大地測量學詳解

1、大地測量學大地測量學，又稱為測地學。根據(jù)德國著名大地測量學家F.R. Helmert的經(jīng)典定義，大地測量 學是一門量測和描繪地球表面的科學。也就是研究和測定地球形狀、大小和地球重力場，以及測定 地面點幾何位置的學科。它也包括確定地球重力場和海底地形，是測繪學的一個分支。英文解釋： A subdivision of geophysics which includes determination of the size and shape of the earth, the earths gravitational field, and the location of points fixed t

2、o the earths crust in an earth-referred coordinate system. （Source: MGH）簡介編輯大地測量學是測繪學的一個分支。研究和測定地球形狀、大小和地球重力場，以及測定地面點幾何 位置的學科。大地測量學中測定地球的大小，是指測定地球橢球的大小;研究地球形狀，是指研究大地水準面的形 狀；測定地面點的幾何位置，是指測定以地球橢球面為參考的地面點的位置。將地面點沿法線方向 投影于地球橢球面上，用投影點在橢球面上的大地緯度和大地經(jīng)度表示該點的水平位置，用地面點 至投影點的法線距離表示該點的大地高程。這點的幾何位置也可以用一個以地球質(zhì)心為原點的

3、空間 直角坐標系中的三維坐標來表示。大地測量工作是為大規(guī)模測制地形圖提供地面的水平位置控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，為用重力勘探地下 礦藏提供重力控制點，同時也為發(fā)射人造地球衛(wèi)星、導彈和各種航天器提供地面站的精確坐標和地 球重力場資料。任務編輯它的基本任務是研究全球，建立與時相依的地球參考坐標框架，研究地球形狀及其外部重力場的理 論與方法，研究描述極移固體潮及地殼運動等地球動力學問題，研究高精度定位理論與方法。測地學測地學確定地球形狀及其外部重力場及其隨時間的變化，建立統(tǒng)一的大地測量坐標系，研究地殼形變（包 括地殼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 的形狀及其

4、重力場。建立和維持具有高科技水平的國家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)和精密水準網(wǎng)以及海洋大地控制 網(wǎng)，以滿足國民經(jīng)濟和國防建設的需要。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)學變換及有關的大地測量計算。研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)學處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫 建立及應用等。分支編輯幾何大地測量學亦即天文大地測量學：它的基本任務是確定地球的形狀和大小及確定地面點的幾何 位置。物理大地測量學也稱理論大地測量學：它的基本任務是用物理方法（重力測量）確定地球形狀及其 外部重力場?？臻g大地測量學：主要研究人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間

5、大地測量的理論，技術與 方法。方法編輯 測地方程 測地方程 解決大地測量學的任務傳統(tǒng)上有兩種方法，幾何法和物理法。所謂幾何法是用幾何觀測量通過三角 測量等方法建立水平控制網(wǎng)，提供地面點的水平位置；通過水準測量方法，獲得幾何量高差，建立 高程控制網(wǎng)提供點的高程。物理法是用地球的重力等物理觀測量通過地球重力場的理論和方法推推 求大地水準面相對于地球橢球的距離、地球橢球的扁率等。簡史編輯萌芽階段17世紀以前，大地測量學處于萌芽狀態(tài)。公元前3世紀，埃拉托色尼首先應用幾何學中圓周上一段 弧的長度、對應的中心角同圓半徑的關系，計算地球的半徑長度。公元724年，中國唐代的南宮說 等人在張遂(一行)的指導下，

6、首次在今河南省境內(nèi)實測一條長約300千米的子午弧。其他國家也 進行過類似的工作。但當時測量工具簡陋，技術粗糙，所得結果精度不高，只是測量地球大小的嘗 試。大地測量學形成1687年I.牛頓發(fā)表萬有引力定律之后，1690年荷蘭c.惠更斯在其著作論重力起因中，根據(jù)地 球表面的重力值從赤道向兩極增加的規(guī)律，得出地球的外形為兩極略扁的扁球體論斷。1743年法國 A. C.克菜羅發(fā)表地球形狀理論，進一步給出由重力數(shù)據(jù)和地球自轉(zhuǎn)角速度確定地球扁率的克 萊羅定理。此外，17世紀初，荷蘭的w.斯涅耳首創(chuàng)三角測量。隨后望遠鏡、測微器、水準器等發(fā) 明，測量儀器精度大幅度提高，為大地測量學的發(fā)展奠定技術基礎。17世紀

7、末，大地測量學形成至 衛(wèi)星大地測量的出現(xiàn)，這一階段的大地測量學通常稱為經(jīng)典大地測量學。主要標志是以地面測角、 測距、水準測量和重力測量為技術手段解決陸地區(qū)域性大地測量問題?；《葴y量、三角測量、幾何 高程測量以及橢球面大地測量理論的發(fā)展，形成幾何大地測量學；建立了重力場的位理論并發(fā)展了 地面重力測量，形成物理大地測量學?；《葴y量16831718年，法國卡西尼父子(G.D.Cassini和J.Cassini)在通過巴黎的子午圈上用三角測量 法測量弧幅達820的弧長，推算出地球橢球的長半軸和扁率。由于天文緯度觀測沒有達到必要的 精度，加之兩個弧段相近，以致得出了負的扁率值，即地球形狀是兩極伸長的橢球

8、，與惠更斯根據(jù) 力學定律作出的推斷正好相反。為了解決這一疑問，法國科學院于1735年派遣兩個測量隊分別赴 高緯度地區(qū)拉普蘭(位于瑞典和芬蘭的邊界上)和近赤道地區(qū)秘魯進行子午弧度測量，全部工作于 1744年結束。兩處的測量結果證實緯度愈高，每度子午弧愈長，即地球形狀是兩極略扁的橢球。至 此，關于地球形狀的物理學論斷得到了弧度測量結果的有力支持。另一個著名的弧度測量是J.B.J.德朗布爾于17921798年間進行的弧幅達940的法國子午弧的測 量。由這個新子午弧和17351744年間測量的秘魯子午弧的數(shù)據(jù)，推算了子午圈一象限的弧長， 取其千萬分之一作為長度單位，命名為一米。這是米制的起源。從18世

9、紀起，繼法國之后，一些歐洲國家也都先后開展了弧度測量工作，并把布設方式由沿子午 線方向發(fā)展為縱橫交叉的三角鎖或三角網(wǎng)。這種工作不再稱為弧度測量，而稱為天文大地測量。中 國清代康熙年間(17081718)為編制皇輿全覽圖，曾實施大規(guī)模的天文大地測量。在這次測 量中，也證實高緯度的每度子午弧比低緯度的每度子午弧長。另外，清代康熙皇帝還決定以每度子 午弧長為200里來確定里的長度。幾何大地測量19世紀起，許多國家都開展全國天文大地測量工作，其目的并不僅是為求定地球橢球的大小，更主 要的是為測制全國地形圖提供大量地面點的精確幾何位置。這就推動了幾何大地測量的發(fā)展。為了檢校天文大地測量的大量觀測數(shù)據(jù)，求

10、出最可靠的結果和評定觀測精度，法國A. 1.勒讓 德于1806年首次發(fā)表最小二乘法的理論。事實上，德國數(shù)學家和大地測量學家C.F.高斯在1794 年已經(jīng)應用這一理論推算小行星的軌道，此后又用最小二乘法處理天文大地測量成果，把它發(fā)展到 相當完善的程度，形成測量平差法，至今仍廣泛應用于大地測量。橢球面上三角形的解算和大地坐標的推算，高斯于1828年在其著作曲面通論中提出橢球面 三角形的解法。關于大地坐標的推算，許多學者提出了多種公式，高斯于1822年發(fā)表橢球面投影 到平面上的正形投影法，這是大地坐標換算成平面坐標的最佳方法，至今仍在廣泛應用。利用天文學大地測量成果推算地球橢球長半軸和扁率，德國F.

11、R.赫爾墨特提出在天文大地網(wǎng)中所 有天文點的垂線偏差平方和為最小的條件下，解算與區(qū)域大地水準面最佳擬合的橢球參數(shù)及其在地 球體中定位的方法。以后這一方法被稱為面積法。物理大地測量自1743年克萊羅發(fā)表了地球形狀理論之后，物理大地測量的最重要發(fā)展是1849年英國的G.G. 斯托克斯提出的斯托克斯定理。根據(jù)這一定理，可以利用地面重力測量結果研究大地水準面形狀。 但它要求首先將地面重力測量結果歸算到大地水準面上，由于地殼密度未知，這種歸算不能嚴格實 現(xiàn)。盡管如此，斯托克斯定理還是推動了大地水準面形狀的研究工作。大約100年后，蘇聯(lián)的M.S. 莫洛堅斯基于1945年提出莫洛堅斯基理論，它不需任何歸算，

12、便可以直接利用地面重力測量數(shù)據(jù) 嚴格地求定地面點到參考橢球面的距離（大地高程）。它避開了理論上無法嚴格求定的大地水準面， 直接求定地面點的大地高程。利用這種高程，可把大地測量的地面觀測值準確地歸算到橢球面上， 使天文大地測量的成果處理不因歸算不準確而帶來誤差。伴隨著莫洛堅斯基理論產(chǎn)生的天文重力水 準測量方法和正常高系統(tǒng)已被許多國家采用。這是在衛(wèi)星重力測量技術出現(xiàn)以前，由地面重力測量 研究地球形狀和確定地球重力場的理論和方法，稱為經(jīng)典物理大地測量?，F(xiàn)代大地測量經(jīng)典大地測量由于其主要測量技術手段（測角和測邊）和方法本身的局限性，測量精度已近極限， 測量范圍也難于達到占地球面積70%的海洋和陸地自然

13、條件惡劣的地區(qū)（高原、沙漠和原始森林 等）。1957年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功后，利用人造衛(wèi)星進行大地測量成為主要技術手段，從 此發(fā)展到現(xiàn)代大地測量。其標志是產(chǎn)生衛(wèi)星大地測量，突破了米級測量精度，從區(qū)域性相對大地測 量發(fā)展到全球的大地測量，從測量靜態(tài)地球發(fā)展到可測量地球的動力學效應。衛(wèi)星大地測量1966年美國的W.M.考拉發(fā)表衛(wèi)星大地測量理論一書，為衛(wèi)星大地測量的發(fā)展奠定基礎。同時， 對衛(wèi)星跟蹤觀測定軌技術得到迅速發(fā)展，從照相觀測發(fā)展到衛(wèi)星激光測距（8LR）和衛(wèi)星多普勒觀 測。20世紀70年代美國首先建立衛(wèi)星多普勒導航定位系統(tǒng)，根據(jù)精密測定的衛(wèi)星軌道根數(shù)，能夠 以土 1米或更高的精度測定任一

14、地面點在全球大地坐標系中的地心坐標；90年代美國又發(fā)展了新一 代導航定位系統(tǒng)，即全球定位系統(tǒng)（GPS），以其廉價、方便、全天候的優(yōu)勢迅速在全球普及，成 為大地測量定位的常規(guī)技術。俄羅斯發(fā)展了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），歐洲正在啟動伽利 略全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（Galileo）。衛(wèi)星大地測量不僅廣泛用于高精度測定地面點的位置，還用 于確定全球重力場，并形成一門新的大地測量分支，即衛(wèi)星重力學。衛(wèi)星重力測量衛(wèi)星激光測距對衛(wèi)星的跟蹤測量可以精確測定衛(wèi)星軌道的攝動，當分離出占攝動主要部分的地球引 力攝動，由此推算地球引力位球諧展開的低階位系數(shù)。20世紀70年代開始衛(wèi)星雷達測高，后又研制和發(fā)展了多

15、代衛(wèi)星測高系統(tǒng)，用于精確測定平均海面的大地高，確定海洋大地水準面，并反求海 洋重力異常，分辨率優(yōu)于IO千米，精度優(yōu)于分米級。動力大地測量SLR和甚長基線干涉測量（VLBI），可以厘米級或更優(yōu)的精度監(jiān)測板塊的運動速率、極移和地球自 轉(zhuǎn)速率的變化。GPS更能以毫米級精度測定板塊內(nèi)地塊的相對運動及地殼形變，還廣泛用于監(jiān)測斷 層和地震活動、極地冰原和陸地冰川的運動和變化以及冰后回彈現(xiàn)象。海洋大地測量衛(wèi)星測高已成為確定高分辨率全球海洋大地水準面的最廉價有效的手段，GPS也成為海洋導航定位 的主要工具，定位精度比傳統(tǒng)的天文導航和無線電導航精度提高12個數(shù)量級，多波束聲吶測深 相對精度已達到或接近11100

16、0O海底大地控制網(wǎng)和海底地形測量的規(guī)模和精度在不斷提高。1 展望編輯大地測量學從形成到現(xiàn)在已有300多年的歷史，雖然在研究地球形狀、地球重力場和測定地面點幾 何位置各方面都已取得了可觀的成就,但從整體來看，仍存在著若干不足之處，有待于今后繼續(xù)研究 解決。衛(wèi)星大地測量已經(jīng)全面地和均勻地求出了地球重力場（包括大地水準面）的總貌，但還不能求得 其精細結構。這是由于衛(wèi)星運行的軌道至少在地面上方200公里以上，對地球重力場效應的分辨能 力也只能達到這一數(shù)量級。目前地面重力測量在全球的分布極不均勻，有待繼續(xù)擴展。在海洋上空 利用衛(wèi)星雷達測高技術測定海洋大地水準面的起伏已取得了較好的結果。由天文大地測量求得

17、的垂 線偏差和由天文重力水準所得的大地水準面起伏，也都是地球重力場的信息。所以要研究地球重力 場全面而精細的結構，必須綜合利用衛(wèi)星、物理和幾何大地測量的各種信息，進行統(tǒng)一的處理，有 人稱之為整體大地測量。這是研究地球重力場的發(fā)展趨勢。18世紀以來進行的天文大地測量，各國大都采用不同的參考橢球，建立獨立的坐標系。20世紀 以來，通過聯(lián)測和改算，有些獨立坐標系連成一體，形成了西歐、北美、蘇聯(lián)和東歐、印度、中國、 澳大利亞等若干個較大的坐標系。直到全球衛(wèi)星大地測量開展以后，特別是由于衛(wèi)星多普勒定位技 術的發(fā)展，才使建立全球統(tǒng)一的地心坐標系成為可能。許多國家都在原有的天文大地網(wǎng)內(nèi)加測衛(wèi)星 多普勒定位點，把天文大地網(wǎng)和衛(wèi)星定位網(wǎng)結合起來。這已成為當前的趨勢。正在發(fā)展中的衛(wèi)星射 電干涉測量技術，不但有可能加強天文大地網(wǎng)，甚至可能局部代替?zhèn)鹘y(tǒng)的天文大地網(wǎng)。可以預期， 測定地面點幾何位置的大地網(wǎng)的布設和