1、,第二章 大地测量学,海洋科学学院海洋信息工程系,沈蔚 博士,13371935143 ,空间测量与制图 4209903,2007-6-8,2,测绘的基础-大地测量是一项具有超前性的测绘基础工作。也是国家地理信息系统的基础框架。 我国大地测量是随着中华人民共和国诞生而起步的,经过近六十年来大地测量工作者的努力,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。,测绘的基础 - 大地测量,2007-6-8,3,目 录,1.大地测量的任务、体系和主要技术手段 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间(卫星)大地测量学 6.我国大
2、地测量的回顾和展望,2007-6-8,4,1. 大地测量的任务, 体系和主要技术手段,学科性质：地球科学(地学) 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。 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。,2007-6-8,5,大地测量的任务（举例）,确定地球大小,形状,旋转及其变化； 确定地球上点的位置,高程以及它们的变化； 提供地球上点的重力信息及其变化; 提供坐标基准,高程基准和重力基准,为地理信息系统和测制地图提供基础框架； 为工程设计, 施工提供测绘服务； 为国防提供测绘服务。,2007-6-8,6,学科分支(
3、体系),1. 实用(地面)大地测量学 2. 椭球面(几何)大地测量学； 3. 物理(重力)大地测量学； 4. 空间(卫星)大地测量学。,2007-6-8,7,1.大地测量的任务、体系和主要技术手段 主要技术手段,经纬仪角度测量； 水准仪高程测量； 激光测距仪距离测量。 甚长基线干涉测量(VLBI)； 卫星激光测距(SLR)； 全球定位卫星系统(GNSS)； 卫星测高(SA)。,经典大地测量 技术,空间大地测量技术,2007-6-8,8,目 录,1.大地测量的任务,体系和主要技术手段 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间(卫星)大地测量学
4、 6.我国大地测量的回顾和展望,2007-6-8,9,2.应用大地测量 国家平面控制测量（1）,点位的传递与控制 传递： 控制：,XA，XB XP XB，XC XP” 检查： XP - XP” =? 提高精度: (XP+ XP” )/2,2007-6-8,10,2.应用大地测量 国家平面控制测量（2）,建立原则：逐级控制，布满全国。 按等级高低分为：IIV等4级控制网类型： 测角三角网 边角导线网 测边网,2007-6-8,11,经 纬 仪,2.应用大地测量 国家平面控制测量（2）,2007-6-8,12,测距仪及反射棱镜,2.应用大地测量 国家平面控制测量（2）,2007-6-8,13,全国
5、天文大地网共包含三角点、导线点48433个,拉普拉斯点458个,长度起始边467条,由此组成了全国范围的参考框架,是国家各部门进行测绘工作的基础。,全国天文大地网 A Sketch of the National Geodetic Control Network of China,平面基准,全国天文大地网,中华人民共和国大地原点，是1980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。,平面基准,大地原点,2.应用大地测量 国家高程控制测量,仪器：水准仪 测高原理,水准仪及水准尺,2.应用大地测量 国家高程控制测量,2007-6-8,17,我国于1959年以前完成了一期一等水
6、准，1976年至1980年完成二期一等水准，并利用青岛大港验潮站1952年至1979年的潮没观测资料计算的平均海水面，命名为1985国家高程基准,为72.2604m。1991年至1998年国家测绘局又对二期水准进行了复测,总长为 9.77万公里。,全国一二等水准路线,高程基准,2007-6-8,18,水准原点,水准原点位于青岛市观象山，是全国高程控制网的起算点,原点高程(1985)高出黄海平均海水面72. 2604米。,高程基准,2007-6-8,19,目 录,1.大地测量的任务,体系和主要技术手段 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间
7、(卫星)大地测量学 6.我国大地测量的回顾和展望,2007-6-8,20,椭球面大地测量学的主要内容,地球形状; 椭球面上几何元素(点.线.面)之间的数学关系； 椭球面上计算点的大地坐标,边长和方位角； 椭球面上几何元素变换到平面上的投影； 建立大地坐标系的理论和方法。 ,3.椭球面大地测量学,2007-6-8,21,为了描述地球椭球的形状，综合了天文,大地,重力,人卫等资料, 给出了不同的地球参考椭球的参数,以适应各个国家的测量需求。,地球参考椭球,克拉索夫斯基椭球,1954年北京坐标系,1980年西安坐标系,美国GPS坐标系,IAG-75椭球,WGS84椭球,3.椭球面大地测量学,2007
8、-6-8,22,椭球面几何元素(点线面)的数学关系,如何解算椭球面上两点间距离最短连线(大地线)； 如何解算由大地线围成的椭球面三角形； 椭球面上坐标、边长和方位角计算问题。,大地测量主题,正主题: 已知P1( B1L1), A12, S12 , 求 P2(B2 L2), A21 反主题: 已知P1(B1L1), P2(B2L2)，求 S12, A12, A21,3.椭球面大地测量学,PN: P点椭球面法线 B: P点大地纬度 L: P点大地经度 H: H=PP, P点大地高 X, Y, Z: P点的空间直角坐标,3.椭球面大地测量学,大地坐标系(1) -坐标:(B,L,H) (X,Y,Z)
9、,2007-6-8,24,大地坐标系(3) -坐标框架,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，称坐标框架。 例: 国家一等三角点的集 合是一个坐标框架。,3.椭球面大地测量学,2007-6-8,25,目 录,1.大地测量的任务,体系和主要技术手段 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间(卫星)大地测量学 6.我国大地测量的回顾和展望,2007-6-8,26,物理大地测量主要任务,建立国家重力基准网； 确定区域的和地球的重力场； 建立高程异常控制网； 确定区域的和地球的大地水准面。 ,4. 物理大地测量,2007-6
10、-8,27,重力测量(1) - 相对重力测量,相对重力测量：测定两点重力差 弹簧重力仪原理 当la lb, 则gB gA, g=gB - gA=k(lalb)=kl, K:弹性的倔强系数,4. 物理大地测量,2007-6-8,28,重力测量(2) - 绝对重力测量,自由落体原理 当 v0=0, h0=0 重力仪： 相对重力仪，LCR重力仪，精度15gal 绝对重力仪，FG 5重力仪，精度5 gal,4. 物理大地测量,2007-6-8,29,FG5绝对重力仪 精度5gal,2007-6-8,30,国家2000重力基准网,国家2000重力基准网由120余个绝对和相对重力点组成，由于该网使用了FG
11、5绝对重力仪施测，并增加了绝对重力点的数量，国家2000重力基准网的精度在10gal (10-5cmsec-2)左右。,31,大地水准面 - 定义,粗略定义： 静止(平均)海水面向大陆伸 延所形成的封闭曲面。 严密定义： 与不随时间变化的平均海面 密合的重力等位面,4. 物理大地测量,大地水准面,2007-6-8,32,国家2000似大地水准面,国家2000似大地水准面的 绝对精度0.3m- 0.6m， 分辨率30km30km， 覆盖我国全部陆海国土。 这些指标相对于1980大地水准面提高 了近一个量级。它已正式提供使用。,2007-6-8,33,目 录,1.大地测量的任务,体系和主要技术手段
12、 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间(卫星)大地测量学 6.我国大地测量的回顾和展望,2007-6-8,34,空间大地测量(1) - 技术手段,利用空间技术进行大地测量 全球定位系统(GNSS): GPS, GLONASS, GALELIO ； 卫星激光测距(SLR) ； 甚长基线干涉测量(VLBI) ； 卫星测高(SA) 。,5.空间大地测量,2007-6-8,35,实时, 快速, 精密测定全球点位； 测定全球重力场； 测定全球海面地形，海平面变化； 建立全球大地测量坐标系。,5.空间大地测量,空间大地测量(2) - 技术特点,20
13、07-6-8,36,卫星激光测距SLR,2007-6-8,37,卫星激光测距SLR,2007-6-8,38,卫星测高,5.空间大地测量,SeaSat,TOPEX,SEASAT,2007-6-8,39,监测海平面变化； 测定高分辨率海洋重力场（大地水准面和重力异常） 测定海面地形（平均海面相对大地水准面的起伏）和海流、涡旋，大洋环流（与大气环流密切相关）； 获取厄尔尼诺发生的前兆，监测其发展过程； 测定海潮潮波系统，建立全球海潮模型，为航海、海洋工程建设等提供服务；,卫星测高(SA)- 应用,2007-6-8,40,甚长基线干涉VLBI,2007-6-8,41,卫星定位系统,卫星定位系统是利用卫
14、星信号获取地球空间三维坐标信息，具有全球性、全天候、连续性，精度高、快速实时、操作 简便、价格低廉 等优点。,2007-6-8,42,国内外卫星定位系统简介,目前国内外有三个实用的卫星定位系统，它们分别是美国的GPS全球卫星定位系统, 俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统, 和中国的北斗区域卫星定位系统。,2007-6-8,43,GPS空间部分卫星星座,5.空间大地测量,2007-6-8,44,GPS卫星定位系统简介,全球覆盖、全天候、连续导航。可以在地球上和近地空间中任何一点，达到这一目的。 定位速度快。接收机从开机搜索卫星到定位只需3分钟。在导航状态1秒钟可完成一次实时定位。 高精度三维
15、定位。10-6 10-9 ; 确定物体三维坐标, 运行速度, 运行方位, 运动姿态, 运行轨迹。 精确定时。,2007-6-8,45,GLONASS卫星定位系统简介,24颗卫星是分布在三个轨道平面。每个轨道8颗卫星。卫星高度19100公里。绕地运行一圈11小时11分钟。轨道倾角64.8, 所以更适用于高纬度地区导航定位。目前空中可用卫星只有11颗。 有两个载波。L1频道间隔0.5625MHz，L2频道间隔是0.4325MHz。定位精度为20米。,2007-6-8,46,欧洲卫星定位系统(Galileo),欧洲发射称为伽俐略(Galileo)的全球导航卫星30个，轨道高度24000km，轨道倾角
16、为50。于2005试放第一颗卫星，2008年投入试运行。定位 精度为米级。,2007-6-8,47,北斗一号卫星定位系统简介(1),北斗一号卫星定位系统是我国独立自主建立的主动式局域卫星导航定位系统。系统的空间部分是由三颗GEO卫星组成，二颗工作，一颗备用, 分别位于东经80, 140和111的赤道上空36000km 。定位精度为20m。,2007-6-8,48,中国一定要有完全独立自主的卫星定位系统。因此建立和完善中国北斗卫星定位系统，不仅是大地测量的业务问题，是事关国家独立自强的大事。我国将在今后八年左右建成北斗二代卫星定位系统。它将是连续,全天侯,被动方式定位，讯号覆盖中国及其邻近区域，
17、实时定位精度提高至10m。,北斗一号卫星定位系统简介(2),2007-6-8,49,目 录,1.大地测量的任务,体系和主要技术手段 2.实用(地面)大地测量学 3.椭球面(几何)大地测量学 4.物理(重力)大地测量学 5.空间(卫星)大地测量学 6.我国大地测量的回顾和展望,建立我国新世纪 国家测绘基准 目标和任务,2007-6-8,51,近邻国家 大地基准的 现代化,2007-6-8,52,新西兰大地基准现代化,1998年，新西兰实施了新的地心参考基准，即以2000年1月1日为参考历元的新西兰大地测量基准2000 (NZGD2000)。,2007-6-8,53,蒙古大地基准现代化,蒙古建立了
18、新的国家大地坐标框架MONREF97。采用的大地坐标系统和WGS84保持一致。 MONREF97这一新的国家地心三维坐标框架，取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系MSK42(采用克拉索夫斯基椭球)。,2007-6-8,54,日本大地基准现代化,从2000年4月开始日本新的大地基准JGD2000正式取代了具有百年历史的东京大地基准。JGD2000采用国际地面参考系统ITRS的定义，历元定为1997.0。,2007-6-8,55,韩国大地基准现代化,韩国于1998年推出国家三维地心大地坐标系统KGD2000，以替换现行的坐标系统。 KGD2000以ITRF97为参照，历元采用2000.0。,2007
19、-6-8,56,马来西亚大地基准现代化,马来西亚建立国家三维地心大地坐标系统NGRF2000，坐标系统定义于ITRF97, 历元为2000.0 。,2007-6-8,57,现代大地测量发展的特点 工作对象从静止的转变到动态的； 工作范围由陆地扩展到海洋； 信息获取由地面发展到空间； 数据处理由后处理发展到实时处理； 工作距离由10km量级发展到103km量级； 由单一学科发展到和其他学科的集成。,2007-6-8,58,建立我国现代大地基准的目标,建立地心,三维, 高精度和动态的大地基准 地心-地球质心为坐标原点; 三维-三维坐标系； 高精度-相对精度不低于10-7； 动态-大地基准是时间的函
20、数；,2007-6-8,59,提供三维地心坐标框架,1. GPS2000网和天文大地网联合平差 联合平差后仍有几万个具有三维坐标的大地点，可以暂时满足部分用户对稍低精度三维大地坐标的需要。,2007-6-8,60,2. 加密GPS2000网 使国家级的三维地心坐标点的数量应达到一定的分布密度，便于使用。初步意见是增加至10000点。各省市可根据需求，布设省市级GPS B级和C级网。,提供三维地心坐标框架,2007-6-8,61,3. 增加GPS永久性跟踪站 足够数量和均匀分布的GPS永久性跟踪站 是现代大地坐标框架的骨干和主要技术支 撑；是框架点位三维地心坐标的精度和现势 性的保证；也是我国大地坐标系统与框架与 国际通用坐标和框架保持动态实时联系和协 调的唯一技术手段。 初步意见由目前的25个增加至1000个左右。,提供三维地心坐标框架,2007-6-8,62,4. 建立中国卫星定位系统 在今后八年左右建成北斗二代卫星定位系统。它将是单向连续方式定位，讯号覆盖我国及周边地区，全天侯运行。这将是我国拥有自主权的空间定位系统。,提供三维地心坐标框架,2007-6-8,63,精化中国的大地水准面,5. 精化中国的大地水准面: 精度为cm级， 分辨率为10km级。,
