大地测量学基础

大地测量学基础

一、大地测量的基本概念

1、大地测量学的定义

它是一门量测和描绘地球表面的科学。它也包括确定地球重力场和海底地形。也就是研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定地面点几何位置的学科。测绘学的一个分支。

主要任务是测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息。是一门地球信息学科。是一切测绘科学技术的基础。

测绘学的一个分支。研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定地面点几何位置的学科。

大地测量学中测定地球的大小，是指测定地球椭球的大小;研究地球形状,是指研究大地水准面的形状；测定地面点的几何位置，是指测定以地球椭球面为参考的地面点的位置。将地面点沿法线方向投影于地球椭球面上，用投影点在椭球面上的大地纬度和大地经度表示该点的水平位置，用地面点至投影点的法线距离表示该点的大地高程。这点的几何位置也可以用一个以地球质心为原点的空间直角坐标系中的三维坐标来表示。

大地测量工作为大规模测制地形图提供地面的水平位置控制网和高程控制网，为用重力勘探地下矿藏提供重力控制点，同时也为发射人造地球卫星、导弹和各种航天器提供地面站的精确坐标和地球重力场资料。

内容和分支学科解决大地测量学所提出的任务，传统上有两种方法：几何法和物理法。随着20世纪50年代末人造地球卫星的出现，又产生了卫星法。所以现代大地测量学包括几何大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学3个主要部分。

几何法是用一个同地球外形最为接近的几何体（即旋转椭球，称为参考椭球）代表地球形状，用天文大地测量方法测定这个椭球的形状和大小，并以它的表面为基础推算地面点的几何位置。

物理法是从物理学观点出发研究地球形状的理论。用一个同全球平均海水面位能相等的重力等位面（大地水准面）代表地球的实际形状，用地面重力测量数据研究大地水准面相对于地球椭球面的起伏。

卫星法是利用卫星在地球引力场中的轨道运动，从尽可能均匀分布在整个地球表面上的十几个至几十个跟踪站，观测至卫星瞬间位置的方向、距离或距离差。积累对不同高度和不同倾角的卫星的长期（数年）观测资料，可以综合解算地球的几何参数和物理参数，以及地面跟踪站相对于地球质心的几何位置。

2、大地测量学的任务

·确定地球形状及其外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变（包括地壳垂直升降及水平位移），测定极移以及海洋水面地形及其变化等。

·研究月球及太阳系行星的形状及其重力场。

·建立和维持具有高科技水平的国家和全球的天文大地水平控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和国防建设的需要。

·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的大地测量计算。

·研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。

3、大地测量学的基本分支

a 几何大地测量学：基本任务是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。

b 物理大地测量学：基本任务是用物理方法（重力测量）确定地球形状及其外部

重力场。

C 空间大地测量学：以人造地球卫星及格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。

几何大地测量学

研究用几何方法测定地球形状和大小以及地面点几何位置的学科，亦称天文大地测量学

几何大地测量采用一个旋转椭球代表地球形状，用几何方法测定它的形状和大小，并以该椭球面为参考研究和测定大地水准面，以及建立大地坐标系。

地球椭球的形状和大小以其扁率和长半轴表示。地面点的几何位置以其在大地坐标系中的大地经度、纬度和大地高程表示。测定地球形状，是指测定大地水准面形状，也就是测定大地水准面对于椭球面的差距。

4、大地测量学的基本体系

a 应用大地测量学：以研究建立国家大地测量控制网为中心内容。

b 椭球大地测量学：研究坐标系建立及地球椭球性质以及投影数学变换为主要内容。c大地天文测量学：以研究测量天文经度、纬度及天文方位角为中心内容。

d 大地重力测量学：以研究重力场及重力测量方法为中心内容。

e 测量平差：以研究大地测量控制网平差计算为主要内容。

5、水准面、大地水准面、似大地水准面的概念、高程系统

a. 水准面：

在地面上，处处与重力方向垂直的连续曲面，水准面

等于重力等位面。

b.大地水准面：

大地测量学所研究的是在整体上非常接近于地

球自然表面的水准面。设想与平均海水面相重合，不

受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面

处处与铅垂线相垂直的水准面的连续封闭曲面。由它

包围的形体称为大地体。

图2-1 大地水准面

c. 似大地水准面：

由于地球质量特别是外层质量分布的不均性，使

得大地水准面形状非常复杂。引入不需要任何关于地壳结构方面的假设而确定的似大地

水准面，它与大地水准面很接近。

6、参考椭球体、参心坐标系、地心坐标系、地心地

固坐标系

参考椭球体：

大地水准面是不规则曲面，不便于进行测量数据处

理。

图2-2 参考椭球体

为便于准确计算测量成果，用一个接近大地体的旋转椭圆球体作为地球的参考大小和形状－－－－称为参考椭球体，称其外表为参考椭球面。

参心坐标系：

具有确定参数（长半径a和扁率），经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳

拟合的地球椭圆。以参考椭球为基准的坐标系，叫参心坐标系。

确定椭球的中心位置称为椭球定位。

确定椭球短轴的指向称为定向，椭球的短轴平行于地球的自转轴。

由椭圆公式：

X2/a2+y2/a2+z2/b2=1 (2-1)

α=(a-b)/a

a，b为参考椭球体的几何参数，a为长轴半径，b为短轴

半径，α为椭球体的扁率。

不同的坐标系采用不同的参考椭圆。例如：1954年北

京坐标系、1980年国家大地坐标系。

总地球椭球

图2-3 参考椭球体几何参除了满足地心定位和双平行条件外，在确定椭球参数

时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球。以总

地球椭球为基准的坐标系，叫地心坐标系。

无论是参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系两种，它们都

与地球体固连在一起，与地球同步运动，因而又称为地固坐标系，以地心为原点的地固坐标系则称为地心地固坐标系（ECEF）。

地心地固大地坐标系地球椭球的中心与地球质心重合，椭球面与大地水准面在全球范围内最佳符合，椭球的短轴与地球自转轴重合，大地纬度为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度为过地球面点的椭球子午面与格林尼治的大地子午面之间的夹角，大地高为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。例

如：WGS-84世界大地坐标系属于地心地

固坐标系。

d. 高程系统

为了表达地球自然表面点相对地球椭

球的空间位置，除采用椭球坐标（即大地

经度及纬度）外，还要应用大地高H。

二、大地测量常用坐标系

一个完整的坐标系统是由坐标系和基

准两方面要素所构成的。坐标系指的是描

述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。

1、空间大地坐标系