大地测量学基础
《大地测量学基础》2 大地测量基础知识
大地测量学基础
第二节 常用大地测量坐标系统
一、天球坐标系
用途：描述人造卫星的位臵采用天球坐标系是方便的。也 可以描述天空中的恒星的坐标。
Z
表示方式：球面坐标（r，α，δ） 或者直角坐标（X,Y,Z） 二者具有唯一的坐标转换关系。
X γ O α
P r δ
Y
大地测量学基础
第二节 常用大地测量坐标系统
2 2 2
大地测量学基础
第二节 常用大地测量坐标系统
四、高斯平面直角坐标系
建立过程：如下图
高斯正形投影又称横轴 等角切椭圆柱投影
大地测量学基础
第二节 常用大地测量坐标系统
四、高斯平面直角坐标系
高斯投影的特点： 1.椭球面上角度投影到平面上后保持不变 2.中央子午线投影后为X轴, 在X轴上投影后长度不变 3.赤道投影线为Y轴 4.中央子午线与赤道交点投影后为坐标原点 5.距中央子午线越远, 投影变形越大, 为减少变形应 分带投影
二、大地水准面
特点：地表起伏不平、地壳内部物质密度分布不均匀， 使得重力方向产生不规则变化。由于大地水准面处处与铅 垂线正交，所以大地水准面是一个无法用数学公式表示的 不规则曲面。故大地水准面不能作为大地测量计算的基准 面。
大地测量学基础
第一节 大地测量的基准面和基准线
三、参考椭球面
把形状和大小与大地体相近，且两者之间相对位臵确 定的旋转椭球称为参考椭球。参考椭球面是测量计算的基 准面，椭球面法线则是测量计算的基准线。
大地测量学基础
第二章 大地测量 基础知识
山东科技大学地科学院测绘系
大地测量学基础
第一节 大地测量的基准面和基准线
本节重点研究以下四个表面
地球自然表面
大地测量学基础：第5章 大地测量基本技术与方法(1)
§5－1 建立国家平面大地控制网的基本原理 §5－2 建立国家高程控制网的基本原理 §5－3 建立工程测量控制网的基本原理 §5－4 大地测量仪器 §5－5 精密角度测量方法 §5－6 精密距离测量方法 §5－7 精密高差测量方法 备讲1—精密水准仪与水准尺的检验 备讲2—球气差系数和大气折光系数 备讲3—三角高程测量的精度 备讲4—垂线偏差对三角高程的影响
折角，折线上的转折点叫导线点（控制点）。 • 测定导线点平面坐标的工作叫导线测量。通过测量导线边长和转
折角，再根据起算点及附合点的已知数据，可求出所有导线点的 平面坐标。
β
D
• 导线的形式：附合导线、闭合导线、支导线和导线网。
• 导线网是由若干条附合导线或闭合导线构成的网状图形。 • 导线网包括：一个节点的导线网、两个以上节点的导线网和两个
A
a
az B
• VLBI测量长度的相对精度可达10-6。
• 该技术在研究地球极移、地球自转速率的短周期变化、地球固体 潮、大地板块运动的相对速率和方向中得到广泛的应用，在常规 大地测量中很少用。
3*、惯性测量系统(INS)
• 惯性测量是利用惯性力学基本原理，在相距较远的两点之间，对 装有惯性测量系统的运动载体(汽车或直升飞机)从一个已知点到另 一个待定点的加速度，分别沿三个正交的坐标轴方向对加速度分 量进行两次积分，从而求定其运动载体在三个坐标轴方向的坐标 增量，进而求出待定点的位置。
• 因此，在普遍应用全站仪和GPS定位技术的现代，城市控制测量 和工程控制测量基本上不采用三角网。
2. 导线测量法 • 导线：由设站点（控制点）连成的折线（若干条直线首尾相连）。 • 布设控制点时，使点与点之间单线相连形成链状折线，测量出边
(完整word版)大地测量学基础
大地测量学基础一、大地测量的基本概念1、大地测量学的定义它是一门量测和描绘地球表面的科学。
它也包括确定地球重力场和海底地形。
也就是研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定地面点几何位置的学科。
测绘学的一个分支。
主要任务是测量和描绘地球并监测其变化,为人类活动提供关于地球的空间信息。
是一门地球信息学科。
是一切测绘科学技术的基础.测绘学的一个分支。
研究和测定地球形状、大小和地球重力场,以及测定地面点几何位置的学科.大地测量学中测定地球的大小，是指测定地球椭球的大小；研究地球形状，是指研究大地水准面的形状;测定地面点的几何位置，是指测定以地球椭球面为参考的地面点的位置。
将地面点沿法线方向投影于地球椭球面上，用投影点在椭球面上的大地纬度和大地经度表示该点的水平位置，用地面点至投影点的法线距离表示该点的大地高程。
这点的几何位置也可以用一个以地球质心为原点的空间直角坐标系中的三维坐标来表示。
大地测量工作为大规模测制地形图提供地面的水平位置控制网和高程控制网,为用重力勘探地下矿藏提供重力控制点，同时也为发射人造地球卫星、导弹和各种航天器提供地面站的精确坐标和地球重力场资料. 内容和分支学科解决大地测量学所提出的任务，传统上有两种方法:几何法和物理法。
随着20世纪50年代末人造地球卫星的出现，又产生了卫星法。
所以现代大地测量学包括几何大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学3个主要部分。
几何法是用一个同地球外形最为接近的几何体（即旋转椭球，称为参考椭球）代表地球形状，用天文大地测量方法测定这个椭球的形状和大小，并以它的表面为基础推算地面点的几何位置。
物理法是从物理学观点出发研究地球形状的理论。
用一个同全球平均海水面位能相等的重力等位面（大地水准面)代表地球的实际形状,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。
卫星法是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。
大地测量学基础
该书全面地讨论了测绘基准与大地控制网、大地水准面与高程系统、参考椭球面与大地坐标系、高斯投影与高斯平面坐标系、大地坐标系的建立等测绘学的基本问题，介绍了与之相关的各类大地测量数据采集技术。
《大地测量学基础》是测绘学科的专业核心课程，在测绘工程专业的课程体系中占有重要地位，本课程以现代大地测量学的新成就和发展为着眼点，着重阐述大地测量学的基础理论、主要技术与方法，这是测绘工程专业学生必须掌握的基本知识与技能，通过该课程的学习，使学生掌握扎实的大地测量理论基础和基本技能，培养学生创新思维和灵活运用能力,具备大地坐标系、大地参考框架、高程基准、大地网建立等方面的系统知识。
该课程重点要求学生掌握以下知识：1、熟悉现代大地测量学科现状和发展趋势、大地测量学的科学内涵及其在地学研究和工程建设中的作用，了解深空大地测量基本概念。
2、掌握大地测量基本技术与方法：大地控制网的布设方案，利用卫星定位接收机、电子全站仪、数字水准仪等观测技术建立大地控制网的观测与数据处理技术。
3、重点掌握大地测量基本概念与基础理论：包括大地测量坐标系统、时间系统、高程系统，地球重力场的基本概念，地球椭球的基本参数、椭球面上的常用坐标系及其相互关系、椭球面上的大地测量计算、将地面观测值归算至椭球面、地图数学投影变换的基本概念、高斯平面直角坐标系。
4、了解大地控制网的相关规范：全球定位系统测量规范GB/T 18314-2009，国家一、二等水准测量规范GB12897-2006。
5、具备初步的大地测量工程实践能力：通过课间实习掌握精密水准测量工作流程；通过编程实现各种坐标转换、高斯投影正反算、椭球面上大地线长度和大地方位角及曲面面积计算、大地网概算与平差等大地测量计算项目，掌握大地网数据处理的工作过程。
目录第一章绪论1.1 大地测量学的定义和作用1.2 大地测量学的基本体系和内容1.3 大地测量学的发展简史及展望第二章坐标系统与时间系统2.1 地球的运转2.2 时间系统2.3 坐标系统第三章地球重力场及地球形状的基本理论3.1 地球形状3.2 地球重力场的基本原理3.3 高程系统3.4 关于测定垂线偏差和大地水准面差距的概念3.5关于确定地球形状的基本概念第四章地球椭球及其数学投影变换的基本理论4.1 地球椭球的基本几何参数及其相互关系4.2 椭球面上的常用坐标系及其相互关系4.3 椭球面上的几种曲率半径4.4 椭球面上的弧长计算4.5 大地线4.6 将地面观测值归算至椭球面4.7 大地测量主题解算概述4.8 地图数学投影变换的基本概念4.9 高斯平面直角坐标系4.10通用横轴墨卡托投影和高斯投影簇的概念4.11 兰勃脱投影概述第五章大地测量基本技术与方法5.1 国家平面大地控制网建立的基本原理5.2 国家高程控制网建立的基本原理5.3 工程测量控制网建立的基本原理5.4 大地测量仪器5.5电磁波在大气中的传播5.6 精密角度测量方法5.7 精密电磁波测距方法5.8 精密水准测量方法。
大地测量学基础知识
第一章1.大地测量学的定义大地测量学是在一定的时间-空间参考系统中，测量和描绘地球及其他行星体的一门学科。
2.大地测量学的基本体系以三个基本分支为主所构成的基本体系。
几何大地测量学物理大地测量学空间大地测量学3.大地测量学的基本任务精确确定地面点位及其变化研究地球重力场、地球形状和地球动力现象4.大地测量学的基本内容1、大地测量基础知识（基准面和基准线，坐标系统和时间系统，地球重力场等）；2、大地测量学的基本理论（地球椭球基本的理论,高斯投影的基本理论，大地坐标系统的建立与坐标系统的转换等）；3、大地测量基本技术与方法（经典的、现代的）4、大地控制网的建立（包括国家大地控制网、工程控制网。
形式有三角网、导线网、高程网、GPS网等）；5、大地测量数据处理（概算与平差计算）。
5.大地测量学的基本作用1、为地形测图与大型工程测量提供基本控制；2、为城建和矿山工程测量提供起始数据；3、为地球科学的研究提供信息；4、在防灾、减灾和救灾中的作用；5、发展空间技术和国防建设的重要保障。
第二章1.岁差章动极移由于日、月等天体的影响，类似于旋转陀螺，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生ε=︒，旋转周期为26000缓慢旋转，形成一个倒圆锥体，其锥角等于黄赤交角23.5年，这种运动称为岁差。
月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对黄道有约5︒的倾斜，使得月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期运动，振幅为9.21''，这种现象称为章动。
地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。
2.恒星时太阳时原子时以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为恒星时。
以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为真太阳时。
原子时是一种以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续计数的时标。
大地测量学基础
1.大地测量学的定义：是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息的一门学科。
2.大地测量学的作用：（1）为人类活动提供地球信息。
（2）在防灾减灾和救援活动中发挥日益增强的作用。
（3）在环境监测和保护等领域中发挥重要作用。
（4）探索地球物理现象的力学机制，获取表征地球运动和形变的参数。
（5）为空间技术和国防现代化建设提供重要保障。
3.在测量工作中，为了不使误差积累，必须遵循“从整体到局部”，“先控制后碎部”的原则。
4.布设原则：从高级到低级逐级加密。
国家水准网遵循“从整体到局部、由高级到低级、逐级控制、逐级加密”的原则布设为一、二、三、四等。
5.大地测量学的基本任务：建立控制网，确定控制点的位置。
6.大地测量学的基准面和基准线：椭球面、参考椭球面、水准面、大地水准面、高斯面、地球自然表面、(似)大地水准面、首子午面、赤道；(铅)垂线、法线地球自转轴。
7.我国的参考椭球：1954北京坐标系、1980西安坐标系，“1980年国家大地坐标系”（简称80系）（大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇）。
8.大地水准面的铅垂线与椭球面的法线必然不重合,两者之间的夹角u称为垂线偏差。
9.大地水准面与椭球面在某一点上的高差称为大地水准面差距，用N表示。
似大地水准面与椭球面在某一点上的高差称为高程异常，用 表示。
大地高——地面点沿法线至椭球面的距离，正高——地面点沿实际重力(垂)线至大地水准面的距离，正常高——地面点沿实际重力(垂)线至似大地水准面的距离。
10.经纬仪仪器误差：⑴视准轴误差⑵度盘偏心误差⑶横轴(水平轴)倾斜误差⑷竖轴倾斜误差11.度盘偏心误差：度盘中心与照准部旋转中心不重合，即度盘中心与地面点不在同一铅垂线上。
误差特点：在度盘的不同位置对读数的影响不同。
减弱或消除办法：(1)不同测回间配置度盘，使读数均匀分布在度盘上；(2)采用度盘对径分划取平均值的办法；(3)盘左盘右取平均值的办法。
大地测量学基础
2020年10月28日星期三12时57分11秒
（一）天球坐标系
1.天球的基本概念： 天球、天极、天球赤道、天球子午圈、 时圈、黄道、黄赤交角、春分点、黄极、 岁差与章动 2.天球坐标系的建立 1）天球空间直角坐标系 2）天球球面坐标系
第二章 大地测量基础知识
§2-1 大地测量的基准面和基准线 一、水准面与大地水准面
1、水准面 我们把重力位相等的面称为重力等位面，也就 是我们通常所说的水准面。水准面有无数个。 1）水准面具有复杂的形状。 2）水准面相互既不能相交也不能相切。
2020年10月28日星期三12时57分11秒
3）每个水准面都对应着唯一的位能W=C=常 数，在这个面上移动单位质量不做功，亦即所做 的功等于0，即dW=-gsds，可见水准面是均衡面。
2020年10月28日星期三12时57分11秒
天球基本概念（1）
天球：我们 把以地球M 为中心，以 无穷远的距 离为半径所 形成的球称 作天球。
天极：地球自
转的中心轴线 简称地轴，将 其延伸就是天 轴，天轴与天 球的交点称为 天极，Pn在北 称作北天极， PS，在南称作
南天极。
天球赤道：
通过地球质心 M与地轴垂直 的平面称为天 球赤道面，天 球赤道面与天 球相交的大圆 就称为天球赤 道。
N2d min
2020年10月28日星期三12时57分11秒
4、但对于天文大地测量及大地点坐标的推算， 对于国家测图及区域绘图来说，往往采用其大小 及定位定向最接近于本国或本地区的地球椭球。 这种最接近，表现在两个面最接近即同点的法线 和垂线最接近。所有地面测量都依法线投影在这 个椭球面上，我们把这样的椭球叫参考椭球。
《大地测量学基础》课件
1
地球自转是指地球围绕自己的轴线旋转的运动， 其周期为24小时，即一天。
2
地球参考系是大地测量的基准，包括国际地球参 考系（ITRS）和世界时（UTC）等。
3
地球自转对大地测量具有重要的意义，因为地球 自转会导致天文经度变化，从而影响大地测量结 果。
大地水准面和地球椭球
大地水准面是指与平均海水面重合且与地球表面大致相吻合的虚拟静止水准面。
合成孔径雷达干涉测量技术
01
合成孔径雷达干涉测量技术是一种利用雷达信号干涉原理获取 地球表面形变的测量技术。
02
该技术在地壳形变监测、地震预报、冰川运动监测等领域具有
广泛的应用前景。
合成孔径雷达干涉测量技术具有全天候、全天时、高精度等优
03
点，但也存在数据处理复杂、对信号源要求高等挑战。
人工智能和大数据在大地测量中的应用
为地球第一偏心率。
地球重力场
地球重力场是由地球质量分布不均匀 引起的引力场，其特点是随地理位置 和时间变化。
地球重力场的研究方法包括大地测量 、卫星轨道测量和地球物理等方法。
地球重力场对大地测量具有重要的意 义，因为大地水准面是大地测量中重 要的参考面，而大地水准面的变化与 地球重力场密切相关。
地球自转和地球参考系
三角测量和导线测量
三角测量
利用三角形原理进行距离和角度的测 量，主要用于建立大地控制网和精密 测量。
导线测量
通过布设导线，逐段测量导线的长度 、角度等参数，以确定点的平面位置 。
GPS定位技术
GPS定位原理
利用卫星信号接收机接收多颗卫星信号，通过测距交会原理确定接收机所在位置。
GPS在大地测量中的应用
海洋大地测量的方法
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大地水准面
地球自然表面
大地测量学基础
基本概念：参考椭球面①
参考椭球面：一个以椭圆的短轴为旋转轴的 旋转椭球体的表面。 椭球体的大小和大地体十分接近。参考椭球 面可用数学模型表示。
1、代表地球的数学表面； 2、大地测量计算的基准面； 3、研究大地水准面的参考面； 4、地图投影的参考面。
大地测量学基础
大地测量学基础
地球自然表面
地球的形状和大小
水准面 大地水准面 参考椭球面
地球的形状是一个南北极稍扁的，类似于一个 椭圆绕其短轴旋转的椭球体。
测量工作的基准面是大地水准面，基准线是铅垂线
测量计算的基准面是参考椭球面，基准线是法线
大地测量学基础
基本概念：坐标系
坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采 用什么方法来表示空间位置。 人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从 而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极 坐标系等。 一个坐标系是由原点位置、轴的指向和定义在 坐标系下点位的参数（坐标分量）所确定的。 地面坐标系的指向可以用它们的极、平面和轴 来描述。
大地测量学基础
基本概念：水准面
水准面： 任何静止的液体表面称为水准面，是
一个处处与重力方向垂直的连续曲面。铅垂线和
水准面是测量工作所依据的线和面。随着高度的
不同，水准面有无数个。平均海水面是其中的一
个。
离心力
P
铅
垂
线
重
垂球
力
大地测量学基础
基本概念：大地水准面
大地水准面：平均海水面向陆地、岛屿延伸而形成的封 闭曲面。它所包围的形体叫大地体。 由于地球内部质量分布不均匀，使得地面上各点的铅垂 线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一 个连续的封闭的但有微小起伏的不规则曲面，无法用数 学模型来表示。
大地测量学基础
基本概念：地球的自然表面
地球的自然表面： 地球的自然表面高低起伏，其
形状十分复杂，如珠穆朗玛峰高 达8844.43m，马里亚纳海沟深达 11034m。海洋的面积占71%，陆 地的面积占29%。可以用静止的 海水面向陆地延伸而形成一个封 闭的曲面，得到包围地球的形体 来代表地球的量工作的基本任务是确定物体（某一个点） 的空间位置。而对位置的描述是建立在某一个 特定的空间框架之上的。所谓的空间框架就是 通常所说的坐标系统。 一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面 要素所构成的。
大地测量学基础
基本概念：坐标系和基准
坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采 用什么方法来表示空间位置。 基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点 、线、面。
大地测量学基础
基本概念：地球参考椭球
为了准确描述 地球椭球的形 状，国际上综 合了天文、大 地、重力、人 卫等资料，给 出了不同的参 考椭球参数， 以适应各个国 家的测量需求
WGS84椭球 克拉索夫斯基椭球
IAG-75椭球 2000国家椭球
GPS坐标系 1954北京坐标系 1980西安坐标系 2000国家坐标系
纬度是空间的点 与参考椭球面的法 线与赤道面的夹角
经度是空间中的 点与参考椭球的自 转轴所在的面与参 考椭球的起始子午 面的夹角
大地高是空间点 沿参考椭球的法线 方向到参考椭球面 的距离
大地测量学基础
基本概念：空间直角坐标系①
空间直角坐标系定义
坐标系原点位于参考椭球 的中心；
Z
N
北极
Z轴指向参考椭球的北极
基本概念：参考椭球面②
参考椭球的定位：为了将以大地水准面为基准的 野外观测结果化算到这个表面上，必须将参考椭 球面与大地水准面在位置上的关系确定下来，这 个工作叫椭球定位。
世界各国都根据本国的地面测量成果选择一种适
合本国要求的参考椭球。与各国领域内的局部大
地水准面b最为a 接近。
参考椭球面
定大地原点： 定向：短轴平行于地轴 定位：大地体与椭球体相切 定大小：椭球的基本元素一定
大地测量学基础
基本概念：大地坐标系①
N
•O
子午面
S 起始子午面
赤道面
子午线 纬线
大地坐标系是以参考椭球面为基准面， 以起始子午面和赤道面为参考面。
大地测量学基础
基本概念：大地坐标系②
起始 子午面
N
•
P
HP •P
'
OB
L
赤道面
S
大地经度L 大地纬度B 大地高H
例：武汉某点的位置是东经114°，北纬30°。
基本概念：平面直角坐标系
当测区范围较小时（小于 100km2），常把球面看 作平面，这样地面点在投影面上的位置就可以用平 面直角坐标系来确定。 正规的平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐 标（空间直角坐标或大地坐标）通过某种数学变换 投影到平面上。这种变换又称为投影变换。 常见的投影变换
高斯-克吕格投影（高斯投影） UTM投影 Lambuda投影
在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的 位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和 物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在 描述空间位置时所采用的单位长度的定义。
大地测量学基础
基本概念：参考系
点的位置是由以相对于一个预先定义的数学表 面的坐标值所确定的。在大地测量中，该数 学表面被称为基准，而相对于该基准的点位 置由其坐标来确定。所以基准就是用作确定 点位置的参考的坐标面。这样的参考系可以 建立在大地水准面、参考椭球面或一个平面 上。
大地测量学基础
坐标转换
坐标转换：坐标系变换、基准变换 坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行 变换（同一基准）。
基准变换是指在不同的参考基准间进行变换 （参考椭球变换）。
一、坐标系变换方法 二、基准变换方法
；
X轴指向起始子午面与赤
O
道的交点；
起始子午面
Y轴位于赤道面上，且按
右手系与X轴呈90夹角。
X
S
某点在空间中的坐标可
Y 赤道面
用该点在此坐标系的各
空间直角坐标系的建立
个坐标轴上的投影来表
示。
大地测量学基础
基本概念：空间直角坐标系②
Z
HP P
•
•z
O Bx
Y
Ly
X
空间直角坐标系与大地坐标系的关系
大地测量学基础
大地测量学基础
坐标转换
大家知道，GPS定位的过程是在 WGS84坐标系统下进行的，定位结果是 WGS84系统下的大地坐标。而用户最终需要 的是用于工程项目的平面直角坐标系坐标 （可能是国家坐标，也可能是独立的地方坐 标），这就需要在不同的坐标系统之间进行 转换。下面就让我们来看看坐标转换是怎样 进行的！