大地测量学发展概况简述

大地测量学发展概况简述

摘要：本文主要介简述了大地测量学的发展简史，概述了大地测量学的基本任务，并简要阐述了现代大地测量学的特点，最后对我国大地测量的未来发展进行了简单的展望。

关键字：大地测量学现代大地测量学重力场

1 大地测量学的发展简史

大地测量学是地球科学中的一个分支，具有悠久的历史。公元前3世纪，亚历山大的埃拉托色尼利用在两地观测日影的方法，首次推算出地球子午圈的周长，也是弧度测量的初始形式。724年，中国唐代的南宫说等人在张遂的指导下在今河南省境内实测了一条长约300千米的子午弧，并测同一时刻南北两点的日影长度，推算出纬度1°的子午弧长。这是世界上第一次实测弧度测量。其他国家也相继进行过类似的工作。17世纪以前，由于工具简单，技术水平低，所得结果精度不高。

1617年荷兰的斯涅耳首创三角测量法，克服了直接丈量距离的困难。随后又有望远镜、水准器、测微器等的发明，测量仪器制造逐渐完善，精度提高，为大地测量学的发展奠定了技术基础。17世纪末，英国牛顿和荷兰惠更斯从力学观点研究地球形状，提出地球是两极略扁的椭球体。1735～1741年法国科学院派两支测量队分别在赤道附近的秘鲁和北极圈附近的拉普兰进行弧度测量，证实地球是两极略扁的椭球体。中国清代康熙年间为编制《皇舆全图》，实施了大规模天文大地测量。在这次测量中，发现高纬度的东北地区每度子午弧比低纬度的河北地区的要长，这个发现比法国早。1730年英国西森发明经纬仪，促进了三角测量的发展。

1743年法国克莱罗发表了《地球形状理论》，指出用重力测量精确求定地球扁率的方法。1806年法国的勒让德和1809年德国的高斯分别发表了最小二乘法理论，产生了测量平差法。1849年英国斯托克斯创立用重力测量成果研究水准面形状的理论。

1880年瑞典耶德林提出悬链线状基线尺测量方法，继而法国制成因瓦基线尺，使丈量距离的精度明显提高。19世纪末和20世纪30年代，先后出现了摆仪和重力仪，使重力点数量大量增加，为研究地球形状和地球重力场提供大量重力数据。

20世纪40年代，电磁波测距仪的发明，克服了量距的困难，使导线测量、三边测量得到重视和发展。1957年第一颗人造地球卫星发射成功后，产生了卫星大地测量学，使大地测量学发展到一个新阶段。20世纪70年代以后，随着空间技术、计算机技术和信息技术的飞跃发展，为大地测量学注入了新的内容，形成了现代大地测量。

2 大地测量学的基本任务

根据德国著名大地测量学家F.R. Helmert的经典定义，大地测量学是一门量测和描绘地球表面的科学。即它是研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。

其基本主要任务包括：

①确定地球形状及其外部重力场及其随时间的变化；

②建立统一的大地测量坐标系；

③研究地壳形变（包括地壳垂直升降及水平位移）；

④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；

⑤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；

⑥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；

⑦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 大地测量学的分类

按照所研究的内容可将现代大地测量学分为三类：几何大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学。

几何大地测量采用一个与地球外形最接近的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，推算地面点的几何位置。

物理大地测量用一个同全球平均海水面位能相等重力等位面即大地水准面代表地球的实际形状，在地球表面进行重力测量，并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。

卫星大地测量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，积累对不同高度不同倾角的卫星的长期观测资料，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。

4 现在大地测量学的特点

与经典大地测量学相比，现代大地测量学具有以下新特点：

①长距离。大范围现代大地测量学所量测的范围和间距,已可以从原来的几十公里扩展到几千公里,不再受经典大地测量中“视线”长度的制约,现代大地测量学能提供协调一致的全球性大地测量数据,例如测定全球的板块运动,冰原和冰川的流动,洋流和海平面的变化等等,因此过去总在局部地域中进行的大地测量现

在已扩展为洲际的、全球的和星际的。

②高精度。现代大地测量的量测精度相对于经典大地测量而言,已提高了2到3个数量级。例如我国天文大地网是中国 60 年代大地测量的最高精度,其相对精度约为 3ppm,而目前GPS定位的相对精度一般情况下都可以做到0.1ppm。

③实时性。快速经典大地测量的外业观测和内业数据处理是在有相当时间间隔内完成的两个不同的工序。而现代大地测量的这两个工序,几乎可以在同一时间段内完成,即实时或准实时地完成。例如对静态或动态目标的实时定位(导航),对形变的实时监测,可以准实时测定由于大气和海洋角动量的变化与地球自转的关系。最近升空的 GRACE 卫星能准实时测定由于大气质量的再分布和雪、冰、地下水变化所引起的地球重力场的短暂性变化等等。

④具有“时间维”。现代大地测量的第四维是时间或历元。现代大地测量能提供在合理复测周期内有时间序列的,高于10－7精度的大地测量数据。这些测量成果,必然或必须要以“时间”作为大地测量学数据中的第四个坐标(第四维),否则高精度和实时测定在不断运动的物质世界中就没有意义。也就是说大地测量学原来的三个方面的静态内容,在当前实时和高精度测量的条件下,必须与它们所相应的时间(历元)相联系。这是现代大地测量学的一个重要特点。

⑤建立高精度地心坐标。经典大地测量是在地面上进行,因此要以较高精度测定目标的地心三维坐标是很困难的。而现代大地测量的主体,即卫星大地测量所测得的定位、高程、影像等成果,都是以维系卫星运动的地球质心为坐标原点的三维的测量数据。因此现代大地测量以地心坐标系为主的这一特点,是卫星大地测量自身的物理特性所决定的。

⑥多学科的融合。现代大地测量学的第六个特点是它的学术领域的扩大,以及与其他学科的融合。过去传统的看法是,大气折射对所有大地测量中的电磁波测量都是一种误差源,是一种自然的制约因素,而现代大地测量却要利用卫星和地面站之间,或卫星和卫星之间的电磁波定位测量技术,对大气中的电离层和对流层进行连续的,密集的测量,采用求逆技术,实时提供大气最主要物理性质的三维综合影像,这对天气预报和研究,电离层预报和研究都有一定作用。此外现代大地测量学除了对大气科学的贡献外,由于它能获得精确的、大量的,在空间和时间方面有很高分辨率的对地观测数据,因此对地球动力学、海洋学、地质学、地震学等地球科学的作用也越来越大。

5 展望

在我国80 年代的大地测量工作,其主要特点是按照当时世界上的先进技术对50～60年代所建立的大地测量基准进行的更新、换代、改造和发展。在21 世纪,我国大地测量将逐步进入精确、动态、实时的数据获取,数据贮存,数据分发的现代化体系,以保障我国经济和社会持续发展的需要。其主要有三个方面的内容：

(1)完善国家三维空间大地网,建立GPS综合服务体系；

(2)进一步对中国地区重力场参数进行精化；

(3)复测国家一等水准。