《大地測量學(xué)基礎(chǔ)》課件1

1、1,§1 大地測量學(xué)的定義和作用 1.1 大地測量學(xué)的定義 大地測量學(xué) 是指在一定的時間與空間參考系中，測量和描繪地球形狀及其重力場并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關(guān)于地球的空間信息的一門學(xué)科。經(jīng)典大地測量：地球剛體不變、均勻旋轉(zhuǎn)的球體或橢球體；范圍小?，F(xiàn)代大地測量：空間測繪技術(shù)(人造地球衛(wèi)星、空間探測器)，空間大地測量為特征，范圍大。,第一章 緒 論,2,1.2大地測量學(xué)的作用大地測量學(xué)是一切測繪科學(xué)技

2、術(shù)的基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(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 大地測量學(xué)在防災(zāi)，減災(zāi)，救災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護(hù)中發(fā)揮著特殊作用。如地震、山體滑坡、交通事故等的監(jiān)測與救援。大地測量是發(fā)展空間技術(shù)和國防建設(shè)的重要保障。如: 衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、宇宙探測器等發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、返回工作都需要大地測量作保證。,,3,§2 大地測量學(xué)基本體系和內(nèi)容 2.1

3、大地測量學(xué)的基本體系 應(yīng)用大地測量、橢球大地測量、天文大地測量、大地重力測量、測量平差等；新分支： 海樣大地測量、行星大地測量、衛(wèi)星大地測量、地球動力學(xué)、慣性大地測量。,4,,幾何大地測量學(xué)（即天文大地測量學(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：國家大地測量控制網(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，精密角度測量、距離測量、水準(zhǔn)測量；地球橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)、橢

4、球面上測量計算、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,物理大地測量學(xué)：即理論大地測量學(xué) 基本任務(wù)：是用物理方法(重力測量)確定地球形狀及其外部重力場。 主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場，重力測量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場的理論與方法。空間大地測量學(xué)： 主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論、技術(shù)與方法。,6,2.2 大地測量學(xué)的基本內(nèi)容,,確定地球形狀

5、及外部重力場及其隨時間的變化，建立統(tǒng)一的大地測量坐標(biāo)系，研究地殼形變(包括垂直升降及水平位移)，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。 研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。,建立和維持國家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)，以滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的需要。,研究為獲得高精度測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)大地測量計算。,7,研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間

6、網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫建立及應(yīng)用等。 現(xiàn)代大地測量的特征： ⑴ 研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋） ⑵ 從靜態(tài)到動態(tài)，從地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)到動力過程。 ⑶ 觀測精度越高，相對精度達(dá)到10-8~10-9，絕對精度可到達(dá)毫米。 ⑷ 測量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來越復(fù)雜。,8,§3大地測量學(xué)發(fā)展簡史及展望 3.1大地測量學(xué)的發(fā)展簡史 第一階段：地球圓

7、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，用大地法得到對應(yīng)的子午圈弧長，從而推得地球半徑（弧度測量 ） 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)識推進(jìn)到向兩極略扁的橢球。,9,大地測量儀器：望遠(yuǎn)鏡，游標(biāo)尺，十字絲，測微器； 大地測量方法：1615年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測量法;行星運(yùn)動定律：1619年德國的開普勒(J

8、.Kepler)發(fā)表了行星運(yùn)動三大定律；重力測量：1673年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進(jìn)行重力測量的原理；英國物理學(xué)家牛頓(L.Newton)提出地球特征：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sin２φ(φ——地理緯度)成比例地增加。,10,幾何大地測量標(biāo)志性成果：長度單位的建立：子午圈弧長的四千萬分之一作為長度單位，稱為1m。最小二乘法的提出：法國的勒讓德(A.M.Leg

9、endre)，德國的高斯(C.F.Gauss)。橢球大地測量學(xué)的形成：解決了橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)與測量計算，正形投影方法。在這個領(lǐng)域，高斯、勒讓德及貝塞爾（Bessel)作出了巨大貢獻(xiàn)?；《葴y量大規(guī)模展開。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測量，以及德國、俄國、美國等為代表的三角測量。推算了不同的地球橢球參數(shù)。如貝賽爾、克拉克橢球參數(shù)。 ,11,物理大地測量標(biāo)志性成就：克萊羅定理的提出：法國學(xué)者克萊羅(A.C.Cla

10、iraut)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φ的一點(diǎn)的重力加速度按下式計算：,,,,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)：在一個參考坐標(biāo)系中，引力位對被吸引點(diǎn)三個坐標(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緊密地聯(lián)系在一起。

11、地殼均衡學(xué)說的提出：英國的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy)幾乎同時提出地殼均衡學(xué)說，根據(jù)地殼均衡學(xué)說可導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。重力測量有了進(jìn)展。設(shè)計和生產(chǎn)了用于絕對重力測量以及用于相對重力測量的便攜式擺儀。極大地推動了重力測量的發(fā)展。,13,幾何大地測量學(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（1800－1900印度，一等三角網(wǎng)2萬公里，平均邊長45公里；1911－1935美國

12、一等7萬公里；1924-1950蘇聯(lián)，7萬多公里) 因瓦基線尺出現(xiàn)，平行玻璃板測微器的水準(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，人們將對橢球的認(rèn)識發(fā)展到是大地水準(zhǔn)面包圍的大地體。,14,物理大地測量在這階段的進(jìn)展： 1.大地測量邊值問題理論的提出： 英國學(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位兩部分，實(shí)際的重力分為正

13、常重力和重力異常兩部分，在某些假定條件下進(jìn)行簡化，通過重力異常的積分，提出了以大地水準(zhǔn)面為邊界面的擾動位計算公式和大地水準(zhǔn)面起伏公式。后來，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)代大地測量新時期,20世紀(jì)下半葉，以電磁波測距、人造地球衛(wèi)星定位

14、系統(tǒng)及甚長基線干涉測量等為代表的新的測量技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測量帶來了革命性的變革，大地測量學(xué)進(jìn)入了以空間測量技術(shù)為代表的現(xiàn)代大地測量發(fā)展的新時期。,,主要技術(shù)： EDM：Electronic Distance Measure; GPS: Global Positioning System; VLBI: Very Long Baseline Interferometry;

15、 SLR：Satellite Laser Ranging; INS: Inertial Navigation System,16,● 我國高精度天文大地網(wǎng)的建立 1951-1975年：一等三角點(diǎn)5萬多個，全長7.5多萬公里，二等鎖，一等導(dǎo)線等，1972－1982年平差數(shù)據(jù)處理，建立1980國家大地坐標(biāo)系。 ● 我國高精度重力網(wǎng)的建立 1981年開始絕對重力測量與相對

16、重力測量，11個絕對重力點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)），40多個（基本點(diǎn)），重力網(wǎng)的平差，1985年國家重力基本網(wǎng)形成。,17,3.2 大地測量的展望全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，激光測衛(wèi)(SLR)以及甚長基線干涉測量(VLBI),慣性測量統(tǒng)(INS)是主導(dǎo)本學(xué)科發(fā)展的主要的空間大地測量技術(shù)。 用衛(wèi)星測量、激光測衛(wèi)及甚長基線干涉測量等空間大地測量技術(shù)建立大規(guī)模、高精度、多用途的空間大地測量控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及其重力場，建立大地基準(zhǔn)參考框架，監(jiān)