測繪學概論第2章

1、第2章 大地測量學 主要內(nèi)容綱要： 2.1 概述 2.2 大地測量系統(tǒng)與大地測量參考框架 2.3 實用大地測量學 2.4 橢球面大地測量學 2.5 物理大地測量學 2.6 衛(wèi)星大地測量學 2.7 大地測量學的時間基準 2.8 我國近五十年大地測量的進展 2.1 2.1 概述 大地測量學是一門古老而又年輕的科學, 是地球科學的一個分支。其基本目標是 測定和研究地球空間點的位置、重力及其隨時間變化的信息, 為國民經(jīng)濟建設和 社會發(fā)展、國家安全、以及地球科學和空間科學研究等提供大地測量基礎設施、 信息和技術支持?，F(xiàn)代大地測量學與地球科學和空間科學的多個分支相互交叉, 已成為推動地球科學、空間科學和軍

2、事科學發(fā)展的前沿科學之一, 其范圍也已從 測量地球發(fā)展到測量整個地球外空間。 2 .1 .1 大地測量學的基本任務 v 大地測量學的基本任務是: ( 1) 建立和維護高精度全球和區(qū)域性大地測量系統(tǒng)與大地測量參考框架; ( 2) 獲取空間點位置的靜態(tài)和動態(tài)信息; ( 3 )測定和研究地球形狀大小、地球外部重力場及其隨時間的變化; ( 4) 測定和研究全球和區(qū)域性地球動力學現(xiàn)象, 包括地球自轉與極移、地球潮汐、板塊運動與地殼形變以及 其他全球變化; (5 )研究地球表面觀測量向橢球面和平面的投影變換及相關的大地測量計算問題; ( 6) 研究新型的大地測量儀器和大地測量方法; ( 7) 研究空間大地

3、測量理論和方法; ( 8) 研究月球和行星大地測量理論和方法, 研究月球或行星探測器定位、定軌和導航技術, 構建月球或行星 坐標參考系統(tǒng)和框架, 探測月球和行星重力場。 v 20 世紀70 年代以前的大地測量通常稱為傳統(tǒng)大地測量。70 年代以后, 形成了 現(xiàn)代大地測量, 它通常具有六個特點。 1 . 長距離、大范圍 2 . 高精度 3 . 實時、快速 4 .“時間維” 5 . 地心 6 . 學科的融合 2 .1 .2 大地測量學的作用與服務對象 大地測量學是測繪科學與技術的重要理論基礎, 是地理信息系統(tǒng)、數(shù)字地球、 數(shù)字中國和數(shù)字區(qū)域的幾何和物理的基礎平臺, 它通過將各種空間信息源統(tǒng)一起 來,

4、 重構這些信息源之間的幾何和物理的拓撲關聯(lián)。因此, 大地測量是組織、管 理、融合和分析地球海量時空信息的一個數(shù)理基礎, 也是描述、構建和認知地球, 進而解決地球科學問題的一個時空平臺。 任何與地理位置有關的測繪都必須以法定的或協(xié)議的大地測量基準為基礎。 各種測繪只有在大地測量基準的基礎上, 才能獲得統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的、法定的坐標 和高程系統(tǒng), 才能獲得正確的點位和海拔高以及點之間的空間關系和尺度。 服務對象： v1 . 經(jīng)濟建設 大地測量廣泛應用于大范圍、跨地區(qū)工程的精密測量控制, 是確保工程規(guī)劃放樣到實地,確保按設計圖 紙實施的一種重要技術手段。 v2 . 資源與環(huán)境發(fā)展 測定全球和局域重力場及

5、其時變 勘探地下資源 大地測量形變監(jiān)測 地震、地質等災害監(jiān)測、分析和預報 空間大地測量技術 無線通信、氣象、汛情、全球變化的預報預測 v3 . 空間技術與航天工程 v4 . 地球自轉與地球動力學 v5 . 國防安全與軍事信息化 2 .1 .3 大地測量學的現(xiàn)代發(fā)展 20 世紀80 年代以來, 由于空間技術、計算機技術和信息技術的飛躍發(fā)展, 以 電磁波測距、衛(wèi)星測量、甚長基線干涉測量等為代表的新的大地測量技術出現(xiàn), 給傳統(tǒng)大地測量帶來了革命性的變革, 形成了現(xiàn)代大地測量學?，F(xiàn)代大地測量則 已超過原來傳統(tǒng)的研究內(nèi)容, 將原來所考慮的靜態(tài)內(nèi)容, 在長距離、大范圍、實 時和高精度測量的條件下, 和時間

6、(歷元) 這一因素聯(lián)系起來。 現(xiàn)代大地測量學業(yè)已形成了學科交叉意義上的一門科學, 它將更大地影響和 促進地球科學、環(huán)境科學和行星科學的發(fā)展。 2 .1 .4 大地測量學的學科分類 大地測量學的學科有著多種分類方法, 而且相互交叉。本書按照所研究的內(nèi) 容將現(xiàn)代大地測量學分為四類: 實用大地測量學、橢球面大地測量學、物理大地測量學和衛(wèi)星大地測量學。 海洋大地測量學、動力大地測量學以及月球和行星大地測量學 主要是利用上述 四個方面內(nèi)容中的有關理論和方法形成的。 2 .2 2 .2 大地測量系統(tǒng)與參考框架 大地測量系統(tǒng)是總體概念, 大地測量參考框架是大地測量系統(tǒng)的具體應用形式。 大地測量系統(tǒng)包括：坐標

7、系統(tǒng)、高程系統(tǒng)/ 深度基準和重力參考系統(tǒng)。 與大地測量系統(tǒng)相對應, 大地測量參考框架有： 坐標( 參考) 框架、高程( 參考) 框架和重力測量( 參考) 框架三種。 2 .2 .1 大地測量坐標系統(tǒng)和大地測量常數(shù) 根據(jù)其原點位置不同, 分為地心坐標系統(tǒng)和參心坐標系統(tǒng)。 從表現(xiàn)形式上分, 大地測量坐標系統(tǒng)又分為 空間直角坐標系統(tǒng)、大地坐標系統(tǒng)和球坐標系統(tǒng)三種形式。 空間直角坐標一般用( x, y, z)表示; 大地坐標用(經(jīng)度, 緯度, 大地高H )表示, 其中大地高H 是指空間點沿橢球面法線方向高出橢球面的距離。 1. 地心坐標系統(tǒng) 地心坐標系統(tǒng)應滿足以下四個條件: ( 1) 原點位于整個地球

8、(包括海洋和大氣) 的質心; ( 2)尺度是廣義相對論意義下某一局部地球框架內(nèi)的尺度; ( 3)定向為國際時間局測定的某一歷元的協(xié)議地極和零子午線, 稱為地球定向參數(shù)EOP ; ( 4 ) 定向隨時間的演變滿足地殼無整體運動的約束條件。 圖2-1 地心坐標系示意圖 2 . 參心坐標系統(tǒng) 參心坐標系統(tǒng)的原點位于參考橢球中心, z 軸( 橢球旋轉軸) 與地球自轉軸平行, x 軸在參考橢球 的赤道面并平行于天文起始子午面。 新中國成立初期, 由于缺乏天文大地網(wǎng)觀測資料, 我國暫時采用了克拉索夫斯基參考橢球, 并與 前蘇聯(lián)1942 年坐標系統(tǒng)進行聯(lián)測, 通過計算建立了我國大地坐標系統(tǒng), 稱為北京195

9、4 (大地) 坐 標系統(tǒng)。20 世紀80 年代, 采用IUGG75 橢球為參考橢球, 經(jīng)過大規(guī)模的天文大地網(wǎng)計算, 建立了 比較完善的我國獨立的參心坐標系統(tǒng), 稱為西安1980 坐標系統(tǒng)。西安1980坐標系統(tǒng)克服了北京 1954 坐標系統(tǒng)對我國大地測量計算的某些不利影響。 3 . 大地測量常數(shù) 大地測量常數(shù)是指與地球一起旋轉且和地球表面最佳吻合的旋轉橢球(即地球橢球) 幾何和物理參數(shù)。 它分為基本常數(shù)和導出常數(shù)。 基本常數(shù)惟一定義了大地測量系統(tǒng)。 導出常數(shù)由基本常數(shù)導出 , 便于大地測量應用。 大地測量常數(shù)按屬性分為幾何常數(shù)和物理常數(shù)。 我國西安 1980 坐 標系統(tǒng)采用 IUGG75 的大地

10、測量常數(shù)。 目前 , 正被廣泛使用的常數(shù)是 GRS80 定義的。 1) 大地測量基本常數(shù) 地球橢球的幾何和物理屬性可由四個基本常數(shù)完全確定 , 這四個基本常數(shù)就是大地測量基本常數(shù)。 a; GM; J2 ; 2) 大地測量導出常數(shù) 大地測量導出常數(shù)比較多 , 常用的有 : (1 )橢球短半軸 : (2 )幾何扁率 : 2 1 eababa/e 22 a ba f 2 .2 .2 大地測量坐標框架 1 . 參心坐標框架 傳統(tǒng)的大地測量坐標框架是由天文大地網(wǎng)實現(xiàn)和維持的 , 一般定義在參心坐標系統(tǒng)中 , 是一種 區(qū)域性、二維、靜態(tài)的地球坐標框架。 20 世紀 , 世界上絕大部分國家或地區(qū)都采用天文大

11、地網(wǎng) 來實現(xiàn)和維持各自的參心坐標框架。 我國在 20 世紀 5080 年代完成的全國天文大地網(wǎng) , 不同時期分別定義在北京 1954 坐標系 統(tǒng)和西安 1980 坐標系統(tǒng)中。 天文大地控制點( 大地點)覆蓋我國大陸和海南島 , 采用整體平差方 法構建了我國參心坐標框架。 2 . 地心坐標框架 國際地面參考框架( ITRF )是國際地面參考系統(tǒng)( ITRS )的 具體實 現(xiàn)。 它以甚長基線干涉測量( VLBI) 、衛(wèi)星激光測距( SLR )、激光測月 ( LLR )、GPS 和 衛(wèi)星多普勒定軌定位( DORIS )等空間大地測量技術構成全球觀測網(wǎng)點 , 經(jīng)數(shù)據(jù)處理 , 得到 ITRF點 (地面觀

12、測站)的 站坐標和 速度場等。 目前 , ITRF 已成為國際公認的應用最廣泛、精度最高的地心坐標框架。 2 .2 .3 高程系統(tǒng)和高程框架 1 . 高程基準 高程基準定義了陸地上高程測量的起算點。區(qū)域性高程基準可以用驗潮站的長期 平均海面來確定 , 通常定義該平均海面的高程為零。 在地面預先設置好一固定點 ( 組 ) , 利用精密水準測量聯(lián)測固定點與該平均海面 的高差 , 從而確定固定點 ( 組 ) 的海拔高程。 這個固定點就稱為水準原點 , 其高 程就是區(qū)域性水準測量的起算高程。 2 . 高程系統(tǒng) 我國的高程系統(tǒng)采用正常高系統(tǒng)。 正常高的起算面是似大地水準面( 似大地水準面可由物理大地測量

13、方法確 定)。 由地面點沿垂線向下至似大地水準面之間的距離 , 就是該點的正常高 , 即該點的高程。 3 . 高程框架 高程框架是高程系統(tǒng)的實現(xiàn)。 我國水準高程框架由全國高精度水準控制網(wǎng) 實現(xiàn),以黃海高程基準為起算基準,以正常高系統(tǒng)為水準高差傳遞方式。 水準高程框架分為四個等級,分別稱為國家一、二、三、四等水準控制網(wǎng)。 框架點的正常高采用逐級控制,其現(xiàn)勢性通過一等水準控制網(wǎng)的定期全線復測和 二等水準控制網(wǎng)部分復測來維護。 高程框架的另一種形式是通過(似)大地水準面來實現(xiàn)。 2 .2 .4 深度基準 1 . 深度基準概念 深度是指在海洋(主要指沿岸海域) 水深測量所獲得的水深值 , 是從測量時的

14、 海面( 即瞬時海面)起算的。 由于受潮汐、海浪和海流等的影響 , 瞬時海面的位置會隨時間發(fā)生變化 , 因 此 ,同一測深點在不同時間測得的瞬時深度值是不一樣的。 為此 , 必須規(guī)定一個 固定的水面作為深度的參考面 , 把不同時間測得的深度都化算到這一參考水面上 去。 這一參考水面即稱為深度基準面。 深度基準面通常取在當?shù)仄骄Ｃ嬉韵律疃?為 L 的位置( 如圖 2-4 ) 。由于不同海域的 平均海面不同 , 所以深度基準面對于平均海面 的偏差因地而異。由于各國求L值的方法有別 , 所采用的深度基準面也不相同。甚至有的國家 ( 如美國 ) ,在不同海岸采用不同的計算模型。 2 . 我國采用的深

15、度基準面 我國 1956 年以前采用略最低低潮面作為深度基準面。 1956 年以后 采用弗拉基米爾斯基理論最低潮面(簡稱理論最低潮面) , 作為深度基準面。 2 .2 .5 重力系統(tǒng)和重力測量框架 重力是重力加速度的簡稱。重力測量就是測定空間一點的重力加速度。 重力基準就是標定一個國家或地區(qū)的(絕對) 重力值的標準。 在20世紀5070年代,我國采用波茨坦重力基準,而我國重力參考系統(tǒng)采用克 拉索夫斯基橢球常數(shù)。 20世紀80年代,我國重力基準用經(jīng)過國際比對的高精度相對重力儀自行測定, 而重力參考系統(tǒng)則采用IUGG75 橢球常數(shù)及其相應的正常重力場。 20世紀初,我國用國際重力局標定的高精度絕對

16、重力儀和相對重力儀測定我國 新的重力基準。 目前的重力系統(tǒng)采用 GRS80 橢球常數(shù)及其相應的正常重力場。 國家重力測量框架由分布在全國的若干絕對重力點和相對重力點構成的重力控 制網(wǎng),以及用做相對重力尺度標準的若干條長短基線構成。 新中國成立以來,我國先后建立了1957重力基本網(wǎng)、1985國家重力基本網(wǎng)和 2000 國家重力基本網(wǎng)。 目前啟用的國家重力測量框架為2000國家重力基本網(wǎng)。 20世紀我國一直采用CQ G1980似大地水準面,從20世紀開始我國采用更高精度、 更高分辨率和包含全部陸海國土的新的似大地水準面 CQG2000。 2 .3 2 .3 實用大地測量學 u 實用大地測量學的基本

17、任務是建立地面大地控制網(wǎng) , 即以精確可靠的地面點坐標、高程和重 力值來實現(xiàn)大地測量系統(tǒng)。 u 地面大地控制網(wǎng)大體分為平面控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)和重力控制網(wǎng)三類。 u 地面大地控制網(wǎng)的布設一般遵循 “ 從大到小、逐級控制”的原則 , 從高級控制網(wǎng)通過幾個等級 逐步過渡到實際業(yè)務工作,包括測制地圖所需的低級控制網(wǎng),其精度逐級降低,邊長逐級縮短。 u 國家大地控制網(wǎng)是主控制網(wǎng) , 是國家所有地理坐標、高程、重力值的基礎 , 其精度和可靠性 應足以保證國家各類工程和各種測繪的需要。 （應覆蓋全國國土并有必要的密度、 應定期進 行復測。） 2 .3 .1 實用大地測量學的任務與方法 2 .3 .2 國家平

18、面控制網(wǎng) 1 . 平面控制測量目的 進行平面控制測量的主要目的是完成點位(坐標) 的傳遞和控制。 點位傳遞的概念： 點位控制的概念： 平面控制測量按測量的精度等級高低分為一等至四等4個級別的平面控制網(wǎng)。 國家在建立平面控制測量網(wǎng)時 , 必須逐級布測 , 逐級控制 , 最終布滿全國。 2 . 平面控制測量的技術 1) 水平角測量 主要測量儀器是經(jīng)緯儀。 不論是哪種類型的光學經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀 , 都是由 角度測量、目標照準和歸心置平三大裝置組成。 2) 距離測量 為推算平面控制點的坐標,必須在網(wǎng)中選擇少量邊長作為起始邊,并測定 其長度 , 以此確定網(wǎng)的尺度標準。我國平面控制網(wǎng)的起始邊大多采用膨脹

19、系數(shù) 極小的銦瓦基線尺直接丈量或組成基線網(wǎng)推算出來。光電測距儀和微波測距儀 (如圖 2-8 )先后問世后,逐步取代了銦瓦基線尺,成為精密距離測量的主要工具。 3) 三角高程測量 三角高程測量是在三角網(wǎng)水平角觀測的同時 , 觀測相鄰兩點的 垂直角(豎角) , 并通過三角網(wǎng)的計算求得兩點間水平邊長或利用測 距儀直接測定邊長 , 進而計算兩點間的大地高差。 4) 衛(wèi)星定位測量 利用衛(wèi)星定位系統(tǒng) , 如 GPS, GLONASS 和今后的GALILEO等 , 也可以測定和傳遞控制點的坐標。這是近年來迅速發(fā)展的測定點位的 新 技術 , 是衛(wèi)星大地測量的內(nèi)容。 3 . 大地天文測量 1) 大地天文測量方法

20、 大地天文測量是指用天文觀測方法測定天文方位角和天文經(jīng)緯度。它通過 測量天體的天頂角、天體經(jīng)過某一特定位置的時間或者天體在任意位置的方向等 幾何和物理量而得到天文方位角和天文經(jīng)緯度。 常見的天文經(jīng)緯度和天文方位角測量方法有 : ( 1) 津格爾(星對) 測時法。(2 ) 塔爾科特測緯度法。(3 )多星等高法。(4 ) 北極星任意時角法。 ( 5) 中天法。 2) 大地天文測量 的作用 在傳統(tǒng)的一等三角鎖中,每個鎖段的兩端都需測定天文經(jīng)緯度和天文方位角, 以控制鎖段的方位角傳遞誤差,使得國家平面控制網(wǎng)的方位控制更加完善。 此外,在一等鎖和二等網(wǎng)中,每隔一定距離也要測定天文經(jīng)緯度,以便將地面 的觀

21、測量,如方向、角度和長度歸算到參考橢球面上。 4 . 國家平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案 國家平面控制網(wǎng)根據(jù)當時的測繪技術水平和條件 , 可以采用傳統(tǒng)的測量角度、 邊長的技術 , 也可以采用衛(wèi)星定位技術布設平面控制網(wǎng)。我國的一等三角鎖系是 國家平面控制網(wǎng)的骨干 ( 如圖 2-9 ) , 其作用是在全國范圍內(nèi)迅速建立一個統(tǒng)一 坐標系統(tǒng)的框架 , 為控制二等及以下各級三角網(wǎng)的建立并為研究地球形狀和大小 提供資料。 2 .3 .3 國家高程控制網(wǎng) 國家高程控制網(wǎng)布設的目的和任務有兩個 : 一是在全國范圍內(nèi)建立統(tǒng)一的高程控制網(wǎng) , 為地形測圖和工程建設提供必要的高 程控制 ; 二是為地殼垂直運動、海面地形及其變

22、化和大地水準面形狀等地球科學研究提供 精確的高程數(shù)據(jù)。 1 . 國家水準網(wǎng)的布網(wǎng)方案 國家水準網(wǎng)采用從高到低, 從整體到局部, 逐級控制,逐級加密的方式布設,分為 一、二、三、四等水準網(wǎng)。一等水準網(wǎng)是國家高程控制的骨干; 二等水準網(wǎng)是國 家高程控制的全面基礎; 三、四等水準網(wǎng)直接為地形測圖和工程建設提供高程控 制點。各級水準路線必須自行閉合或閉合于高等級的水準點,構成環(huán)形或附合路 線,以便控制水準測量系統(tǒng)誤差的累積和便于在高等級的水準環(huán)中布設低等級的 水準路線。一等閉合環(huán)線周長一般為 10001500 km; 二等閉合環(huán)線周長一般為 500750 km。 2 . 國家水準網(wǎng)的觀測 水準測量是目前精確測定地面點海拔高程的主要手段,其主要測量設備是水準儀 和水準尺(如圖 2-11 )。 水準儀置平后, 其視線將給出當?shù)厮矫?根據(jù)視線 在前后兩個直立的水準尺上 的讀數(shù), 就可測定兩個水準尺零點( 底部)之間的高差, 從而實現(xiàn)高程傳遞。 如圖 2-12, 水