中國(guó)礦業(yè)大學(xué)大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)課件

1、應(yīng)用大地測(cè)量學(xué),王 中 元 wzy95002@163.com中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,課程地位：,測(cè)繪工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)和掌握工程測(cè)量、攝影測(cè)量學(xué)與遙感工程、地圖制圖學(xué)與地理信息工程、全球定位系統(tǒng)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)。,課程特點(diǎn)：,基礎(chǔ)性綜合性實(shí)踐性抽象性,對(duì)大家的要求：,課前預(yù)習(xí)課后通讀教材，當(dāng)天課程當(dāng)天消化思考題每個(gè)人都要思考實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容獨(dú)立完成提前復(fù)習(xí)平面幾何、立體幾何、高等數(shù)

2、學(xué)等與測(cè)量平差、GPS、測(cè)量學(xué)等課程結(jié)合起來(lái),目 錄,第一章 緒論（2）第二章 大地測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)（6）第三章 大地測(cè)量控制網(wǎng)的建立（6）第四章 大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)（10）第五章 地球橢球與測(cè)量計(jì)算（8）第六章 高斯投影及其計(jì)算（8）第七章 大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換（6）第八章 大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理（10）,課程安排,共64課時(shí)： 課堂講授：2×2×14＝56

3、課時(shí) 實(shí) 驗(yàn)：2×4＝8 課時(shí)成績(jī)：考試（70％）平時(shí)（30％）:上課、實(shí)驗(yàn)、作業(yè),參考書(shū)目,張華海等. 應(yīng)用大地測(cè)量學(xué). 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.孔祥元等. 大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ). 武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.孔祥元等. 控制測(cè)量學(xué). 武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.寧津生等. 現(xiàn)代大地測(cè)量理論與技術(shù). 武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.,第一章 緒論,應(yīng)用大地測(cè)量學(xué),第一

4、章 緒論,本章學(xué)習(xí)要求：了解大地測(cè)量學(xué)的定義、任務(wù)了解大地測(cè)量學(xué)的主要內(nèi)容了解大地測(cè)量的發(fā)展歷程,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)

5、簡(jiǎn)介,§1.1 大地測(cè)量學(xué)的定義,大地測(cè)量學(xué)是通過(guò)在廣大的地面上建立大地控制網(wǎng)，精確測(cè)定大地控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)，研究測(cè)定地球形狀、大小和地球重力場(chǎng)的理論、技術(shù)與方法的學(xué)科?！鳛榈貙W(xué)基礎(chǔ)學(xué)科：——作為應(yīng)用地學(xué)學(xué)科：,主要理論、技術(shù)與方法：——天文測(cè)量——三角測(cè)量——導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量——衛(wèi)星大地測(cè)量——水準(zhǔn)測(cè)量——重力測(cè)量——橢球大地測(cè)量——地球形狀理論——測(cè)量平差 。。。。。。。。,§1.1 大地測(cè)量

6、學(xué)的定義,普通測(cè)量學(xué)（或稱(chēng)測(cè)量學(xué)）是研究地球表面較小區(qū)域內(nèi)測(cè)繪工作的基本理論、技術(shù)、方法和應(yīng)用的學(xué)科。 目的：以測(cè)繪工作為手段，確定地面點(diǎn)的空間位置，并把它表示成數(shù)據(jù)形式或描繪著圖面上，供經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程設(shè)計(jì)施工使用。,§1.1 大地測(cè)量學(xué)的定義,大地測(cè)量學(xué)與普通測(cè)量學(xué)的區(qū)別：（1）精度等級(jí)高。（2）測(cè)量范圍廣。（3）普通測(cè)量學(xué)更側(cè)重于如何測(cè)繪地形圖以及進(jìn)行一般工程的施工測(cè)量。大地測(cè)量學(xué)側(cè)重于如何建立大地

7、坐標(biāo)系、建立大地控制網(wǎng)并精確測(cè)定控制網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)。,§1.1 大地測(cè)量學(xué)的定義,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,§1.2 大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用,（一）基本任務(wù)1、技術(shù)任務(wù)精確測(cè)定大地控制點(diǎn)的位置及其隨時(shí)間的變化(也就是它的運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng))，建立精密的大地控制網(wǎng)，作為測(cè)圖的控制

8、，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)服務(wù)。2、科學(xué)任務(wù)測(cè)定地球形狀、大小和重力場(chǎng)，提供地球的數(shù)學(xué)模型，為地球及其相關(guān)科學(xué)服務(wù),（一）基本任務(wù)精確確定地面點(diǎn)位及其變化研究地球重力場(chǎng)、地球形狀和地球動(dòng)力現(xiàn)象簡(jiǎn)單地說(shuō)，一是定位，二是研究地球的形狀和重力場(chǎng),§1.2 大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用,§1.2 大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用,（一）基本任務(wù)位置是一類(lèi)重要的信息位置怎么描述？ 我在江蘇我在徐州我在礦大南

9、湖校區(qū)我在教3樓我在B402教室我在靠近窗戶(hù)的座位上,§1.2 大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用,（一）基本任務(wù)位置怎么描述？ 用文字/語(yǔ)言用圖形（示意圖、地圖）用數(shù)字（坐標(biāo)）必然涉及怎么認(rèn)識(shí)我們的地球這一問(wèn)題地球形狀、大小重力場(chǎng) 結(jié)論：大地測(cè)量學(xué)的這兩項(xiàng)任務(wù)密切相關(guān),（二）大地測(cè)量的作用 1、為地形測(cè)圖與大型工程測(cè)量提供基本控制；2、為城建和礦山工程測(cè)量提供起始數(shù)據(jù)；3、為地球科學(xué)的研究提供

10、信息；4、在防災(zāi)、減災(zāi)和救災(zāi)中的作用； 5、發(fā)展空間技術(shù)和國(guó)防建設(shè)的重要保障。,§1.2 大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用,,（1）有一個(gè)精密的地球參考框架以及地面點(diǎn)（如發(fā)射點(diǎn)和跟蹤站）在該框架中的精確點(diǎn)位；（2）有一個(gè)精密的全球重力場(chǎng)模型和地面點(diǎn)的準(zhǔn)確重力場(chǎng)參數(shù)（重力加速度、垂線(xiàn)偏差等）。,在各種工程的施工時(shí)，放樣過(guò)程中，儀器所安置的方向、距離都是依據(jù)控制網(wǎng)計(jì)算出來(lái)的。,,大壩變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),基準(zhǔn)站,如圖，是中蒙邊界聯(lián)合勘界

11、中大地控制網(wǎng)的點(diǎn)位分布圖。邊界測(cè)量是用大地測(cè)量的手段實(shí)地確定兩國(guó)的邊界劃分。,在航空制造業(yè)、造船業(yè)中，大型面板的裁剪、切割都需要大地測(cè)量提供精確的位置基準(zhǔn)。,工程測(cè)量沒(méi)有問(wèn)題，施工也是符合要求的，問(wèn)題出在大地測(cè)量上，島嶼上的控制數(shù)據(jù)和大陸上的控制數(shù)據(jù)不在同一個(gè)大地坐標(biāo)系下面。,在交通運(yùn)輸方面，大地定位技術(shù)為提高交通效率、減少交通事故提供了重要保障。這樣，無(wú)論在城市復(fù)雜的路網(wǎng)中，還是在野外探險(xiǎn)、遠(yuǎn)洋航行中，再也不會(huì)迷失方向。,在航空控制管

12、理中，有了大地測(cè)量提供的精確定位技術(shù)，使得不可視狀態(tài)下的著陸成為可能，航空不再受大霧等惡劣天氣的影響。,利用GPS技術(shù)測(cè)量大氣中水汽含量，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)暴雨災(zāi)害。,精確定位技術(shù)在數(shù)字農(nóng)業(yè)，環(huán)境保護(hù)、生物保護(hù)中有廣泛的應(yīng)用。,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,§1.3 大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,1、實(shí)用

13、大地測(cè)量學(xué)：研究建立大地控制網(wǎng)的理論與方法，介紹角度測(cè)量、邊長(zhǎng)測(cè)量和高程測(cè)量的原理與觀測(cè)方法、作業(yè)程序、以及測(cè)量成果的質(zhì)量檢核，提供一系列地面點(diǎn)的平面和高程成果 2、橢球大地測(cè)量學(xué)：研究參考橢球的建立以及橢球面上處理大地測(cè)量觀測(cè)成果的各種理論與方法，提供大地控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)和平面坐標(biāo)；3、測(cè)量平差：用最小二乘原理處理各種觀測(cè)結(jié)果的理論與計(jì)算方法；,§1.3 大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,4、天文測(cè)量學(xué)：以球面天文學(xué)為基礎(chǔ)，研究

14、觀測(cè)一定天體以確定地面點(diǎn)的天文經(jīng)緯度和天文方位角的原理和方法，目的是測(cè)定國(guó)家大地網(wǎng)中某些點(diǎn)的天文經(jīng)緯度和方位角，以獲得這些點(diǎn)的垂線(xiàn)偏差和至某一方向的拉普拉斯角，前者是研究地球形狀和大地水準(zhǔn)面起伏的重要資料，后者提供大地控制網(wǎng)中的起算方位角；5、大地重力學(xué)：又稱(chēng)《物理大地測(cè)量學(xué)》，研究重力測(cè)量的理論、技術(shù)和方法，利用重力測(cè)量與衛(wèi)星測(cè)量資料研究地球形狀和外部重力場(chǎng)，提供代表地球的大地體形狀和地球橢球的物理參數(shù)；,6、衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)：又稱(chēng)《

15、空間大地測(cè)量學(xué)》，研究人造地球衛(wèi)星觀測(cè)方法和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以解決大地測(cè)量的一門(mén)科學(xué)； 7、慣性大地測(cè)量學(xué)：是根據(jù)慣性原理，利用加速度計(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在某一方向的加速度，通過(guò)二次積分得到運(yùn)動(dòng)物體的空間位置。是大地測(cè)量的一個(gè)分支，具有全天候、自主性、機(jī)動(dòng)靈活、快速高效等優(yōu)點(diǎn)，為大地測(cè)量自動(dòng)化提供了重要手段。,§1.3 大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,（二）應(yīng)用大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容1、大地測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)（基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線(xiàn)，坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系

16、統(tǒng)，地球重力場(chǎng)等）；2、大地測(cè)量學(xué)的基本理論（地球橢球基本的理論,高斯投影的基本理論，大地坐標(biāo)系統(tǒng)的建立與坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等）；,§1.3 大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,相對(duì)于幾何大地測(cè)量、物理大地測(cè)量,（二）應(yīng)用大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容3、大地測(cè)量基本技術(shù)與方法（經(jīng)典的、現(xiàn)代的）； 4、大地控制網(wǎng)的建立（包括國(guó)家大地控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)。形式有三角網(wǎng)、導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)、高程網(wǎng)、GPS網(wǎng)等）；5、大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理（概算與平差計(jì)

17、算）。,§1.3 大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,（一）古今關(guān)于地球形狀和大小的弧度測(cè)量公元前三世紀(jì)古希臘學(xué)者估算地球半徑為4萬(wàn)STADIA。公元724年我國(guó)唐代學(xué)者在河南滑縣至上蔡用天文方法進(jìn)行世界上第一次弧度測(cè)量。

18、十七世紀(jì)荷蘭人用三角測(cè)量法進(jìn)行弧度測(cè)量。十七世紀(jì)末牛頓、惠更斯用力學(xué)觀點(diǎn)推論地球?yàn)闄E球。十七至十八世紀(jì)法國(guó)用三角測(cè)量和天文測(cè)量進(jìn)行弧度測(cè)量1708—1718年我國(guó)用天文方法從東北—河北進(jìn)行弧度測(cè)量。十九世紀(jì)以來(lái)，由于望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，測(cè)距儀的出現(xiàn)，人造衛(wèi)星的上天，各國(guó)相繼開(kāi)展天文大地測(cè)量，推求地球形狀和大小，精度越來(lái)越高。,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,（二）18—20世紀(jì)大地測(cè)量理論的發(fā)展用重力測(cè)量精確求定地球扁率

19、（法國(guó)  克萊勞Claraut）最小二乘法理論（法國(guó)  勒讓德Legendre）從橢球面到平面的正形投影（德國(guó)  高斯Gauss）橢球面上的三角形解法（德國(guó)  高斯Gauss）用重力測(cè)量研究大地水準(zhǔn)面形狀（英國(guó)  斯托克斯Stoks）參考橢球定位理論（德國(guó)  赫爾默特Helmert）用地面觀測(cè)資料求大地高確定地球表面形狀（蘇聯(lián)  莫洛堅(jiān)斯基Mologeck

20、s）近代平差理論,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,（三）測(cè)量?jī)x器的發(fā)展古代的測(cè)量距離和高低的準(zhǔn)繩和規(guī)矩，天文測(cè)量的渾天儀；十八世紀(jì)后望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明；懸鏈線(xiàn)狀基線(xiàn)尺、因瓦基線(xiàn)尺；相對(duì)重力儀；光學(xué)經(jīng)緯儀；電磁波測(cè)距儀；自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀；石英鐘記時(shí)和自動(dòng)跟星光電裝置；人造衛(wèi)星觀測(cè)攝影儀，激光測(cè)距儀，射電VLBI測(cè)量；慣性測(cè)量?jī)x器；全站儀，自動(dòng)繪圖儀，GPS全球定位系統(tǒng)。,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,（四

21、）我國(guó)大地測(cè)量的發(fā)展世界上第一次弧度測(cè)量（唐代南宮說(shuō)、張遂等）；清代用天文測(cè)量發(fā)現(xiàn)北弧比南弧每度弧長(zhǎng)要長(zhǎng)（比法國(guó)早）；1895年清代設(shè)立測(cè)繪學(xué)堂；1930—1949布設(shè)了2000KM的一等大地控制網(wǎng)；1949年以后：    頒布實(shí)施了大地測(cè)量法式和細(xì)則規(guī)范；全國(guó)布設(shè)了8萬(wàn)KM的一等三角鎖，測(cè)定了5萬(wàn)個(gè)一、二等點(diǎn)，進(jìn)行了9萬(wàn)KM的一等水準(zhǔn)測(cè)量，13.7萬(wàn)KM的二等水準(zhǔn)測(cè)量，建立了1980西安

22、大地坐標(biāo)系，1956和1985高程基準(zhǔn)；用GPS定位技術(shù)布設(shè)了全國(guó)A級(jí)28個(gè)點(diǎn)、B級(jí)730個(gè)點(diǎn)控制網(wǎng)；用衛(wèi)星測(cè)量方法完成了西沙南沙群島的大地聯(lián)測(cè)；測(cè)繪全國(guó)5萬(wàn)分之一基本比例尺地形圖；進(jìn)行地籍和房地產(chǎn)測(cè)量，省市縣界測(cè)量，各種工程測(cè)量，變形監(jiān)測(cè)等等。,大地測(cè)量學(xué)的形成至現(xiàn)在已經(jīng)300多年。從上世紀(jì)七八十年代開(kāi)始隨著空間大地測(cè)量技術(shù)的產(chǎn)生，已進(jìn)入現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)科發(fā)展的新階段。,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,三項(xiàng)革命性的技術(shù)：

23、衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星和航空重力技術(shù)衛(wèi)星測(cè)高技術(shù),§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,大地測(cè)量的兩個(gè)趨勢(shì)一是更大眾、更普及二是更專(zhuān)業(yè)。大地測(cè)量除了測(cè)地之外，還可測(cè)其它天體的形狀和重力場(chǎng)。,§1.4 大地測(cè)量的發(fā)展歷程,大地測(cè)量部分儀器,本章綱要,一、大地測(cè)量學(xué)的定義二、大地測(cè)量學(xué)的基本任務(wù)和作用（重點(diǎn)）三、大地測(cè)量學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（重點(diǎn)）四、大地測(cè)量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,§

24、1.5 現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介,（一）甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量技術(shù)－VLBI VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是二十世紀(jì)六十年代在射電天文學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的射電干涉新技術(shù)，通過(guò)設(shè)在基線(xiàn)兩端的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)接收同一射電信號(hào)，經(jīng)相關(guān)處理，獲得的相對(duì)精度和亞毫角秒量級(jí)的超高分辨率。VLBI技術(shù)在天文學(xué)、地球物理、空間大地測(cè)量和空間技術(shù)等領(lǐng)域都有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。VLBI已成為建

25、立準(zhǔn)慣性參考系和地球參考框架、測(cè)定地球定向參數(shù)、監(jiān)測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)及區(qū)域性地殼形變的一種強(qiáng)有力的基本手段。,,,（二）衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)－SLR 衛(wèi)星激光測(cè)距（Satellite Laser Ranging，簡(jiǎn)寫(xiě)SLR），是二十世紀(jì)六十年代中期興起的一項(xiàng)衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)。經(jīng)過(guò)40多年的迅速發(fā)展，它已成為當(dāng)前衛(wèi)星精密定位觀測(cè)的主要手段之一，也是現(xiàn)代各種定位觀測(cè)手段中單點(diǎn)采樣精度最高的一種，其觀測(cè)成果具有極為重要的科學(xué)價(jià)值。,,

26、北京SLR觀測(cè)站,上海SLR觀測(cè)站,衛(wèi)星激光測(cè)距儀,,（三）全球定位系統(tǒng)－GPS定位技術(shù) 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System 簡(jiǎn)寫(xiě)GPS)，是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，而建立起來(lái)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為各類(lèi)用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，能夠保障全球、全天候連續(xù)地三維定位。GPS由于其定位速度快、費(fèi)用低、方法靈活多樣和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在測(cè)量學(xué)、導(dǎo)航學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域獲得了

27、極其廣泛的應(yīng)用。GPS定位的基本原理在后續(xù)課程中學(xué)習(xí)。,,（四）慣性大地測(cè)量技術(shù)－IPS 慣性大地測(cè)量是利用慣性導(dǎo)航技術(shù)，同時(shí)快速獲得大地測(cè)量數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、高程、方位角、重力異常和垂線(xiàn)偏差）的一種新技術(shù)。有關(guān)它的儀器，稱(chēng)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Positioning System），它屬于相對(duì)測(cè)量系統(tǒng)。(五）衛(wèi)星多普勒定位 是20世紀(jì)70年代普遍采用的定位方法。設(shè)測(cè)站為固定點(diǎn)，當(dāng)衛(wèi)星相對(duì)于測(cè)站移