DD第1章(矿大版)

第一章 绪论
一、大地测量学定义
现代定义
大地测量学是在一定的时间～空间参考系统(时间系
统、坐标系)中，测量和描绘地球及其它星体的科学. 是测绘学与地球科学的分支；大地测量学是地学类 基础性学科，兼应用型学科。
经典定义
大地测量学是测量和描绘地球表面的科学～1880，德：F.R.Helmert.
理解要点：

“描绘”必须在一定的参考（时空参照或坐标） 系中进行，参考系（或坐标系）是描述的基准 或比较与描绘的基础

描绘的数据来自“测量”，“描绘”的手段包
括测、算、绘
测、算、绘离不开数学。因此，数学既是测绘
的理论又是测绘的基础，同时还是测绘解决问
题的（技术）手段，大地测量尤其如此。
二、任务、学科性质、作用
大地控制测量：在全球或一个较大范围（一个 国家或几个国家）建立统一的大地控制网。 海洋大地测量：建立统一的海洋控制网，实现 海面和水下定位，测定海洋重力场、海面地形 和海洋大地水准面。 工程大地测量：在一个局部或小范围内测定地
球表面的细部，通常以水平面为参考面。
2.从时空属性分 几何大地测量：以参考椭球为基准，将大地控制网投影
物理大地测量和空间大地测量将紧密结合，共处学科 发展的支配地位，确定重力场结构的精细程度将是未 来大地测量学科发展的重要标志。 重力测量技术将致力于分辨重力场短波频谱和监测重 力场时变量。
六、我国大地测量的主要成果
1. 建立了三代坐标系、两代高程系、两代深度基准、 三代重力基准 二维坐标系： 1954北京坐标系（BJ54，与前苏联1942年普尔科 沃坐标系联测，经我国东北传算过来的坐标系）； 1980西安坐标系（GDZ80） 三维坐标系：CGCS2000国家大地坐标系（2008 年7月1日启用，BDS坐标系） 1956黄海高程系(Huanghai height system 1956) 1985国家高程基准(Chinese height datum 1985)
从测量精度、方便程度、作业效率、劳力和财力投入等 方面决定了大地测量学未来的研究中，空间大地测量是 主导。
4.卫星导航定位技术扩展了大地测量学科的应用面 人类活动的80%与位置有关，卫星导航定位技术不仅 定位，而且导航，因而扩展了大地测量学科的应用面 5.地球重力场研究将致力于发展卫星和航空重力探测 技术恢复高分辨率地球重力场
3.从实现任务的技术段分 常规大地测量：也称天文大地测量，以位于地球表面的 测量仪器为基础，通过测量点间的相对位置关系量（角度、 距离、高差）及地面重力和天文经度、纬度、天文方位角， 在起算点基础上，以间接方式确定点的平面位置和高程， 并求解局部重力场参数。 空间大地测量：主要是卫星大地测量，也利用类星体射
电源，来实现对地面点的定位，包括相对定位和绝对定位
（相对地心的定位），同时利用卫星技术获取全球的重力 场信息。
惯性大地测量：利用运动物体的惯性力学原理（如高精
度陀螺等）进行地面点的相对定位，并测定重力场参数。
四、 大地测量的应用领域 主要体现在下列领域：
地形测绘、工程建设和交通运输
空间技术和国防建设中 地球科学研究中
（四）大地测量学的发展趋势
1.以空间大地测量为标志的现代大地测量体系已形成
主要标志：
1+2维到3维、4维（时间维度）
视地球为刚性体到非刚性（弹性、流变体），进而研究 地球几何和重力元素的动态变化 局部参考系到地心参考系 测量精度提高2～3个量级
2.向地球科学基础性研究领域发展 用大地测量获得的，在任意时～空尺度上的，精度足够 的成果，监测地球运动状态及其形体、位场的变化，而 这些变化又源自其内力源和外力源，用这些变化（精细 的图像或数据）反演地壳运动、地球自转变化、重力场 变化，进而推测地球内部的构造形态、力源和动力学过 程参数等地球物理问题。从而使大地测量学向地球科学 基础性研究领域发展。 3.空间大地测量主导学科未来的发展
五、 大地测量学发展简史与趋势
教学要求：通过了解历史，理解大地测量理论与技术的 形成过程。 （一） 萌芽阶段（公元17世纪以前）
认知水平：认为地球是圆球
研究活动：通过测量地球上的一段弧长，并确定圆心
角求地球半径来了解地球（当时被认为是圆球）的大小
标志事件：公元前三世纪，在埃及亚历山大城和赛尼

作用 建立适合地球（或其它星球，或宇宙） 的、精确的位置测量参考系，并精确测 定点在参考系中的坐标，为地学研究和 其他测绘提供精准的地理空间数据基础。
三、大地测量学的知识体系与学科分类
知识体系
大地测量学的知识体系包括：数学、物理学
（电磁波测距、无线通讯、惯性力学）等构成；
研究地球形状及重力场，研究坐标系建立与变 换问题，研究空间点的位置与速度。 学科分类 1.从研究地球形状、大小等研究任务分，有 理论大地测量，也称高等测量学。 以地球研究对象，研究地球形状和重力场，建 立参照系和建立大地控制网的方法。分支有：
资源开发、环境监测和保护
防灾、减灾和救灾 现代大地测量的主要技术：VLBI、SLR、GNSS VLBI—Very Long Baseline Interferometry SLR----Satellite Laser Ranging
GNSS-- Global Navigation Satellite System
1956年前采用最低低潮面深度基准 1957年起采用理论深度基准面为深度基准，按苏弗拉 基米尓计算的当地理论最低低潮面为深度基准。 1957国家重力基本网采用波茨坦重力基准 1985国家重力基本网采用IGSN71重力基准 2000国家重力基本网采用绝对重力系统 2. 建立、复测了平面、高程、重力框架，有效维持了大 地参照系统 后续课程有叙述
任务 1.科学任务：研究地球重力场、地球形状和大小，地球动 力学现象。 2.技术任务：精确确定地面点及其变化。 点的坐标是动态的，表述为：
x (t ) X (t ) y ( t ) z (t )
性质 既是基础学科—地球物理学分支,研究地球运动、组成、作 用力和各种物理过程。 又是应用学科----是测绘学（也称地理空间信息学）分支， 通过对地球形状大小、重力场研究，在地球上建立起一 个参考系统，用以表示点的准确的几何位置。
到椭球面上，推算点的几何位置。
物理大地测量学：研究地球重力场，用物理方法建立地 球形状理论，用重力测量数据研究大地水准面相对于椭球 面的起伏。 动力大地测量：通过精确测定点的位置及地球重力场随
时间的变化研究地球的整体或局部运动，并作出物理解释。
整体大地测量：将几何与物理空间统一起来，在时-空参 照系中，将大地测量学的一切几何观测量与物理观测量放 在一个统一的数学模型中处理。
城间通过测纬差和子午弧长的方法计算圆球的半径。
图示：
光线=垂线
（二）大地测量学科的形成（ 17世纪初～19世纪下半叶） 认知水平：地球整体形状似椭球 代表性成果： 研究地球的物理学观点： •1690年，荷兰惠更斯发表论著《论重力起因》，根据地球 的重力值从赤道向两极增加的规律，得出地球的外形为两 极略扁的扁球体的论断。 •1743年，法国克莱洛发表论著《地球形状理论》，提出用 重力测量方法求出地球形状的克莱洛定理。 研究地球的几何学方法 •17世纪初荷兰的斯涅尔首创三角测量，奠定了三角测量的 基础，之后发明的望远镜、水准器、测微器极大地推进了 三角测量乃至整个大地测量的发展。 上述成果标志大地测量学科形成
（三）大地测量的发展及代表性成果 1.几何大地测量的发展成就 弧度测量 法国科学院1735～1744年进行的子午弧度测量（同时进行 弧两端的纬度测量），结果表明：纬度越高，每度子午弧 越长，验证了物理学论断。法国科学家还提出了将一象限 的子午弧长的千万分子一单位命名为1米（1799年），从 而奠定了现代米制基础。 几何大地测量学发展的其它成就 19世纪起，许多国家开展了具有近代意义的天文大地测量， 推动了大地测量体系的完善。 为消除观测数据间的矛盾，求出可靠结果和评定精度， 法国，Legendre在1806年首次发表了最小二乘法理论；

2.物理大地测量学的发展成就
•1849年英国斯托克斯提出利用地面重力测量结果研究 大地水准面形状，这种方法要求将重力归算到大地水 准面上，虽委难严格办到，但这一理论是研究大地水 准面的一个飞越。 •1945年苏联莫洛金斯基提出了不用进行归算，直接利
用地面重力测量数据严格地求定地面点到参考椭球面的距 离，即大地高的方法。这种方法为天文重力水准测量和正 常高系的建立奠定了基础。 3.现代空间卫星大地测量成就 空间卫星大地测量：20世纪中叶，人造卫星的发射成功， 为精密测定地球椭球的形状，海水大地水准面起伏，高精 度确定地面点在全球大地坐标坐标系中的位置，为地球重 力测量提供了更佳的技术手段。 动力大地测量学发展：因日、月引力和构造运转，地壳在 经历缓慢和微小的移动，一般测量技术的精度无法测得其 变化，VLBI （1967年）技术问世，在长达几千公里基线两 端建立射电接收电线，两步接收来自河外类星体的电源信 号，利用干涉测量技术，即可以厘米级精度这条基线在惯 性坐标系中的分量。类星体距地球距遥远，它们相对地球 的角运动可视作零。
事实上，德国Gauss，1794年已提出并应用这一理论计 算了谷神星轨道，此后又用这种理论处理了天文大地 测量成果。 德国Gauss还于1822年将椭球面元素投影到平面上的正 形投影方法。 德国赫尔默特提出了在天文大地网中所有天文点的垂 线偏差平方和为最小的条件下，解算与测区大地水准 面最佳拟合的椭球参数及其在地球体中的定位方法。