第二章 大地测量学.ppt

第二章第二章 大地测量学大地测量学海洋科学学院海洋信息工程系海洋科学学院海洋信息工程系涂辛茹涂辛茹 博士博士2 测绘的基础测绘的基础-大地测量是一项具有超前性大地测量是一项具有超前性的测绘基础工作。的测绘基础工作。也是国家地理信息系统的也是国家地理信息系统的基础框架。基础框架。我国大地我国大地测测量是随着中量是随着中华华人民共和国人民共和国诞诞生生而起步的而起步的,经过近经过近六六十年来大地测量工作者的十年来大地测量工作者的努力努力,为国民经济建设、国防建设提供了服务为国民经济建设、国防建设提供了服务,为科学研究提供了大量的精确数据。为科学研究提供了大量的精确数据。测绘的基础测绘的基础-大地测量大地测量目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望2.1 大地测量概述大地测量概述l学科性质学科性质：地球科学(地学)l学科任务学科任务：获取和研究地球几何空间的和地 球重力场的静态和动态信息。l内容举例内容举例：测定地球形状大小；测定地面点空间坐标；点间距离和方向；测定和描述地球重力场等。5 大地测量的任务大地测量的任务：提供提供提供提供坐标基准坐标基准坐标基准坐标基准,高程基准和重力基准高程基准和重力基准高程基准和重力基准高程基准和重力基准,为地理信息系统为地理信息系统为地理信息系统为地理信息系统和测制地图提供和测制地图提供和测制地图提供和测制地图提供基础框架基础框架基础框架基础框架；确定地球上确定地球上确定地球上确定地球上点的位置点的位置点的位置点的位置,高程高程高程高程以及它们的变化；以及它们的变化；以及它们的变化；以及它们的变化；确定确定确定确定地球大小地球大小地球大小地球大小,形状形状形状形状,旋转旋转旋转旋转及其变化；及其变化；及其变化；及其变化；提供地球上点的提供地球上点的提供地球上点的提供地球上点的重力重力重力重力信息及其变化信息及其变化信息及其变化信息及其变化;研究椭球面和平面的研究椭球面和平面的研究椭球面和平面的研究椭球面和平面的投影变换投影变换投影变换投影变换及相关大地测量计算及相关大地测量计算及相关大地测量计算及相关大地测量计算研究新型的大地测量研究新型的大地测量研究新型的大地测量研究新型的大地测量仪器和方法仪器和方法仪器和方法仪器和方法；研究空间大地测量研究空间大地测量研究空间大地测量研究空间大地测量理论和方法理论和方法理论和方法理论和方法；研究研究研究研究月球和行星月球和行星月球和行星月球和行星大地测量理论和方法大地测量理论和方法大地测量理论和方法大地测量理论和方法。学科分支学科分支(体系体系)1.实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学2.椭球面椭球面(几何几何)大地测量学；大地测量学；3.物理物理(重力重力)大地测量学；大地测量学；4.空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学。7 大地测量主要技术手段大地测量主要技术手段l经纬仪角度测量；经纬仪角度测量；l水准仪高程测量；水准仪高程测量；l激光测距仪距离测量激光测距仪距离测量。l甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量(VLBI)；l卫星激光测距卫星激光测距(SLR)；l全球定位卫星系统全球定位卫星系统(GNSS)；l卫星测高卫星测高(SA)。传统大地测量传统大地测量 技术技术现代大地测量现代大地测量技术技术研究范围大（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。观测精度越高，相对精度达到观测精度越高，相对精度达到10-810-9，绝对，绝对精度可到达毫米。精度可到达毫米。测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。杂。现代大地测量的特征：现代大地测量的特征：9 目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望2.2.1.1铅垂线铅垂线地球表面任一质点，都同时受到两个作用力：其一是地球自转产生的惯性离心力惯性离心力；其二是整个地球质量产生的引力引力。这两种力的合力称为重力重力。重力的作用线又称为重力的作用线又称为铅垂线铅垂线。铅垂线是测量外业所依据的基准线。2.2.1.2 水准面水准面 1.定义定义 处于自由静止状态的水面称为水准面水准面。2.特点特点 1）水准面是一个重力等位面重力等位面，水准面上各点处处与该点的重力方向（铅垂线方向）垂直。2）在地球表面上、下重力作用的范围内，通过任何高度的点都有一个水准面，因而水准面有无数个。图2-12.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架2.2.1.3 大地水准面大地水准面定义定义在测量工作中，把一个假想的、与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面大地水准面。1）是一个封闭的曲面。2）是一个略有起伏的不规则曲面，无法用数学公式精确表达。3）大地水准面是测量外业所依据的基淮面。大地水准面的特征大地水准面的特征图2-22.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架 2.2.2 参考椭球体参考椭球体 代表地球形状和大小的旋转椭球，称为“地球椭球地球椭球”。与大地水准面最接近的地球椭球称为总地球椭球总地球椭球；与某个区域如一个国家大地水准面最为密合的椭球称为参考椭球参考椭球，其椭球面称为参考椭球面。由此可见，参考椭球有许多个参考椭球有许多个，而总地球椭球只有一个。旋转椭球面可以用数学公式准确地表达。因此，在测量工作中用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。图2-32.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架扁率 在几何大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴a、短半轴b和扁率 f来表示。我国1980年国家大地坐标系采用了1975年国际椭球，该椭球的基本元素椭球的基本元素是：a=6 378 140m,b=6 356 755.3m,f=1/298.257。由于参考椭球体的扁率很小，当测区面积不大时，在普通测量中可把地球近似地看作圆球体，其半径为：2.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架地球体：地球体：地球体：地球体：极半径略短，赤道半径略长，北极略突出、南极略扁平，近似于梨形的椭球体。大地体大地体大地体大地体：由穿越陆地、岛屿的全球静止海平面连片形成的封闭曲面称为大地大地水准面水准面，由该水准面所包含的形体称为大地体，它是地球形体的一级逼近。地球椭球体地球椭球体地球椭球体地球椭球体：大地体大地体绕短轴旋转形成的表面光滑的球体，亦称旋转椭球体。它是地球形体的二级逼近。（长轴 a，短轴 b，扁率 f=(a-b)/a）参考椭球体参考椭球体参考椭球体参考椭球体：通过数学方法将地球椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上，并求出两者各点间的偏差。它是地球形体的三级逼近。2.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描述大地体 地球椭球体 参考椭球体 不规则性、动态性、不唯一性规则的数学表面 标准数学曲面，不唯一性1952：海福特椭球 1953：克拉索夫斯基椭球 1978：1975年国际椭球三三级级近近似似2.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架椭球名称年代长半径a(m)扁率f附注德兰勃(Delambre)18006 375 6531:334.0法国埃弗瑞斯(Everest)18306 377 2761:300.801英国贝赛尔(Bessel)18416 377 3971:299.152德国克拉克(Clarke)18666 378 2061:294.978英国克拉克(Clarke)18806 378 2491:293.459英国海福特(Hayford)19106 378 3881:297.01942年国际第一个推荐值克拉索夫斯基(Krasovski)19406 378 2451:298.3苏联1967年大地坐标系19676 378 1601:298.2471967年国际第二个推荐值1975年大地坐标系19756 378 1401:298.2571975年国际第三个推荐值1980年大地坐标系19796 378 1371:298.2571979年国际第四个推荐值国际主要椭球参数国际主要椭球参数2.2.1 2.2.1 地球形状和大小地球形状和大小 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架地理坐标系统：地理坐标系统：地理坐标系统：地理坐标系统：直接建立在球体上的，用经纬度（,）表示地面点位的球面坐标系统。平面直角坐标系统平面直角坐标系统平面直角坐标系统平面直角坐标系统：建立在平面上的笛卡儿坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置。投投影影2.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架大地坐标系是以参考椭球面参考椭球面作为基准面，以起始子午起始子午面和赤道赤道面面作为在椭球面上确定某一点投影位置的两个参考面。大地经度大地经度-过地面某点的子午面与起始子午面之间的夹角，称为该点的大地经度，用 L表示。规定:从起始子午面起算，向东为正，由 0至180，称为东经；向西为负，由0至180，称为西经。大地纬度大地纬度-过地面某点的椭球面法线与赤道面的夹角，称为该点的大地纬度，用B表示。规定：从赤道面起算，由赤道面向北为正，从 0到90，称为北纬；由赤道面向南为负，从 0到90，称为南纬。大地高大地高P点沿椭球面法线到椭球面的距离H，称为大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。1.大地坐标系大地坐标系图2-42.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架大地经度与纬圈垂直排列，通过地球轴心与纬圈垂直排列，通过地球轴心的垂直大环称的垂直大环称经度经度；起始经线：将通过格林尼治天文起始经线：将通过格林尼治天文台的经线作为台的经线作为0经线经线。经度经度1的弧长的弧长：随着纬度的增高：随着纬度的增高而逐渐变短，直到最后达到两极而逐渐变短，直到最后达到两极时为零。时为零。经度经度1的弧长的弧长=纬度纬度1的弧长的弧长 纬纬度的余弦度的余弦纬度纬度0时，经度时，经度1的纬线弧长的纬线弧长111.321km2.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架大地纬度某一点纬度为该位置椭球法线与某一点纬度为该位置椭球法线与赤道平面的夹角；赤道平面的夹角；赤道为赤道为0，极地为，极地为90；纬度纬度1的弧长的弧长：1纬差的经线纬差的经线弧长，在两极地区较长弧长，在两极地区较长（111.7km），赤道地区较短），赤道地区较短（110.6km）。）。2.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架2空间直角坐标系空间直角坐标系 以椭球体中心O为原点；起始子午面与赤道面交线为X轴；赤道面上与X轴正交的方向为Y轴；椭球体的旋转轴为Z轴；构成右手直角坐标系O-XYZ。在该坐标系中，P点的位置用x，y，z表示。WGS-84坐标系是全球定位系统（GPS）采用的坐标系，属地心空间直角坐标系地心空间直角坐标系。WGS-84坐标系采用1979年国际大地测量与地球物理联合会第17届大会推荐的椭球参数椭球参数。WGS-84坐标系的原点位于地球质心地球质心；Z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极(CIP)方向；X轴指向BIHl984.0的零子午面和CIP赤道的交点；Y轴垂直于X、Z轴，X、Y、Z轴构成右手直角坐标系。3 WGS-84坐标系坐标系图2-52.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架4平面直角坐标系平面直角坐标系测绘工作中所用的平面直角坐标系与解析几何中所用的平面直角坐标系有所不同，测量平面直角坐标系以纵轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；象限顺序依顺时针方向排列。当测区范围较小时（如小于100km2），常把球面看作平面，建立独立平面直角坐标系，这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标来确定。建立独立坐标系时，坐标原点有时是假设的，假设的原点位置应使测区内各点的x、y值为正。图2-62.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架 坐标系统坐标系统按坐标原点的不同分类按坐标原点的不同分类地心地心坐标系统（地心空间直角坐标系、坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地直角坐标系地心大地直角坐标系 ）参心参心坐标系统（参心空间直角坐标系、坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地直角坐标系参心大地直角坐标系 ）站心站心坐标系统（站心直角坐标系坐标系统（站心直角坐标系 、站心、站心极坐标系极坐标系 ）2.2.2 2.2.2 测量常用坐标系测量常用坐标系2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架1954年北京坐标系年北京坐标系1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃普尔科沃。相应的椭球为相应的椭球为克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球。1954年北京坐标系的缺限年北京坐标系的缺限:椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特我国在处理重力数据时采用赫尔默特19001909年年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。这给实际工作带来了麻烦。定向不明确定向不明确 。1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 l特点特点 采用采用19751975年国际大地测量与地球物理联合会年国际大地测量与地球物理联合会 IUGGIUGG第第1616届大会上推荐的届大会上推荐的5 5个椭球基本参数。个椭球基本参数。长半径长半径 a=6378140m,a=6378140m,地球的扁率为地球的扁率为 1/298.2571/298.257 地心引力常数地心引力常数 GM=3.986 005GM=3.986 00510101414m m3 3/s/s2 2,重力场二阶带球谐系数重力场二阶带球谐系数J2=1.082 63J2=1.082 631010-8-8 自转角速度自转角速度 =7.292 115=7.292 1151010-5-5 rad/s rad/s 在在19541954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。椭椭球球面面同同似似大大地地水水准准面面在在我我国国境境内内最最为为密密合合，是是多点定位。多点定位。定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点的方向的方向大大地地原原点点地地处处我我国国中中部部，位位于于西西安安市市以以北北60km处处的的泾阳县永乐镇泾阳县永乐镇，简称，简称西安原点西安原点。大地高程基准采用大地高程基准采用1956年黄海高程系年黄海高程系l1980大地坐标系建立的方法大地坐标系建立的方法按按最最小小二二乘乘法法求求:，在在进进一一步步求求大大地地原原点点的起算数据的起算数据.平平差差后后提提供供的的大大地地点点成成果果属属于于19801980年年西西安安坐坐标标系系，它它和和原原19541954年年北北京京坐坐标标系系的的成成果果是是不不同同的的。这这个个差差异异除除了了由由于于它它们们各各属属不不同同椭椭球球与与不不同同的的椭椭球球定定位位、定定向向外外，还还因因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。用成果相应的坐标系统。高程高程:地面点至高程基准面的铅垂距离。通常是以大地水准面作为高程基准面。绝对高程绝对高程:某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，称为该点的绝对高程或海拔海拔，简称高程，用H表示。1 1 概述概述2 2 验潮站验潮站 验潮站是为了解当地海水潮汐变化的规律而设置的。为确定平均海面和建立统一的高程基准，需要在验潮站上长期观测潮位的升降，根据验潮记录求出该验潮站海面的平均位置。验潮站的标准设施包括：验潮室、验潮井、验潮仪、验潮杆和一系列水准点，如图所示。从一系列水准点中选定在永久性和可靠性方面都是最佳的一个作为水准原点。我国水准原点设在青岛市观象山上。我国曾采用青岛验潮站19501956年期间的验潮结果推算了黄海平均海面，称为“1956年黄海平均高程面”，以此建立了“1956年黄海高程系”。自1959年开始，全国统一采用1956年黄海高程系。后来又利用该站19521979年期间的验潮结果计算确定了新的黄海平均海面，称为“1985国家高程基准”，我国自1988年1月1日起开始采用1985国家高程基准作为高程起算的统一基准。由1956年黄海平均海水面起算的青岛水准原点高程为72.289m，由1985国家高程基准起算的青岛水准原点高程为72.260m。2.2.3 2.2.3 高高 程程 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架水准原点1985国家高程基准，72.2604米黄海海面 1952-1979年平均海水面为0米任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB正常高大地高高程异常2.2.3 2.2.3 高高 程程 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架相对高程 假定一个水准面作为高程基准面，地面点至假定水准面的铅垂距离，称为相对高程或假定高程。用H表示。3 3相对高程相对高程 两点高程之差称为高差。图2-18中，嘿!、HB为A、B点的绝对高程，嘿!、HB为相对高程，hAB为A、B两点间的高差，即所以，两点之间的高差与高程起算面无关。2.2.3 2.2.3 高高 程程 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架深度基准面：深度基准面：海图所载水深的起算面，又称海图基准面。我国的深度基准面我国的深度基准面 ：采用理论深度基准面（即理论最低潮面）。4 4深度基准深度基准 2.2.3 2.2.3 高高 程程 2.2大地测量系统与大地测量参考框架大地测量系统与大地测量参考框架2007-6-8 33 目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望2.3实用大地测量实用大地测量l平面控制网平面控制网l高程控制网高程控制网l重力控制网重力控制网实用大地测量的基本任务：建立大地控制网，实用大地测量的基本任务：建立大地控制网，实现大地测量系统。实现大地测量系统。是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点网。目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共共154348个。个。是全国进行测量工作的高程参考框架，按控制等级和施是全国进行测量工作的高程参考框架，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目前提供使用的测精度分为一、二、三、四等网，目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度个，水准路线长度为为4166191公里。公里。是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的的2000国家重力基本网包括国家重力基本网包括21个重力基准点和个重力基准点和126个重个重力基本点力基本点。2.3 实用大地测量 2.3.2国家平面控制测量国家平面控制测量（1）l点位的传递与控制点位的传递与控制 传递传递：控制控制：v ABPBAPC已知：已知：XA，XB XP 传递传递 交会交会 XA，XB XP XB，XC XP”检查：检查：XP-XP”=?提高精度提高精度:(XP+XP”)/22007-6-8 36 2.3 实用大地测量2.3.2国家平面控制测量（2）l建立原则：逐级控制，布满全国。建立原则：逐级控制，布满全国。l按等级高低分为：按等级高低分为：IIV等等4级控制网类型级控制网类型：测角三角网测角三角网 边角导线网边角导线网 测边网测边网2007-6-8 37 经经 纬纬 仪仪2.3 实用大地测量2.3.2国家平面控制测量（2）38 测距仪及反射棱镜测距仪及反射棱镜2.3 实用大地测量2.3.2国家平面控制测量（2）2007-6-8 39 全国天全国天文大地网文大地网共包含三共包含三角点、导角点、导线点线点4843348433个个,拉普拉斯拉普拉斯点点458458个个,长度起始长度起始边边467467条条,由此组成由此组成了全国范了全国范围的参考围的参考框架框架,是是国家各部国家各部门进行测门进行测绘工作的绘工作的基础。基础。全国天文大地网全国天文大地网 A Sketch of the National Geodetic Control Network of China 平面基准平面基准全全 国国 天天 文文 大大 地地 网网全全 国国 天天 文文 大大 地地 网网 中华人民共和国大地原点，是中华人民共和国大地原点，是19801980年国家大地坐标系起算年国家大地坐标系起算点。大地原点位于陕西省泾阳县永乐店北洪流村点。大地原点位于陕西省泾阳县永乐店北洪流村。平平面面基基准准大大地地原原点点2.3 实用大地测量2.3.3国家高程控制测量国家高程控制网布设的目的和任务国家高程控制网布设的目的和任务：1）全国范围内建立统一的高程控制网，为地形测图和）全国范围内建立统一的高程控制网，为地形测图和工程提供高程控制；工程提供高程控制；2）为地壳垂直运动，海面地形及其变化，大地水准面）为地壳垂直运动，海面地形及其变化，大地水准面形状等科学研究提供精确的高程数据。形状等科学研究提供精确的高程数据。1.国家水准网的布网方案国家水准网的布网方案从高到低，从整体到局部，逐级控制，逐级加密的方从高到低，从整体到局部，逐级控制，逐级加密的方式布设，分为一二三四等水准网。式布设，分为一二三四等水准网。2.国家水准网的观测国家水准网的观测l仪器：水准仪仪器：水准仪 l l测高原理测高原理水准器高差hAB=读数a-读数bhAB水平线水平视线ABab2.3 实用大地测量2.国家水准网的观测国家水准网的观测水准仪及水准尺水准仪及水准尺2.3 实用大地测量2.国家水准网的观测国家水准网的观测2007-6-8 44 我国于我国于19591959年以前完成了一期一等水准，年以前完成了一期一等水准，19761976年至年至19801980年完成二期年完成二期一等水准一等水准，并利并利用青岛大港验潮站用青岛大港验潮站19521952年至年至19791979年的潮没观测资料计算的平均海水面，命名为年的潮没观测资料计算的平均海水面，命名为19851985国家国家高程基准高程基准,为为72.2604m72.2604m。19911991年至年至19981998年国家测绘局又对二期水准进行了复测年国家测绘局又对二期水准进行了复测,总长为总长为 9.779.77万公里万公里。高程基准高程基准2007-6-8 45 水准原点位于青岛市观象山，是全国高程控制网的起算点水准原点位于青岛市观象山，是全国高程控制网的起算点,原点原点高程高程(1985)(1985)高出黄海平均海水面高出黄海平均海水面72.260472.2604米。米。高程基准高程基准46 目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望47 椭球面大地测量学的主要内容椭球面大地测量学的主要内容 l地球形状地球形状;l椭球面上几何元素椭球面上几何元素(点点.线线.面面)之间的数学关系；之间的数学关系；l椭球面上计算点的大地坐标椭球面上计算点的大地坐标,边长和方位角；边长和方位角；l椭球面上几何元素变换到平面上的投影；椭球面上几何元素变换到平面上的投影；l建立大地坐标系的理论和方法。建立大地坐标系的理论和方法。2.42.4椭球面大地测量学椭球面大地测量学为了描述地球椭球的形状，综合为了描述地球椭球的形状，综合了天文了天文,大地大地,重力重力,人卫等资料人卫等资料,给出了不同的给出了不同的地球参考椭球的参地球参考椭球的参数数,以适应各个国家的测量需求。以适应各个国家的测量需求。地地球球 参参 考考 椭椭 球球 克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球 19541954年北京坐标系年北京坐标系年北京坐标系年北京坐标系19801980年西安坐标系年西安坐标系年西安坐标系年西安坐标系 美国美国美国美国GPSGPS坐标系坐标系坐标系坐标系 IAG-75椭球椭球 WGS84椭球椭球 49 椭球面几何元素椭球面几何元素(点线面点线面)的数学关系的数学关系 l如何解算椭球面上两点间距离最短连线如何解算椭球面上两点间距离最短连线(大地线大地线)；l如何解算由大地线围成的椭球面三角形；如何解算由大地线围成的椭球面三角形；l椭球面上坐标、边长和方位角计算问题。椭球面上坐标、边长和方位角计算问题。A12A21S12P1P2u大地测量主题大地测量主题正主题正主题:已知已知P1(B1L1),A12,S12,求求P2(B2 L2),A21 反主题反主题:已知已知P1(B1L1),P2(B2L2)，求，求 S12,A12,A212.42.4椭球面大地测量学椭球面大地测量学lPN:P点椭球面法线点椭球面法线 lB:P点大地纬度点大地纬度 lL:P点大地经度点大地经度 lH:H=PP,P点大地高点大地高 lX,Y,Z:P点的空间直角点的空间直角坐标坐标P（X，Y，Z）ES G yzxoP BNLH2.42.4椭球面大地测量学椭球面大地测量学大地坐标大地坐标系系(1)(1)-坐标坐标坐标坐标:(B,L,H)(X,Y,Z)(B,L,H)(X,Y,Z)2007-6-8 51 大地坐标大地坐标系系(2)(2)-坐标框架坐标框架坐标框架坐标框架l在大地坐标系或空间直角坐标系中精密测定在大地坐标系或空间直角坐标系中精密测定了点位坐标的地面点集合，称了点位坐标的地面点集合，称坐标框架坐标框架。例例:国家一等三角点的集国家一等三角点的集 合是一个坐标框架合是一个坐标框架。2.42.4椭球面大地测量学椭球面大地测量学高斯-克吕格(Gauss Kruger)投影属于横轴等角切椭圆柱投影。中央经线无长度变形。6或3分带投影。中央经线与赤道为互相垂直的直线。如图,设想有一个椭圆柱面横套在地球椭球体外面，使它与椭球上某一子午线（该子午线称为中央子午线）相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定的投影方法，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面。故高斯投影又称为横轴椭圆柱投影。我国现行的大于150万比例尺的各种地形图都采用高斯投影。高斯投影是德国测量学家高斯于18251830年首先提出的。实际上，直到1912年，由德国另一位测量学家克吕格推导出实用的坐标投影公式后，这种投影才得到推广，所以该投影又称高斯一克吕格投影。1高斯高斯-克吕格克吕格(GaussKruger)投影投影2 高斯投影的特点高斯投影的特点 高斯投影是正形投影的一种，投影前后的角度相等，除此以外，高斯投影还具有以下特点：（1）中央子午线投影后为直线，且长度不变。距中央子午线愈远的子午线，投影后变曲程度愈大，长度变形也愈大。（2）椭球面上除中央子午线外，其他子午线投影后，均向中央子午线弯曲，并向两极收敛，对称于中央子午线和赤道。（3）在椭球面上对称于赤道的纬圈，投影后仍成为对称的曲线，并与子午线的投影曲线互相垂直且凹向两极。3 高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 n在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线。n以中央子午线和赤道的交点O 作为坐标原点；n以中央子午线的投影为纵坐标轴X，规定X轴向北为正；n以赤道的投影为横坐标轴Y，Y轴向东为正。4 高斯投影的分带高斯投影的分带为了控制长度变形，将地球椭球面按一定的经度差分成若干范围不大的带，称为投影带。6 6带：带：从0子午线起，每隔经差6自西向东分带，依次编号1,2,3,60，每带中间的子午线称为中央子午线或轴子午线，各带相邻子午线称为分界子午线。带号N与相应的中央子午线经度L0的关系是：3带：带：以 6带的中央子午线和分界子午线为其中央子午线。即自东经1.5子午线起，每隔经差3自西向东分带，依次编号1,2,3,120。奇数带中央子午线与6带中央子午线重合。偶数带中央子午线与6带分界子午线重合。带号n与相应带中子午线经度l0 的关系是：(2-7)4 高斯投影的分带高斯投影的分带5 国家统一坐标国家统一坐标 我国位于北半球，在高斯平面直角坐标系内，X 坐标均为正值，而Y 坐标值有正有负。为避免Y 坐标出现负值，并便于区别某点位于哪一个投影带内，规定：将所有点的Y坐标均加上500km。即相当于X坐标轴向西平移500km，在横坐标值前，加注投影带带号。以中央子午线投影为纵轴的横坐标值，称为自然值。由带号、500km和自然值三部分组成的横坐标值y称为横坐标统一值或通用值。例如，P点的坐标XP=3 275 611.188m；YP=276 543.211m，若该点位于第19带内，则P点的国家统一坐标表示为：xP=3 275 611.188m；yP=19 223 456.789m。我国国家基本比例尺地形图中的大中比例尺地形图均采用该投影。包括第1323带共11个投影带。内置了直角平面坐标系统：中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。坐标纵轴西移500km。高斯-克吕格(Gauss Kruger)投影2007-6-8 61 目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望2007-6-8 62 物理大地测量主要任务物理大地测量主要任务建立国家重力基准网；建立国家重力基准网；确定区域的和地球的重力场；确定区域的和地球的重力场；建立高程异常控制网；建立高程异常控制网；确定区域的和地球的大地水准面。确定区域的和地球的大地水准面。2.5 2.5 物理大地测量物理大地测量重力测量重力测量(1)(1)-相对重力测量相对重力测量l相对重力测量：测定两点重力差相对重力测量：测定两点重力差 v弹簧重力仪原理弹簧重力仪原理弹簧重力仪原理弹簧重力仪原理 v v v v v v 当当l la a l lb b,则则g gB B g gA A,g=g gB B-g gA A=k(l la al lb b)=kl,l,K:弹性的倔强系数MA A地地地地lag gA AMB B地地地地lbg gB B2.5 2.5 物理大地测量物理大地测量重力测量重力测量(2)(2)-绝对重力测量绝对重力测量l自由落体原理自由落体原理 l 当当 v0=0,h0=0 l l l l l l 重力仪：重力仪：v相对重力仪，相对重力仪，LCR重力仪，精度重力仪，精度15gal v绝对重力仪，绝对重力仪，FG 5重力仪，精度重力仪，精度5 galM*用激光干涉测h*用石英钟测 tH(t)v0=0 h0=02.5 2.5 物理大地测量物理大地测量uFG5绝对重力仪绝对重力仪 u精度精度5galMicro-g A10国家国家2000重力基准网重力基准网 国家国家2000重力基准网由重力基准网由120余个绝对和余个绝对和相对重力点组成，由于该网使用了相对重力点组成，由于该网使用了FG5绝对绝对重力仪施测，并增加了绝对重力点的数量，重力仪施测，并增加了绝对重力点的数量，国家国家2000重力基准网的精度在重力基准网的精度在10gal(10-5cmsec-2)左右左右。海洋和航空重力测量海洋和航空重力测量以轮船或飞机为载体，利用相对重力仪所进行的连续重力测量卫星重力测量卫星重力测量地面跟踪卫星测定地球重力场卫星跟踪卫星测定地球重力场“重力恢复与气候试验重力恢复与气候试验”卫星（卫星（GRACE）CHAMP(ChallengingMinisatellitePayload)目目录录2.1大地大地测量概述量概述2.2大地大地测量系量系统与大地与大地测量参考框架量参考框架 2.3实用实用(地面地面)大地测量学大地测量学 2.4椭球面椭球面(几何几何)大地测量学大地测量学 2.5物理物理(重力重力)大地测量学大地测量学 2.6空间空间(卫卫星星)大地测量学大地测量学 2.7大地大地测量的量的时间基准基准2.8我国大地测量的我国大地测量的回顾和回顾和展望展望2007-6-8 69 空间大地测量空间大地测量(1)(1)-技术手段技术手段 利用空间技术进行大地测量利用空间技术进行大地测量 l全球定位系统全球定位系统(GNSS):GPS,GLONASS,GALELIO；l卫星激光测距卫星激光测距(SLR)；l甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量(VLBI)；l卫星测高卫星测高(SA)