第二章大地測量學(xué)

1、第二章 大地測量學(xué)大地測量學(xué)的基本任務(wù) 建立和維護(hù)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 獲取空間點(diǎn)位置的靜態(tài)和動態(tài)信息 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 測定和研究全球和區(qū)域性地球動力學(xué)現(xiàn)象 研究地球表面觀測量向橢球和平面的投影變換及相關(guān)的大地測量問題 研究新型的大地測量儀器和大地測量方法 研究空間大地測量理論和方法 研究月球和行星大地測量理論和方法大地測量的特點(diǎn) 長距離，大范圍 高精度 實(shí)時、快速 時間維 地心坐標(biāo) 學(xué)科融合大地測量學(xué)的作用 經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展 防災(zāi)、減災(zāi)、和救災(zāi) 環(huán)境監(jiān)測、評估與保護(hù) 發(fā)展空間技術(shù)和國防建設(shè) 地球科學(xué)研究大地測量學(xué)的發(fā)展階段

2、學(xué)科萌芽階段 天圓地方地圓說子午圈弧度測量、估算地球半徑學(xué)科形成階段 光學(xué)測量儀器出現(xiàn)、三角測量法、哥白尼日心說、開普勒行星三大定律、伽利略用自由落體原理進(jìn)行重力測量、惠更斯用擺測重力、牛頓和惠更斯的地扁說19世紀(jì)的大地測量 高斯的最小二乘理論、橢球面大地測量學(xué)的形成、正形投影、大地經(jīng)度、大地緯度和方位角的高斯公式、大地水準(zhǔn)面的概念現(xiàn)代大地測量學(xué)的形成 人造衛(wèi)星、甚長基線干涉測量、電子計(jì)算機(jī)、電磁波測距等技術(shù)的出現(xiàn)大地測量學(xué)的學(xué)科體系分類 大地測量學(xué)基本分支： 常規(guī)大地測量學(xué)、物理大地測量學(xué)、空間大地測量學(xué) 跨學(xué)科性質(zhì)： 動力大地測量學(xué)、海洋大地測量學(xué)、月球和行星測量、天文大地測量學(xué)大地測量系

3、統(tǒng)與參考框架 大地測量系統(tǒng)是總體概念，包括：坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、深度基準(zhǔn)、重力系統(tǒng) 參考框架是由若干個固定在地面上的大地網(wǎng)點(diǎn)或其它實(shí)體按相應(yīng)于大地測量系統(tǒng)的規(guī)定模式構(gòu)建，是測量系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，包括：坐標(biāo)框架、高程框架、重力測量框架大地測量坐標(biāo)系統(tǒng) 大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)規(guī)定了大地測量起算基準(zhǔn)的定義及其相應(yīng)的大地測量常數(shù)。 大地坐標(biāo)系統(tǒng)： 地心坐標(biāo)系統(tǒng)和參心坐標(biāo)系統(tǒng) 空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)、大地坐標(biāo)系統(tǒng)和球面坐標(biāo)系統(tǒng) 點(diǎn)的位置表示方法：空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo) 大地測量坐標(biāo)系統(tǒng) 地心坐標(biāo)系統(tǒng)： 原點(diǎn)位于整個地球的質(zhì)心，z軸與某一歷元的地球北極重合，x軸在赤道面內(nèi)指向零子午線，y軸與x,z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 大

4、地測量坐標(biāo)系統(tǒng) 參心坐標(biāo)系統(tǒng)： 原點(diǎn)位于參考橢球中心，z軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行，x軸在赤道面內(nèi)并并行于零子午面，y軸與x,z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 大地測量常數(shù) 大地測量常數(shù)是指與地球一起旋轉(zhuǎn)并和地球表面最佳吻合的旋轉(zhuǎn)橢球的幾何和物理參數(shù)。分為基本常數(shù)和導(dǎo)出常數(shù)。 基本常數(shù)： 地球赤道半徑a;地心引力常數(shù)GM;地球動力學(xué)形狀因子J2；地球自轉(zhuǎn)角速度 導(dǎo)出常數(shù)：橢球短半軸、幾何扁率大地測量坐標(biāo)框架 參心坐標(biāo)框架 由天文大地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)和維持的，定義在參心坐標(biāo)系統(tǒng)中，是一種區(qū)域性、二維靜態(tài)的地球坐標(biāo)框架。 1954坐標(biāo)系統(tǒng)和1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)大地測量坐標(biāo)框架 地心坐標(biāo)框架是國際地面參考系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，以現(xiàn)代大

5、地測量技術(shù)構(gòu)成全球觀測網(wǎng)點(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到ITRF點(diǎn)的站坐標(biāo)和速度場。 GPS2000坐標(biāo)系高程系統(tǒng)和高程框架 高程基準(zhǔn) 根據(jù)青島大港驗(yàn)潮站觀測的黃海平均海水面為基準(zhǔn)面，在青島觀象山上設(shè)立了水準(zhǔn)原點(diǎn) 高程系統(tǒng) 我國的高程系統(tǒng)采用的是正常高系統(tǒng)，是地面點(diǎn)沿鉛垂線方向至似大地水準(zhǔn)面的距離。 高程框架 由全國高精度水準(zhǔn)控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，以黃海高程基準(zhǔn)為起算基準(zhǔn)，以正常高系統(tǒng)為高差的傳遞方式，建立水準(zhǔn)控制網(wǎng)，其現(xiàn)勢性通過定期復(fù)測來實(shí)現(xiàn)。深度基準(zhǔn) 深度基準(zhǔn)面通常選取在當(dāng)?shù)仄骄Ｋ嬉韵律疃葹長的地方。 我國采用的深度基準(zhǔn)面為理論最低潮面重力系統(tǒng)和重力測量框架 重力測量就是測定空間點(diǎn)的重力加速度。 我國的重力

6、基準(zhǔn)： 50-70年代，波茨坦重力基準(zhǔn)，參考系統(tǒng)為克拉索夫斯基橢球常數(shù)。 80年代，采用IUGG75橢球常數(shù)及其重力場 目前，GRS80橢球常數(shù)及其重力場 重力測量框架 由分布在全國的若干絕對重力點(diǎn)和相對重力點(diǎn)構(gòu)成的重力控制網(wǎng)以及用作相對重力尺度標(biāo)準(zhǔn)的若干條長短基線構(gòu)成。應(yīng)用大地測量學(xué) 任務(wù)和方法 任務(wù)：在全國范圍內(nèi)建立高精度的大地控制網(wǎng)，精密確定地面點(diǎn)的位置。 國家平面控制網(wǎng)：分級布網(wǎng)、逐級控制 布網(wǎng)類型：三角網(wǎng)、測邊網(wǎng)、邊角網(wǎng)、GPS網(wǎng) 國家高程控制網(wǎng)：從高到低、從整體到局部、逐級控制、逐級加密國家平面控制網(wǎng) 平面控制測量目的 點(diǎn)位坐標(biāo)的傳遞和控制 平面控制測量的技術(shù) 水平角測量、距離測量

7、、三角高程測量、衛(wèi)星定位測量 平面控制網(wǎng)的布網(wǎng)方案 一等三角鎖200km，平均邊長30km平面測量儀器國家高程控制網(wǎng) 目的 在全國范圍內(nèi)建立統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)；為地殼垂直運(yùn)動、還沒地形及其變化和大地水準(zhǔn)面形狀等研究提供精確的高程數(shù)據(jù)。 布網(wǎng)方案 從高到低、從整體到局部、逐級控制、逐級加密 一等水準(zhǔn)網(wǎng)： 是國家高程控制網(wǎng)的骨干，環(huán)線周長 1000km1500km 二等水準(zhǔn)網(wǎng)： 是國家高程控制的全面基礎(chǔ)，環(huán)線周長 500km750km 三、四等水準(zhǔn)網(wǎng)：直接為地形測圖和工程建設(shè)提供高程點(diǎn)國家高程控制網(wǎng) 水準(zhǔn)網(wǎng)觀測國家高程控制網(wǎng) 水準(zhǔn)測量儀器國家重力控制網(wǎng) 重力控制網(wǎng)的作用 在大地測量中，幫助研究地球形

8、狀和嚴(yán)密處理觀測數(shù)據(jù)。 在空間技術(shù)中需要它提供地球外部重力場的資料。 國家重力控制網(wǎng) 采用相對重力測量的技術(shù)手段。 我國的重力控制網(wǎng)分為二級：重力基準(zhǔn)網(wǎng)和一等重力網(wǎng)。 重力基準(zhǔn)網(wǎng)包括：絕對重力點(diǎn)和相對重力點(diǎn)，絕對重力點(diǎn)又稱為基準(zhǔn)重力點(diǎn)，相對重力點(diǎn)又稱為基本重力點(diǎn)。點(diǎn)間距離為300-1000km。 一等重力網(wǎng)點(diǎn)間距為100-300km 橢球面大地測量學(xué) 研究與大地水準(zhǔn)面最佳擬合的旋轉(zhuǎn)橢球面的數(shù)學(xué)性質(zhì)以及以該面為參考的一切大地測量計(jì)算問題的學(xué)科。 內(nèi)容： 大地控制網(wǎng)的地面數(shù)據(jù)向橢球面的歸算問題； 橢球面法截線和大地線的性質(zhì)； 橢球面三角形的解算方法； 大地測量主題及其解算方法； 橢球面投影到平面上

9、的問題。橢球面大地線 法截線和大地線 法截面：包含橢球面上的一點(diǎn)法線的平面。 法截線：法截面與該橢球面的交線。 大地線（測地線）：橢球面上兩點(diǎn)間的最短曲線。 大地主題解算 大地正算： 已知A點(diǎn)的大地坐標(biāo)和其至B點(diǎn)的大地方位角和距離，計(jì)算B點(diǎn)的大地坐標(biāo)和大地方位角。 大地反算： 已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的大地坐標(biāo)，計(jì)算兩點(diǎn)上的正反方位角和期間的距離。高斯克呂格投影 是等角橫切橢球柱投影 特點(diǎn)：投影后角度保持不變 中央子午線的投影長度不變，且是 一條直線，為X軸。 赤道線的投影是一條直線為Y軸高斯克呂格投影分帶 3度帶和6度帶高斯克呂格投影的通用坐標(biāo) 自然坐標(biāo)和通用坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換 我國位于北半球，X值全部為正，

10、Y值有正 有負(fù)，為了計(jì)算方便，不出現(xiàn)負(fù)的Y坐標(biāo)值， 將X軸向西移動500公里，并在Y坐標(biāo)前加 上所在帶號，稱為通用值。物理大地測量 應(yīng)用重力測量的方法確定地球形狀、外部重力場及其變化的學(xué)科。 地球形狀及其外部重力場是地球坐標(biāo)系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 主要內(nèi)容： 重力測量的儀器與方法； 重力位理論； 地球形狀及其外部重力場的基本理論； 用重力場理論和信息解決大地測量科學(xué)問題。地球重力場理論的基本概念 重力：地球引力和離心力的合力，單位為伽，方 向?yàn)殂U垂線方向，大小與該點(diǎn)位置有關(guān)。 重力場：地球空間點(diǎn)處的重力強(qiáng)度，用地球重力位或 重力表示。 大地水準(zhǔn)面：與靜止的平均海水面重合的那個重 力等位面。 大地

11、水準(zhǔn)面差距：大地水準(zhǔn)面與參考橢球面之間的垂 直距離。 重力測量技術(shù) 地面重力測量技術(shù) 絕對重力測量和相對重力測量重力測量技術(shù)海洋和航空重力測量 利用裝載在輪船或飛機(jī)上的相對重力儀所進(jìn)行的連續(xù)重力測量。衛(wèi)星重力測量 a.地面跟蹤衛(wèi)星測定地球重力場 通過觀測地面跟蹤站至衛(wèi)星的方向、距離、距離變化率、 相位，推算地球重力場。 b.衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星測量地球重力場 分為高低衛(wèi)星跟蹤和低低衛(wèi)星跟蹤。 SST-hl:利用低軌衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)與GPS衛(wèi)星星座構(gòu)成空間跟蹤網(wǎng)。德國的CHAMP衛(wèi)星。 SST-ll:指同一軌跡上兩顆相距200-300km的低軌衛(wèi)星，以微米級的測距精度相互跟蹤。GRACE采用SST-

12、ll和SST-hl組合跟蹤模式。衛(wèi)星大地測量 是利用空間技術(shù)手段進(jìn)行區(qū)域或全球大地測量的學(xué)科。 主要內(nèi)容： 1.建立和維持全球和區(qū)域性大地測量系統(tǒng)與大地測量框架 2.快速、精確測定全球、區(qū)域或局部空間點(diǎn)的三維位置和 相互位置關(guān)系 3.確定衛(wèi)星軌道 4.探測地球重力場及其時間變化，測定地球潮汐 5.監(jiān)測和研究地球動力學(xué) 6.監(jiān)測和研究電離層、對流層、海洋環(huán)流、海平面變化、 冰川、冰原的時間變化衛(wèi)星大地測量 分類 根據(jù)觀測目標(biāo)：衛(wèi)星地面跟蹤觀測、衛(wèi)星對地觀測、衛(wèi)星對衛(wèi)星觀測 根據(jù)原理：幾何法和動力法 幾種衛(wèi)星測量技術(shù) 甚長基線干涉測量（VLBI） 是一種接收河外射電源發(fā)出的波，來進(jìn)行射電干涉測量的

13、技術(shù)。適用于測定極移、日長、全球板塊運(yùn)動和區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動。原理： VLBI特點(diǎn)： 是一種幾何方法， 具有長期的穩(wěn)定性， 提供了一個以河外射電源為參考的坐標(biāo)系，是目前最佳的準(zhǔn)慣性參考系。幾種衛(wèi)星測量技術(shù) 全球定位系統(tǒng)（GPS） 衛(wèi)星激光測距（SLR） 地基衛(wèi)星激光測距 空基激光測地系統(tǒng) 衛(wèi)星對衛(wèi)星測距 SLR應(yīng)用：精密測定地心絕對坐標(biāo) 建立全球或區(qū)域地心參考框架 測定低頻地球重力場參數(shù) 測定地球質(zhì)心的變化 監(jiān)測板塊運(yùn)動 監(jiān)測地球自轉(zhuǎn)參數(shù)及變化 測定海潮波參數(shù) 測定地心引力常數(shù)幾種衛(wèi)星測量技術(shù) 衛(wèi)星雷達(dá)測高（SRA） 利用雷達(dá)測高儀測定至瞬時海水面間的垂直距離來測定地球重力場，研究海洋學(xué)、地球物理學(xué)中的各種物理現(xiàn)象的方法和技術(shù)。幾種衛(wèi)星測量技術(shù) SRA應(yīng)用 實(shí)際測定海洋區(qū)域的大地水準(zhǔn)面 探測出海底山脈、斷裂帶和地塹構(gòu)造，并給出物理解釋 可研究洋流、海潮的范圍、幅度及其隨時間得變化規(guī)律 確定冰蓋的形狀大小及其變化情況大地測量學(xué)的發(fā)展趨勢 向地球科學(xué)基礎(chǔ)性研究領(lǐng)域深入發(fā)展 空間大地測量將主導(dǎo)著學(xué)科未來的發(fā)展 全球定位系統(tǒng) 衛(wèi)星激光測距 衛(wèi)星測高 射電源甚長基線干涉測量 雙向無線電衛(wèi)星定位