化、冰川、冰原的時(shí)變。46空間大地測(cè)量技術(shù)衛(wèi)星地面跟蹤觀測(cè)：SLR，DORIS，PRARE衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)：SA，SGG，InSAR、GPS，GLONASS，GALILEO，COMPASS衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)：高低衛(wèi)星跟蹤，低低衛(wèi)星跟蹤，高高衛(wèi)星跟蹤47衛(wèi)星激光測(cè)距SLR484950衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)51衛(wèi)星測(cè)高應(yīng)用精確重定平均海面高，實(shí)現(xiàn)海洋深度基準(zhǔn)的垂向定位測(cè)定高分辨率的海洋重力場(chǎng)反演高分辨率的海洋潮汐模型監(jiān)測(cè)海平面變化與厄爾尼諾現(xiàn)象研究和監(jiān)測(cè)海洋動(dòng)力環(huán)境52星載多普勒定軌定位技術(shù)DORIS5354MapofthecurrentDORISnetwork(2008.02)

InternationalDORISService(IDS)

http://ids.cls.fr/55精密測(cè)距測(cè)速技術(shù)PRAREPRARE是德國(guó)發(fā)展的雙頻雙程微波衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，精確測(cè)定衛(wèi)星和地面之間的距離和距離變化率。56甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)VLBI575859602.7我國(guó)50多年的大地測(cè)量進(jìn)展自習(xí)61作業(yè)大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和特點(diǎn)？大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)和大地測(cè)量坐標(biāo)框架有何異同？常用角度、距離、高程、重力等測(cè)量的技術(shù)？大地測(cè)量主題？Gauss投影特點(diǎn)及其分帶物理大地測(cè)量的內(nèi)容和任務(wù)主要有哪些空間大地測(cè)量技術(shù)？自1950s以來(lái)，我國(guó)采用了哪些平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)、重力網(wǎng)？62謝謝！63§1.2空間大地測(cè)量技術(shù)一、原理觀測(cè)量：站星矢量、衛(wèi)地距離、相鄰時(shí)刻的衛(wèi)地距離差、衛(wèi)地距離變化率PS64協(xié)議地固坐標(biāo)系與協(xié)議慣性系的關(guān)系

協(xié)議地固坐標(biāo)系與協(xié)議慣性系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要加歲差,章動(dòng),地球自轉(zhuǎn)角和極移改正.歲差：AslowgyrationofEarth‘saxisaroundthepoleoftheecliptic,causedmainlybythegravitationalpullofthesun,moon,andotherplanetsonEarth’sequatorialbulge.章動(dòng)：AsmallperiodicmotionofthecelestialpoleofEarthwithrespecttothepoleoftheecliptic.極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球的晃動(dòng)65空間大地測(cè)量的觀測(cè)方法1、衛(wèi)星攝影法2、衛(wèi)星多普勒3、衛(wèi)星激光測(cè)距4、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量5、衛(wèi)星測(cè)高6、全球定位系統(tǒng)（GPS）66衛(wèi)星激光測(cè)距

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

,計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻地面到衛(wèi)星的距離.

目前的距離測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí).Lageos衛(wèi)星的人衛(wèi)激光觀測(cè)資料對(duì)目前低階重力場(chǎng)的確定起到重要作用.67人衛(wèi)激光儀68裝有激光發(fā)射棱鏡的衛(wèi)星69甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量觀測(cè)對(duì)象：河外類(lèi)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)差等射電源電磁波射電望遠(yuǎn)鏡射電望遠(yuǎn)鏡70衛(wèi)星測(cè)高71H海面橢球面衛(wèi)星測(cè)高原理72全球定位系統(tǒng)（GPS）1989年發(fā)射工作衛(wèi)星1994年部署完24顆衛(wèi)星系統(tǒng)由三大部分組成：1、GPS衛(wèi)星2、地面控制部分3、用戶部分73GPS接收機(jī)74§1.3地球形狀表述的數(shù)學(xué)模型和物理模型1.3.1大地水準(zhǔn)面—具有物理意義的地球形狀表述即貼近于平均海水面的重力等位面。Whatwecallinthegeometricsensethesurfaceoftheearthisnothingelsebutthatsurfacewhichintersectsthedirectionofgravityatrightanglesandfromwhichthesurfaceoftheworld’soceanisapart.C.Gauss1828WeshallcallthepreviouslydefinedmathematicalsurfaceoftheEarth,ofwhichtheoceansurfaceisapart,geoidalsurfaceoftheEarthorthegeoid.J.Listing1873了75大地水準(zhǔn)面

橢球面大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面差距1.與重力線垂直，是重力等位面2.貼近于平均海水面76全球大地水準(zhǔn)面圖

771.3.2參考橢球面定義：與區(qū)域性大地水準(zhǔn)面吻合的旋轉(zhuǎn)橢球面。參數(shù)：長(zhǎng)半徑a，扁率

起始子午面橢球的定位與定向：確定參考橢球與區(qū)域性大地水準(zhǔn)面的