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1、大地测量学基础第一章1第1页，本讲稿共16页1.2大地测量学的作用大地测量学的作用大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济建设大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。如如 交通运输、工程建设、土地管理、城市建设等交通运输、工程建设、土地管理、城市建设等 大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等的监测与救援。挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等的监测与救援。大地测量是发展空间技术和国防建
2、设的重要保障。如大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如:卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟踪、返回工作都需要大地测量作保证。踪、返回工作都需要大地测量作保证。2第2页，本讲稿共16页2大地测量学基本体系和内容大地测量学基本体系和内容 2.1大地测量学的基本体系大地测量学的基本体系 应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重力测量、测量平差等；新分支：力测量、测量平差等；新分支：海样大地测量、行星大地测海样大地测量、行星大地测量、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。量、
3、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。几何大地测量学（即天文大地测量学）几何大地测量学（即天文大地测量学）基本任务：基本任务：是确定地球的形状和大小及确定地面点的几是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。何位置。主要内容：主要内容：国家大地测量控制网国家大地测量控制网(包括平面控制网和高程控制包括平面控制网和高程控制网网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换以及地地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。球椭球几何参
4、数的数学模型等。3第3页，本讲稿共16页物理大地测量学：即理论大地测量学物理大地测量学：即理论大地测量学 基本任务：基本任务：是用物理方法是用物理方法(重力测量重力测量)确定地球形状及其确定地球形状及其外部重力场。外部重力场。主要内容：主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及其包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。空间大地测量学空间大地测量学：主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。大地测量的理论、技术与方法。4第4页
5、，本讲稿共16页2.2 大地测量学的基本内容大地测量学的基本内容 v 建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程控制建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和国防建设的需要。国防建设的需要。v 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地球表面向椭研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量计算。球面或平面的投影数学变换及有关大地测量计算。v 确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立统确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，
6、建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变一的大地测量坐标系，研究地壳形变(包括垂直升降及水平包括垂直升降及水平位移位移)，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。研究月研究月球及太阳系行星的形状及重力场。球及太阳系行星的形状及重力场。5第5页，本讲稿共16页研研究究大大规规模模、高高精精度度和和多多类类别别的的地地面面网网、空空间间网网及及其其联联合合网网的的数据处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。数据处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。现代大地测量的特征：现代大地测量的特征：研究范围大（全球：如地球两极、海洋）研究范围大（全球：如地球两极、海洋）从
7、静态到动态，从地球内部结构到动力过程。从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。观观测测精精度度越越高高，相相对对精精度度达达到到10-810-9，绝绝对对精精度度可可到到达毫米。达毫米。测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。6第6页，本讲稿共16页3大地测量学发展简史及展望大地测量学发展简史及展望 3.1大地测量学的发展简史大地测量学的发展简史 第一阶段：地球圆球阶段第一阶段：地球圆球阶段 从远古至从远古至17世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而上两点
8、的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而推得地球半径（弧度测量推得地球半径（弧度测量）第二阶段：地球椭球阶段第二阶段：地球椭球阶段 从从17世纪至世纪至19世纪下半叶，在这将近世纪下半叶，在这将近200年期间，人们把年期间，人们把地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。7第7页，本讲稿共16页大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器；大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器；大地测量方法：大地测量方法：1615年荷兰斯涅耳年荷兰斯涅耳(W.Snell)首创三角测首创三角测量法量法;行星运动定律：行星运动定律：1619年德国的开普勒年德国的
9、开普勒(J.Kepler)发表了行星发表了行星运动三大定律；运动三大定律；重力测量：重力测量：1673年荷兰的惠更斯年荷兰的惠更斯(C.Huygens)提出用摆进行提出用摆进行重力测量的原理；重力测量的原理；英国物理学家牛顿英国物理学家牛顿(L.Newton)提出地球特征：提出地球特征：1）是两极扁平的旋）是两极扁平的旋转椭球，其扁率等于转椭球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向两极与）重力加速度由赤道向两极与sin(地理纬度地理纬度)成比例地增加。成比例地增加。8第8页，本讲稿共16页几何大地测量标志性成果：几何大地测量标志性成果：1)1)长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作
10、为长度单长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作为长度单位，称为位，称为1m1m。2)2)最小二乘法的提出：法国的勒让德最小二乘法的提出：法国的勒让德(A.M.Legendre)(A.M.Legendre)，德国的高斯，德国的高斯(C.F.Gauss)(C.F.Gauss)。3)3)椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质与测量计椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质与测量计算，正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及贝塞算，正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及贝塞尔（尔（Bessel)Bessel)作出了巨大贡献。作出了巨大贡献。4)4)弧度测量大规模展开。在这期间主要有以英、法、西
11、班牙弧度测量大规模展开。在这期间主要有以英、法、西班牙为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、美国等为代表为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、美国等为代表的三角测量。的三角测量。5)5)推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、克拉克克拉克椭椭球参数。球参数。9第9页，本讲稿共16页物理大地测量标志性成就：物理大地测量标志性成就：1)1)克莱罗定理的提出：克莱罗定理的提出：法国学者克莱法国学者克莱罗罗(A.C.Clairaut)(A.C.Clairaut)假假设设地球是由地球是由许许多密度不同的均匀物多密度不同的均匀物质层质层圈圈组组成的成的椭椭球球体体，这这些些
12、椭椭球面都是重力等位面球面都是重力等位面(即水准面即水准面)。该椭该椭球面上球面上纬纬度度的一点的重力加速度按下式的一点的重力加速度按下式计计算：算：10第10页，本讲稿共16页2)2)重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法国的重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法国的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这种性质的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。研究地球形状可借助的一阶导数等于引力在该方向上的分力。
13、研究地球形状可借助于研究等位面。因此，位函数把地球形状和重力场紧密地联系于研究等位面。因此，位函数把地球形状和重力场紧密地联系在一起。在一起。3)3)地壳均衡学说的提出：英国的普拉特地壳均衡学说的提出：英国的普拉特(J.H.Pratt)(J.H.Pratt)和艾黎和艾黎(G.B.Airy)(G.B.Airy)几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳均衡学几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳均衡学说可导出均衡重力异常以用于重力归算说可导出均衡重力异常以用于重力归算。4)4)重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大
14、地推动了重力及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了重力测量测量的发展。的发展。11第11页，本讲稿共16页l第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段 从从19世纪下半叶至世纪下半叶至20世纪世纪40年代，人们将对椭球的认识发展年代，人们将对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。到是大地水准面包围的大地体。几何大地测量学进展：几何大地测量学进展：天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立（18001900印度，一等三角网印度，一等三角网2万公里，平均边长万公里，平均边长45公里；公里；19111935美国一等美国
15、一等7万公里；万公里；1924-1950苏联，苏联，7万多公里万多公里)因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用。准尺使用。12第12页，本讲稿共16页物理大地测量在这阶段的进展：物理大地测量在这阶段的进展：1.大地测量边值问题理论的提出：大地测量边值问题理论的提出：英国学者斯托克司英国学者斯托克司(G.G.Stokes)(G.G.Stokes)把真正的地球重力位分为正把真正的地球重力位分为正常重力位和扰动位两部分，实际的重力分为正常重力和重力异常常重力位和扰动位两部分，实际的重力分为正常重力和重力异常两部分，在某些假定条件下进行
16、简化，通过重力异常的积分，提两部分，在某些假定条件下进行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。后来，荷兰学者维宁公式。后来，荷兰学者维宁曼尼兹曼尼兹(F.A.Vening Meinesz)根据斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏根据斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏差公式。差公式。2.2.提出了新的椭球参数：提出了新的椭球参数：赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球等。赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球等。13第13页，本讲稿共16页第四阶段：现代大地测
17、量新时期 20世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新的测定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了革命性量技术的出现，给传统的大地测量带来了革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量技术为代的变革，大地测量学进入了以空间测量技术为代表的现代大地测量发展的新时期。表的现代大地测量发展的新时期。14第14页，本讲稿共16页l主要技术：主要技术：EDM：Electronic Distance Measure;GPS:Global Positioning System;VLBI:Very Lo
18、ng Baseline Interferometry;SLR：Satellite Laser Ranging;INS:Inertial Navigation System 我国高精度天文大地网的建立我国高精度天文大地网的建立 1951-1975年：一等三角点年：一等三角点5万多个，全长万多个，全长7.5多万公里，二等锁，一多万公里，二等锁，一等导线等，等导线等，19721982年平差数据处理，建立年平差数据处理，建立1980国家大地坐标系。国家大地坐标系。我国高精度重力网的建立我国高精度重力网的建立 1981年开始绝对重力测量与相对重力测量，年开始绝对重力测量与相对重力测量，11个绝对重力点（
19、基个绝对重力点（基准点），准点），40多个（基本点），重力网的平差，多个（基本点），重力网的平差，1985年国家重力基年国家重力基本网形成。本网形成。15第15页，本讲稿共16页3.2 大地测量的展望大地测量的展望全球卫星定位系统全球卫星定位系统(GPS)(GPS)，激光测卫，激光测卫(SLR)(SLR)以及甚长基线干涉以及甚长基线干涉测量测量(VLBI),(VLBI),惯性测量统惯性测量统(INS)(INS)是主导本学科发展的主要的是主导本学科发展的主要的空空间大地测量技术间大地测量技术 用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器发展的地框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器发展的地面基准等科技任务的面基准等科技任务的基本技术方案基本技术方案。精化地球重力场模型是大地测量学的精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标重要发展目标。16第16页，本讲稿共16页