浅谈现代大地测量学

2
现代大地测I 学的显明特征 R
现代大地测量的技术突破， 导致大地测量学科 经历一次跨时代的革命性转变， 适应这样的转变致 使现代大地测量具有如下一些特点: 1) 从多维式大地测量发展到整体三维大地测 量。 传统大地测量技术主要是采用光学仪器为基础 进行地面的距离、 角度、 高度和重力等多种测量， 然 后根据这些观测数据用间接方式确定地面点的 水平 位置和高程， 因此只能人为地将高程 (一维) 和平面 坐标 (二维) 视为互不联系的元素分别测定。现在可 以用空间大地测量直接测定相对于地球质心的三维
地球的需要。 2) 对地观测系统的理论和应用技术的研究。主 要研究利用多种手段的空间技术全方位的对地监测 的理论和实用技术，不仅要研究对空间技术获取的
高分辨率和高精度的重力场观测数据， 这必然大大 影响了精化地球重力场的能力。现在利用卫星重力 探测技术有望解决这个问题， 它能获取全球一致的 高精度高分辨率的地球重力场及其随时间变化的 各 种参数，象已经发射的德国CHAM 美德合作的 P、 GRACE 和计划在 2005 年发射的GOCE 三个低轨卫 星的主要目 的就在于此， 因此要研究它们的高一低， 低一低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量的技术模 式，以及利用它们观测数据精化地球重力场参数的 理论和方法。 4) 利用空间大地测量和物理大地测量所获得的 各种观测数据， 结合地球物理、 地质和天文等学科的 资料， 从动力学的观点研究地球动态变化的物理机 制， 为环境变迁、 海平面变化、 地表和火山等自 然灾 害的孕育预测等提供依据。从现代大地测量学的角 度， 主要研究大地测量地球物理联合反演的理论及
A Brief Introduction of the Modern Geodesy
Ning Jinsheng (The Key Laborator of Geo-Space Environment and G y eodesy, Ministr of Education, y Wuhan University, Wuhan 430079, China)
测量 。
椭球面_L的坐标) 。而现代大地测量则不仅可以测定 地球重力场， 而且还可以监测研究非刚性旋转地球 的 各种动态变化， 如地球的 极移、 转速度、 自 板块运 动、 断层蠕变等等地球物理参数， 这些参数都是在物 理— 几何空间中描述地球。 4) 从局部参考坐标系中的地区性(相对) 大地测 量发展到统一地心坐标系中的 全球性 (绝对) 大地测 量。 传统大地测量由 于受到观测仪器等的限制， 只能 以地面两点间可通视为条件进行相对定位测量， 不 可能进行跨越海洋的洲际间的全球大地测量，因此 传统大地测量工作只能局限在一个国家或一个地区 建立地区性的局部大地测量坐标系统， 地面点的坐 标〔 包括高程) 是相对这样的 地区坐标系的。各个国 家或地区所建立的各自的局部大地参考系， 彼此问 一般是互不联系的。而现代大地测量由于空间尺度 的扩大， 有可能建立全球统一的地心坐标系， 并将全 球各个局部大地参考系纳人到这个全球统一的参考 系中， 测定地面点在其中的绝对坐标。 5) 从地球表面的大地测量发展到地球内 部物质 结构的大地测量反演。从赫尔默特的大地测量定义 开始， 传统的大地测量都只限于在地球表面进行位 置和地球外部重力场的测定， 是研究地球表面的学 科。现代大地测量中以空间大地测量为标志的大地 形变测量技术不论在测量的空间尺度上还是精度水 平都已经有能力监测地球动力学过程产生的运动状 态和物理场的微变化， 如板块运动、 地壳形变、 活动 构造带的应力场以及重力场变化， 极移细节、 转速 自 度变化和海平变化等等， 通过研究这些动力学现象 去了解地球内部构造及其动力学过程。
学过程的地表大地测量信号的精密技术系统。它能 实现无人工干预的自 动连续观测和数据预处理，可 提供几乎是任意时域分辨率的观测系列， 具有检测 瞬时地学事件和解决众多与时间相依的 科学工程问
题的能力。由此， 大地测量学过去只包含儿何大地测 量和物理大地测量两个基本分支学科，现在由于以 上这些变革， 则出现了第三个基本分支学科— 卫 星大地测量学， 如果将它与其它空间测量技术， 如甚 长基线干涉测量 (VLBI) 结合起来， 又可称之为空间
测量已经能够跨越时空和恶劣 自 然环境的限制，成 为一种能持续稳定工作，以高灵敏度感测地球动力
任务， 测定地球形状参数 (形状和大小) 和外部重 即 力场; 另一是工程技术任务， 即建立全球的 或区域的 (国家的) 高精度天文大地控制网， 为测绘全国范围 的各种比例尺地形图服务。 而传统大地测量技术和手 段，由 于其定位的 平均极限精度只 能是 1 0-1一 10-6, 一般不能分辨地球的动态变化，只能以刚性均匀旋 转地球假设为 前提， 在完成以上两大任务时， 所以 其 成果具有静态性、 相对性、 局限性， 这就大大限制了 大地测量学科深人地球科学和工程科学去扩展其科 学和工程应用目 标的能力。 自 本世纪50 年代开始， 由于现代科学技术的成 就， 如激光、 微电子、 声纳、 卫星、 高速电子计算机与 信息、 人工智能和河外射电源干涉测量以及高精度 原子计时频标等等高新技术相继出现和飞跃发展， 导致大地测量出现重大的技术突破，归纳起来主要 表现在以下三个方面: 提高了观测精度; 扩大了跨越
大地测量发展到了现代大地测量现今新阶段， 理论和技术业已显示出巨大的发展潜力。无论是现 代大地测量的观测技术还是计算技术， 都有能力监 测和描述地球各种动力现象所反映的地表的时变精 细图象， 并能解决国民经济和国防建设中与各种工 程技术和国计民生相关联的大地测量定位、 导航等 方面的问题，因此现代大地测量的内涵及其功能正 在不断扩充和深化。 正如前述， 现代大地测量学具有 三个主要分支学科: 空间大地测量学、 物理大地测量 学和地球物理大地测量学。实质上这也是现代大地 测量学的 几个主要研究方向， 它们之间互相交融、 相 互渗透 ，使现代大地测量学拓展和包含了丰富的研
大地测量学。空间大地测量技术给大地测量学科带 来了巨大冲 击和新前景。由 于现代大地测量技术能 够监测出地理位置和地球重力场随时间变化的信 息， 这些大地测量观测结果在地球结构和演化的研 究中起着重要的作用， 在很多情况下它为解决地球
物理问题起着某种佐证作用，因此由大地测量学与
学术探讨
2003 年
3
现代大地测f 学的主要内容
3) 从在几何空间描述地球发展到物理— 几何 空间描述地球。传统大地测量的科学和工程技术任 务是测定地球椭球的几何参数 (长半轴、 扁率) 和地 球椭球在地球体内的定位， 再以此为依据测定地面 点的坐标，这些传统大地测量所测定出来的参数都 是在几何空间中描述地球。即使物理大地测量中的 地球重力场参数也是为了将物理空间 ( 即地球重力 场中) 的大地测量观测值归算到几何空间中 ( 即参考
绝对位置。
2) 从静态大地测量发展到动态大地测量。 传统
大地测量没有能力监测地球表面位置及地球重力场 元素的动态变化，只能测出静态刚性地球假设下的 地面点坐标和地球重力值， 并将这些数值视为常 量。现代的大地测量技术可以测到非刚性 (弹性， 流 变性等)地球表面点及重力场元素随时间变化。 这种 动态大地测量也可称为包含时间相依量的四维大地
第 01 卷第 1期
宁津生: 浅谈现代大地侧圣学
究内容。这些研究内容不是我这篇文章所能阐述得 了 的。这里仅从总的理论框架上简介一下现代大地 测量学的主要研究内容。
1) 建立和维持高精度惯性和地固 参考系。它主 要通过地区性或全球的大地测量参考框架来具体实 现， 例如， 种空间大地测量技术(VLBI, GPS, SLR 由多 等) 建立的国际地球参考框架(ITRF) ， 它能提供一个 全球统一的地心坐标系统。 对于这样的地球坐标参 考框架， 是要以一定的时间尺度长期监测其随时间 的变化， 不断地提高它的精度， 对它进行更新， 为全 球大地测量定位和研究地球动力学现象始终维持一 个高精度的地球参考框架。现在新一代动态高精度 的三维地心大地测量参考系统是建立我国数字中国 地理空间基础框架的基础，其主要作用是在建设数 字中国或数字省市中 为所有与地理位置有关的信息 提供一个统一的时空定位基准，实现多源数据无缝 无边的拼接和整合， 保证地理空间数据的一致性、 兼 容性或可转换性。 前在我国用GPS技术在ITRF 中 当 建立的空间三维全国 GPS2000 网就属这样的新一代 坐标框架。 为了维持它的 高精度和现势性， 必须对它 进行长期的 维护和更新，由 此要研究建立框架的理 论和方法， 尤其是当 前在建设数字中国和数字区域 (省市) 中 要研究应该采用何种参考框架， 是采用全 国 统一的， 还是各自 不同的， 这里还涉及到不同参考 枢架之间的转换问题， 包括同全球大地参考框架 (如 ITRF) 的 转换关系， 这些都地测2 学的基本概念
按照F, R 赫尔默特 (1980) 的 经典定义， 大地测 量学是 “ 测定和描绘地球表面的 科学” 。这是赫尔默
特 G 对“eodesy"这个 的 词 定义， 从 定 的内 但 这个 义 涵
去理解， 倒不如说它是测绘学的定义更为恰当一 些。 实际上’ "Geodesy"这个词曾 经有人 译成测地学。 就 大地测量来说， 这一定义一直沿用了 很长的时期， 它
地球物理学等地学学科相互交融与渗透而产生了另 一个新的基本分支学科— 大地测量地球动力学 (或称地球物理大地测量学) 。正是由于大地测量技 术的突破，从而使大地测量的服务应用领域大大拓 宽，能够与地球科学和工程学科的多个分支相互交 叉渗透， 导致学科性质的变化， 于是形成了区别于经 典大地测量学的现代大地测量学。相对于赫尔默特 的大地测量学定义，现代大地测量学的定义有了相 应的改革， 它是“ 研究在三维时变空间中 测定和描述 地球与其他天体及其重力场的学科” 。作为基础学 科， 它研究地球及外层空间星体的形状、 大小、 重力 场及其随时间的变化; 作为工程应用学科， 它服务于 社会可 持续发展和国民经济、国防建设中的各种工 程的测量保障应用。