大地测量
大地测量学
大地测量学大地测量学是地球学科的重要分支，是测绘科学的基础学科，在测绘专业的课程设置中占有重要的地位和作用。
其主要测定地球大小；研究地球形状；测定地面点的几何位置，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。
就其本质来说，他是一门地球信息学，即为人类的活动提供地球空间信息的学科。
大地测量学的的内容包括几何大地测量学、物理大地测量学、空间大地测量学。
几何大地测量学主要是研究确定地球形状、大小和确定地面点三维空间的理论及技术、因此有关精密的角度、距离测量、水准测量，地球椭圆球体的参数及模型，椭圆面上测量成果的计算、平差、投影变换以及大地控制网建立的原理和技术方法等，是几何大地测量学的基本内容。
物理大地测量学研究用武力方法（重力测量）确定地球的形状及外部重力场。
它的主要内容是重力测量及其归化、地球及外部重力场模型、大地测量边值问题、重力为理论、球谐函数、利用重力测量研究地球形状及椭圆球体参数等。
空间大地测量学是研究以卫星及其它空间探测器实施大地测量的理论和技术。
主要内容包括卫星多普勒技术，海洋卫星雷达测高，激光卫星测距以及卫星定位系统（GPS)和GLONASS，我国的“北斗”卫星定位导航系统，卫星定位定轨理论以及应用卫星及空间探测器在全国性大地测量控制网，全球性的地球动态参数求定和重力场模型的精华、地壳形变、板块运功的、海空导航、导弹制导等方面的研究。
因此较确切地讲。
空间大地测量学的开创。
使大地测量学迈入了以可变地球为研究对象，实施全球动态就对测量的现代大地测量新时期。
学科发展史——萌芽阶段在17世纪以前，大地测量只是处于萌芽状态。
公元前 3世纪，亚历山大的埃拉托斯特尼首先应用几何学中圆周上一段弧AB的长度S、对应的中心角r同圆半径R的关系，估计了地球的半径长度，由于圆弧的两端A和B大致位于同一子午圈上，以后在此基础上发展为子午弧度测量。
大地测量学
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§3大地测量学发展简史及展望 大地测量学发展简史及展望 3.1大地测量学的发展简史 大地测量学的发展简史 第一阶段： 第一阶段：地球圆球阶段
从远古至17世纪， 从远古至 世纪，人们用天文方法得到地面上同一子 世纪 午线上两点的纬度差， 午线上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧 从而推得地球半径（ 长，从而推得地球半径（弧度测量 ）
空间大地测量学： 空间大地测量学：
主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代 表的空间大地测量的理论、技术与方法。 表的空间大地测量的理论、技术与方法。
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2.2 大地测量学的基本内容
确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化， 确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立 统一的大地测量坐标系，研究地壳形变(包括垂直升降及 统一的大地测量坐标系，研究地壳形变 包括垂直升降及 水平位移)，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 水平位移 ，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 研究月球及太阳系行星的形状及重力场。 研究月球及太阳系行星的形状及重力场。 建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程 建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、 控制网和精密水准网以及海洋大地控制网， 控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民 经济和国防建设的需要。 经济和国防建设的需要。 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地 球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量 计算。 计算。
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•
物理大地测量在这阶段的进展： 物理大地测量在这阶段的进展：
1.大地测量边值问题理论的提出： 大地测量边值问题理论的提出： 大地测量边值问题理论的提出 英国学者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重 英国学者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重 力位分为正常重力位和扰动位两部分， 力位分为正常重力位和扰动位两部分，实际的重力分 为正常重力和重力异常两部分， 为正常重力和重力异常两部分，在某些假定条件下进 行简化，通过重力异常的积分， 行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面 为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。 为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。 后来，荷兰学者维宁·曼尼兹 曼尼兹(F.A.Vening Meinesz)根据 后来，荷兰学者维宁 曼尼兹 根据 斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏 差公式。 差公式。 2.提出了新的椭球参数 提出了新的椭球参数： 2.提出了新的椭球参数： 赫尔默特椭球、海福特椭球、 赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球 等。
测绘综合能力
测绘综合能力----第一章大地测量第一节大地测量概论大地测量的概论（P3）大地测量是为研究地球的形状及表面特性进行的实际测量工作。
其主要任务是建立国家或大范围的精密控制测量网，内容有三角测量、导线测量、水准测量、天文测量、重力测量、惯性测量、卫星大地测量以及各种大地测量数据处理等。
①它为大规模地形图测制及各种工程测量提供高精度的平面控制和高程控制;②为空间科学技术和军事用途等提供精确的点位坐标、距离、方位及地球重力场资料;③为研究地球形状和大小、地壳形变及地震预报等科学问题提供资料。
大地坐标系与参考框架（P4）大地测量系统包括坐标系统、高程系统、深度基准和重力参考系统。
与大地测量系统相对应，大地参考框架有坐标(参考)框架、高程(参考)框架和重力测量(参考)框架三种。
地心坐标系（P4）国际地面参考框架(ITRF)是国际地面参考系统(ITRS)的具体实现。
它以甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、G(P)S和卫星多普勒定轨定位(DORIS)等空间大地测量技术构成全球观测网点，经数据处理，得到ITRF点(地面观测点)站坐标和速度场等。
2000国家大地控制网是定义在ITF'S 2000地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。
区域性地心坐标框架一般由三级构成。
第一级为连续运行站构成的动态地心坐标框架，它是区域性地心坐标框架的主控制;第二级是与连续运行站定期联测的大地控制点构成的准动态地心坐标框架;第三级是加密大地控制点.(ITRF)已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。
高程系统（p5）1985国家高程基准是我国现采用的高程基准，青岛水准原点高程为72. 260 4 m。
水准原点网由主点-----原点、参考点、附点共6个点组成我国高程系统采用正常高系统，正常高的起算面是似大地水准面。
由地面点沿垂线向下至似大地水准面之间的距离，就是该点的正常高，即该点的高程。
《大地测量学》课件
激光雷达地形测量
利用激光雷达技术获取高 精度地形数据，常用于数 字高程模型（DEM）的建 立。
激光雷达遥感
通过激光雷达技术获取地 表信息，用于地质、环境 监测等领域。
其他大地测量技术与方法
重力测量
利用重力加速度的差异来测定地球重力场参数，常用于地球 物理研究。
惯性导航
利用惯性传感器来测定运动物体的姿态、位置和速度，常用 于海洋和航空导航。
大地测量学的应用领域
• 总结词：大地测量学的应用领域非常广泛，包括地理信息系统、资源调 查、城市规划、灾害监测等。
• 详细描述：大地测量学在地理信息系统中的应用主要是提供高精度、高分辨率的地理信息数据，用于地图制作、土地规 划、环境监测等领域。在资源调查方面，大地测量学可以通过对地球的重力场和磁场进行测量，探测地下矿产资源，并 对海洋资源进行调查和监测。此外，大地测量学在城市规划中也有广泛应用，例如通过卫星遥感技术对城市环境进行监 测和评估，以及利用GPS技术对城市交通进行管理和优化。最后，大地测量学在灾害监测方面也发挥了重要作用，例如 通过大地测量技术对地震、火山、滑坡等自然灾害进行监测和预警。
大地测量在地理信息系统中的应用领域
基础地理信息获取
大地测量提供高精度的地 理坐标和地形数据，是GIS 获取基础地理信息的重要 手段。
地图制作与更新
大地测量数据可用于制作 高精度地图，并定期更新 以确保地图的准确性和现 势性。
空间分析与应用
大地测量数据与其他空间 数据结合，可进行空间分 析、规划、决策等应用。
大地测量在地理信
05
息系统中的应用
地理信息系统概述
地理信息系统定义
地理信息系统（GIS）是一种用于采集、存储、处理、分析和显示 地理数据的计算机系统。
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。
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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。
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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。
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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。
第五章 大地测量的基本技术与方法(1)
② 技术设计的内容和方法 [1] 搜集和分析资料 （1）测区内各种比例尺的地形图。 （2）已有的控制测量成果（包括全部有关技术文件、图表、手簿 等等）。 （3）有关测区的气象、地质等情况，以供建标、埋石、安排作业 时间等方面的参考。 （4）现场踏勘了解已有控制标志的保存完好情况。 （5）调查测区的行政区划、交通便利情况和物资供应情况。若在 少数民族地区，则应了解民族风俗、习惯。 对搜集到的上述资料进行分析，以确定网的布设形式，起始 数据如何获得，网的未来扩展等。 其次还应考虑网的坐标系投影带和投影面的选择。 此外还应考虑网的图形结构，旧有标志可否利用等问题。
上海港GPS扩展网网图
2 甚长基线干涉测量（VLBI） 甚长基线干涉测量系统是在甚长基线的两端(相距几千公里)， 用射电望远镜，接收银河系或银河系以外的类星体发出的无线电辐 射信号，通过信号对比，根据干涉原理，直接确定基线长度和方向 的一种空间技术。长度的相对精度可优于10-6，对测定射电源的空 间位置，可达0.001”，由于其定位的精度高，可在研究地球的极移 、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。
（3）从安全生产方面考虑 点位离公路、铁路和其他建筑物以及高压电线等应有一定的 距离。 图上设计的方法及主要步骤 图上设计宜在中比例尺地形图（根据测区大小，选用1：25 000～1 ：100 000地形图）上进行，其方法和步骤如下： a 展绘已知点； b 按上述对点位的基本要求，从已知点开始扩展； c 判断和检查点间的通视； d 估算控制网中各推算元素的精度； e 据测区的情况调查和图上设计结果，写出文字说明，并拟定作业 计划。
2. 大地控制网应有足够的精度。 国家三角网的精度，应能满足大比例尺测图的要求。在测图中 ，要求首级图根点相对于起算三角点的点位误差，在图上应不 超过±0.1mm，相对于地面点的点位误差则不超过 ±0.1Nmm(N 为测图比例尺分母)。 为使国家三角点的误差对图点的影响可以忽略不计，应使相邻国 家三角点的点位误差小于(1/3) ×0.1Nmm。
大地测量学常用的坐标系
大地测量学常用的坐标系引言大地测量学是研究地球形状、大小、重力场及其变化的科学，广泛应用于工程测量、地图制图、导航定位等领域。
在进行测量和定位时，需要采用合适的坐标系来描述地球表面的点和其相对位置关系。
本文将介绍大地测量学中常用的坐标系。
地心坐标系（Geocentric Coordinate System）地心坐标系是以地球质心为原点建立的坐标系，常用来描述地球内部重力场的分布以及地球形状的变化。
地心坐标系的三个坐标轴分别指向地球的北极、本初子午线和赤道平面，称为北极轴、子午轴和赤道轴。
地心坐标系的优点是在研究全球性的问题时非常有用，可以精确描述地球形状和大小的变化。
大地坐标系（Geodetic Coordinate System）大地坐标系是基于地球表面形状和地球椭球体模型建立的坐标系。
在大地坐标系中，使用经度（longitude）和纬度（latitude）来确定地球表面上点的位置。
经度是指从本初子午线开始，沿赤道向东或向西测量的角度，纬度是指从赤道开始，沿黄道向北或向南测量的角度。
大地坐标系常用于地图制图和导航定位等应用中。
投影坐标系（Projected Coordinate System）投影坐标系是为了适应地球表面的非平面特性而引入的。
在投影坐标系中，地球表面上的经纬度坐标被投影到一个平面上，从而实现对地图的制作和使用。
不同的投影方式会导致不同的形变问题，如面积变形、角度变形和长度变形等。
常见的投影坐标系有墨卡托投影、麦卡托投影、兰伯特投影等。
本地坐标系（Local Coordinate System）本地坐标系是根据地球表面的局部特征建立的坐标系，主要用于工程测量和定位。
在本地坐标系中，原点和坐标轴的选择由具体的测量任务和地理特征决定。
本地坐标系可以使用笛卡尔坐标系或极坐标系来表示。
与其他坐标系相比，本地坐标系的优势在于简化了测量计算和数据处理的过程。
结论在大地测量学中，常用的坐标系包括地心坐标系、大地坐标系、投影坐标系和本地坐标系。
大地测量学
© 2000 McGraw-Hill
Introduction to Object-Oriented Programming with Java--Wu
Chapter 0 - 7
§1.1 大地测量学的定义和作用
2）要有一个精确的全球重力场模型，用来描述对飞行器 的约束。 重力场模型中位展开系数是卫星轨道动力方程中的 决定性参数。 在国防中的这种保障作用体现在： 从古代战争到现代战争，以及未来战争，都需要军事测 绘做保障，1）超前储备保障； 2）动态实时保障。 例如，战争区域中的电子地图，数字地图，军事目标的 三维坐标是现代战争中不可缺少的测绘文件，而这 些军事测绘资料都离不开大地测量手段取得。 4、在当代地球科学研究中的地位越来越重要。
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Chapter 0 - 8
§1.1 大地测量学的定义和作用
和重力测 块边界 用卫星测高技术SLR和重力测量数据测定海底板块边界 高技术 和重力 量数据测定海底板块边 分布情况，监测海水面变 分布情况，监测海水面变化，以高分辨率测定海底地形。 海水面 以高分辨率测定海底地形。 利用VLBI及SLR能以 及 能以1mm/秒的分辨率精确地测定板块 秒的分辨率精确地测 利用 能以 秒的分辨率精确地 定板块 相对运动，监测地壳运动，为解释板块运动、断裂、地震 监测地壳运动 地壳运 断裂、 活动提供科学依据。 提供科学依据。 总之，大地测量学是测绘科学的各个分支学科（包括工 大地测量学是测绘科学的各个分支学科（ 测绘科学的各个分支学科 程测量、海洋测绘、矿山测量、航测、地图制图及GPS等） 海洋测绘、 测绘 等 的基础学科。 的基础学科。因为大地测量学的基础理论、手段和方法 大地测量学的基础 为这些测绘学科提供了先决条件。 为这些测绘学科提供了先决条件。 学科提供研究全球或相当大范围内的地球， 各个测 不相互平行， 各个测站铅垂线不相互平行，同时 及地球重力场及形状， 顾及地球重力场及形状，因为地球 重力场对研究地球形状， 场对研究地球形状 重力场对研究地球形状，对高精度 量及数据处理有着不可忽视 测量及数据处理有着不可忽视的作 用和影响。 用和影响。
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重力基准就是标定一个国家和地区的绝对重力值的标准。
重力参考系统则是指采用的椭球常数及其相应的正常重力场。
重力测量框架则是由分布在各地的若干绝对重力点和相对重力点构成的重 力控制网，以及用作相对重力尺度标准的若干条长短基线。
基准
年代
椭球常数
基本构成
波茨坦重力基准 20世纪50—70 克拉索夫斯基
年代
1985国家重力基 本网
三、大地测量系统与参考框架
基本定义：
大地测量系统规定了大地测量的起算基准、尺度标准及其实现方式（包 括理论、模型和方法）。大地测量系统包括坐标系统、高程系统、深度基准 和重力参考系统。
大地测量参考框架是通过大地测量手段，由固定在地面上的点所构成的 大地网（点）或其它实体（静止或运动的物体）按相应于大地测量系统的规 定模式构建的，是对大地测量系统的具体实现。与大地测量系统相对应，大 地参考框架有坐标（参考）框架、高程（参考）框架和重力（参考）框架。
5）GPS（GPS Time，GPST）：由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组 成的一种原子时基准，与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历 元1980年1月6日零时与UTC保持一致。
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2 大地测量学在防灾、减灾、救灾及环境监测、评价 与保护中发挥着独具风貌的特殊作用
3）力学时（Dynamic Time,DT）:在天文学中，天体的星历是根据天体动力 学理论的运动方程而编算的，其中所采用的独立变量是时间参数T，这个数 学变量T，定义为力学时。
4）协调时（ Universal Time Coordinate,UTC ）：是时间服务工作钟把原子 时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间。并不是一种独立的时间。
6、 时间系统与时间系统框架
时间系统也称为时间基准或时间标准，它规定了时间测量 的参考标准，包括时刻的参考标准和时间间隔的尺度标准。
任何一种时间基准都必须建立在某个频率基准的基础上， 因此时间基准也称为时间频率基准。频率基准规定了“秒长” 的尺度。
时间系统框架是在某一区域或全球范围内，通过守时、授 时和时间频率测量技术，实现和维持统一的时间系统。
• A:该阶段几何大地测量的主要成绩
（1）长度单位的建立：法国于1799年计算出新的椭球参数，其 子午圈弧长的四千万分之一为1m.
(2) 提出最小二乘法：法国的勒让德(A.M.Legendre)，德国的高 斯(C.F.Gauss)。
•地震带区域内的大地测量形变监测系统：(自动、连续） GPS （全球卫星定位系统） VLBI（甚长基线干涉测量） SLR （激光测卫） •海难、空难等 GPS快速定位+卫星通信技术 •温室效应引起的海水面变化 利用GPS技术将全球验潮站联测到VLBI及SLR上
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大地测量系统是总体概念，大地测量参考框架是大地测量系统的具体应 用形式。
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2、大地测量坐标框架
1）参心坐标框架（天文大地网，区域性、二维静态，如1954北京，1980西安）
2）地心坐标框架
ITRF——国际地面参考框架，ITRS——国际地面参考系统
VLBI（甚长基线干涉测量）、SLR（激光测距）、LLR（激光测月）、GPS和 DORIS（卫星多普勒定轨定位）等技术构成全球观测网点，经数据处理，得到 ITRF点（地面观测点）站坐标和速度场。是目前国际公认的应用最广泛、精 度最高的地心坐标框架。
2000国家大地控制网是定义在ITRS2000地心坐标系统中的区域性地心坐标 框架。由三级构成：
6）学科融合。现代大地测量除对大气科学贡献以外，由于它能获得精确、大量、在
空间和时间方面有很高分辨率的对地观测数据，因此对地球科学、海洋学、地质学、
地震学的地球科学的作用也越来越大。它与地球科学多个分支相互交叉，已成为推动
地球科学的前沿学科之一。
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第一级——为连续运行站构成的动态地心坐标框架，是区域性地心坐标框架 的主控制。
第二级——是与连续运行站定期联测的大地控制点构成的准动态地心坐标框 架。
第三级——加密大地控制点。
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4、重力系统和重力测量框架
重力测量就是测定空间一点的重力加速度。
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20世纪80年代 IAG75椭球常数及其
后
相应正常重力场
2000年后
CRS80椭球常数及 其相应正常重力场
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6个基准点 46个基本点 5个基本点引点
21个基准点 126个基本点 112个基本点引点 长基线网1个
2、现代大地测量的特点
背景：二十世纪80年代以来，由于空间技术、计算机技术和信息技术的飞跃发展，以 电磁波测距、卫星测量、甚长基线干涉测量等代表的新的大地测量技术出现，给传统 大地测量带来了革命性的变革，形成了现代大地测量。
现代大地测量特点：
1）长距离、大范围。量测的范围和间距，不再受天气和“视线”长度的制约，能提 供协调一致的全球性大地测量数据。
2020年4月5日3时49分
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1、常用的时间系统
1）世界时（Universal Time,UT）：以地球自转为基准，在1960年以前一 直作为国际时间基准。
2）原子时（Atomic Time,AT）：以位于海平面（大地水准面，等位面）的 铯（133Cs）原子内部两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准， 从1958年1月1日世界时的零时开始启用。
2）高精度。量测精度相对于传统大地测量而言，已提高了1—2个数量级。
3）实时、快速。外业观测和内业数据处理几乎可以在同一时间段内完成，即实时或 准实时地完成。
4）“四维”。能提供在合理复测周期内有时间序列（时间或历元）、高1于07 精度的大地测量数据。
相对
5）地心。测得的位置、高程、影像等成果，是以维系卫星运动的地球质心为坐标原 点的三维测量数据。