《大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)》課件1

1、1,1 大地測(cè)量學(xué)的定義和作用 1.1 大地測(cè)量學(xué)的定義 大地測(cè)量學(xué) 是指在一定的時(shí)間與空間參考系中，測(cè)量和描繪地球形狀及其重力場(chǎng)并監(jiān)測(cè)其變化，為人類(lèi)活動(dòng)提供關(guān)于地球的空間信息的一門(mén)學(xué)科。 經(jīng)典大地測(cè)量：地球剛體不變、均勻旋轉(zhuǎn)的球體或橢球體；范圍小。 現(xiàn)代大地測(cè)量：空間測(cè)繪技術(shù)(人造地球衛(wèi)星、空間探測(cè)器)，空間大地測(cè)量為特征，范圍大。,第一章 緒 論,2,1.2大地測(cè)量學(xué)的作用 大地測(cè)量學(xué)是一切測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎(chǔ)保證作用。如 交通運(yùn)輸、工程建設(shè)、土地管理、城市建設(shè)等 大地測(cè)量學(xué)在防災(zāi)，減災(zāi)，救災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與保護(hù)中發(fā)揮著特殊作用。如地震、山體滑

2、坡、交通事故等的監(jiān)測(cè)與救援。 大地測(cè)量是發(fā)展空間技術(shù)和國(guó)防建設(shè)的重要保障。如: 衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、宇宙探測(cè)器等發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、返回工作都需要大地測(cè)量作保證。,3,2 大地測(cè)量學(xué)基本體系和內(nèi)容 2.1 大地測(cè)量學(xué)的基本體系 應(yīng)用大地測(cè)量、橢球大地測(cè)量、天文大地測(cè)量、大地重力測(cè)量、測(cè)量平差等；新分支： 海樣大地測(cè)量、行星大地測(cè)量、衛(wèi)星大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、慣性大地測(cè)量。,4,幾何大地測(cè)量學(xué)（即天文大地測(cè)量學(xué)） 基本任務(wù)：是確定地球的形狀和大小及確定地面點(diǎn)的幾何位置。 主要內(nèi)容：國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)(包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng))建立的基本原理和方法，精密角度測(cè)量、距離測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量；地球橢球數(shù)學(xué)

3、性質(zhì)、橢球面上測(cè)量計(jì)算、橢球數(shù)學(xué)投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)模型等。,5,物理大地測(cè)量學(xué)：即理論大地測(cè)量學(xué) 基本任務(wù)：是用物理方法(重力測(cè)量)確定地球形狀及其外部重力場(chǎng)。 主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場(chǎng)，重力測(cè)量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場(chǎng)的理論與方法。 空間大地測(cè)量學(xué)： 主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測(cè)器為代表的空間大地測(cè)量的理論、技術(shù)與方法。,6,2.2 大地測(cè)量學(xué)的基本內(nèi)容,確定地球形狀及外部重力場(chǎng)及其隨時(shí)間的變化，建立統(tǒng)一的大地測(cè)量坐標(biāo)系，研究地殼形變(包括垂直升降及水平位移)，測(cè)定極移以及海洋水面地形及其變化等。 研究月球及太陽(yáng)系行星的形狀及重力場(chǎng)。,建立和維持國(guó)家

4、和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。,研究為獲得高精度測(cè)量成果的儀器和方法等。研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學(xué)變換及有關(guān)大地測(cè)量計(jì)算。,7,研究大規(guī)模、高精度和多類(lèi)別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方法，測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)建立及應(yīng)用等。 現(xiàn)代大地測(cè)量的特征： 研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋） 從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)到動(dòng)力過(guò)程。 觀測(cè)精度越高，相對(duì)精度達(dá)到10-810-9，絕對(duì)精度可到達(dá)毫米。 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來(lái)越復(fù)雜。,8,3大地測(cè)量學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史及展望 3.1大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史 第一階段：地球

5、圓球階段 從遠(yuǎn)古至17世紀(jì)，人們用天文方法得到地面上同一子午線上兩點(diǎn)的緯度差，用大地法得到對(duì)應(yīng)的子午圈弧長(zhǎng)，從而推得地球半徑（弧度測(cè)量 ） 第二階段：地球橢球階段 從17世紀(jì)至19世紀(jì)下半葉，在這將近200年期間，人們把地球作為圓球的認(rèn)識(shí)推進(jìn)到向兩極略扁的橢球。,9,大地測(cè)量?jī)x器：望遠(yuǎn)鏡，游標(biāo)尺，十字絲，測(cè)微器； 大地測(cè)量方法：1615年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測(cè)量法; 行星運(yùn)動(dòng)定律：1619年德國(guó)的開(kāi)普勒(J.Kepler)發(fā)表了行星運(yùn)動(dòng)三大定律； 重力測(cè)量：1673年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進(jìn)行重力測(cè)量的原理； 英國(guó)物理學(xué)家牛頓(L.Newton)提出地球特征

6、：1）是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向兩極與sin(地理緯度)成比例地增加。,10,幾何大地測(cè)量標(biāo)志性成果： 長(zhǎng)度單位的建立：子午圈弧長(zhǎng)的四千萬(wàn)分之一作為長(zhǎng)度單位，稱(chēng)為1m。 最小二乘法的提出：法國(guó)的勒讓德(A.M.Legendre)，德國(guó)的高斯(C.F.Gauss)。 橢球大地測(cè)量學(xué)的形成：解決了橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)與測(cè)量計(jì)算，正形投影方法。在這個(gè)領(lǐng)域，高斯、勒讓德及貝塞爾（Bessel)作出了巨大貢獻(xiàn)。 弧度測(cè)量大規(guī)模展開(kāi)。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測(cè)量，以及德國(guó)、俄國(guó)、美國(guó)等為代表的三角測(cè)量。 推算了不同的地球橢球參數(shù)。如貝賽爾、克拉克橢球參

7、數(shù)。 ,11,物理大地測(cè)量標(biāo)志性成就： 克萊羅定理的提出：法國(guó)學(xué)者克萊羅(A.C.Clairaut)假設(shè)地球是由許多密度不同的均勻物質(zhì)層圈組成的橢球體，這些橢球面都是重力等位面(即水準(zhǔn)面)。該橢球面上緯度的一點(diǎn)的重力加速度按下式計(jì)算：,12,重力位函數(shù)的提出：為了確定重力與地球形狀的關(guān)系，法國(guó)的勒讓德提出了位函數(shù)的概念。所謂位函數(shù)，即是有這種性質(zhì)的函數(shù)：在一個(gè)參考坐標(biāo)系中，引力位對(duì)被吸引點(diǎn)三個(gè)坐標(biāo)方向的一階導(dǎo)數(shù)等于引力在該方向上的分力。研究地球形狀可借助于研究等位面。因此，位函數(shù)把地球形狀和重力場(chǎng)緊密地聯(lián)系在一起。 地殼均衡學(xué)說(shuō)的提出：英國(guó)的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy

8、)幾乎同時(shí)提出地殼均衡學(xué)說(shuō)，根據(jù)地殼均衡學(xué)說(shuō)可導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。 重力測(cè)量有了進(jìn)展。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了用于絕對(duì)重力測(cè)量以及用于相對(duì)重力測(cè)量的便攜式擺儀。極大地推動(dòng)了重力測(cè)量的發(fā)展。,13,幾何大地測(cè)量學(xué)進(jìn)展： 天文大地網(wǎng)的布設(shè)有了重大發(fā)展。全球三大天文大地網(wǎng)的建立（18001900印度，一等三角網(wǎng)2萬(wàn)公里，平均邊長(zhǎng)45公里；19111935美國(guó)一等7萬(wàn)公里；1924-1950蘇聯(lián)，7萬(wàn)多公里) 因瓦基線尺出現(xiàn)，平行玻璃板測(cè)微器的水準(zhǔn)儀及因瓦水準(zhǔn)尺使用。 ,第三階段：大地水準(zhǔn)面階段 從19世紀(jì)下半葉至20世紀(jì)40年代，人們將對(duì)橢球的認(rèn)識(shí)發(fā)展到是大地水準(zhǔn)面包圍的大地體。,14,物理大地測(cè)量

9、在這階段的進(jìn)展： 1.大地測(cè)量邊值問(wèn)題理論的提出： 英國(guó)學(xué)者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重力位分為正常重力位和擾動(dòng)位兩部分，實(shí)際的重力分為正常重力和重力異常兩部分，在某些假定條件下進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)重力異常的積分，提出了以大地水準(zhǔn)面為邊界面的擾動(dòng)位計(jì)算公式和大地水準(zhǔn)面起伏公式。后來(lái)，荷蘭學(xué)者維寧曼尼茲(F.A.Vening Meinesz)根據(jù)斯托克司公式推出了以大地水準(zhǔn)面為參考面的垂線偏差公式。 2.提出了新的橢球參數(shù)： 赫爾默特橢球、海福特橢球、克拉索夫斯基橢球等。,15,第四階段：現(xiàn)代大地測(cè)量新時(shí)期,20世紀(jì)下半葉，以電磁波測(cè)距、人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等為代表

10、的新的測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測(cè)量帶來(lái)了革命性的變革，大地測(cè)量學(xué)進(jìn)入了以空間測(cè)量技術(shù)為代表的現(xiàn)代大地測(cè)量發(fā)展的新時(shí)期。,主要技術(shù)： EDM：Electronic Distance Measure; GPS: Global Positioning System; VLBI: Very Long Baseline Interferometry; SLR：Satellite Laser Ranging; INS: Inertial Navigation System,16, 我國(guó)高精度天文大地網(wǎng)的建立 1951-1975年：一等三角點(diǎn)5萬(wàn)多個(gè)，全長(zhǎng)7.5多萬(wàn)公里，二等鎖，一等導(dǎo)線等，19721982年平差數(shù)據(jù)處理，建立1980國(guó)家大地坐標(biāo)系。 我國(guó)高精度重力網(wǎng)的建立 1981年開(kāi)始絕對(duì)重力測(cè)量與相對(duì)重力測(cè)量，11個(gè)絕對(duì)重力點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)），40多個(gè)（基本點(diǎn)），重力網(wǎng)的平差，1985年國(guó)家重力基本網(wǎng)形成。,17,3.2 大地測(cè)量的展望 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，激光測(cè)衛(wèi)(SLR)以及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI),慣性測(cè)量統(tǒng)(IN