大地测量基础知识
(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。
大地测量基础知识
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球
把形状和大小与大地体相近，且两者之间相对位置确定 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。
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球－部分参考椭球参数一览表
参考椭球名称
贝塞尔 克拉克 赫尔墨特 海福特 克拉索夫斯基 1967年大地坐标系 国际大地测量与地球物理联合会IUGG十六届大会推荐值 IUGG十七届大会推荐值 IUGG十八届大会推荐值 WGS-84 CGCS2000
为了满足卫星定位的精度要求，1967年第13届国际计量大会定义了 更高精度的原子时。
以物质内部原子运动周期（如铯原子133能级辐射震荡频率 9192631170周为一秒）定义原子时（IAT）。原子时起点定在1958 年1月1日0时0分0秒（UT2），即在此时刻原子时与世界时重合。但 事后发现，原子时与世界时此刻之差为秒，此后，原子时与世界时之 差便逐年积累。原子时时间精度高，可达毫微秒以上。而平太阳时精 度只能达到毫秒量级。力学时TDT的计量已用原子钟实现，因两者的 起点不同，
推求年代
1841 1866 1906 1909 1940 1971 1975
1979 1983 1984 2000
长半径a 6377397.155 6378206.4 6378140 6378388 6378245 6378160 6378140
6378137 6378136 6378137 6378137
分类：地心大地坐标系与地心空间直角坐标系 应用：空间技术和卫星大地测量中
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
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。
大地测量学知识点整理
大地测量学知识点整理大地测量学是地球科学中的重要分支，主要研究地球形状、地球尺度、地球重力场以及地球形变等内容，以提供高精度的地球表面形状数据和相应的地球参数，为地理信息系统、地震监测、导航定位等应用领域提供数据支撑。
下面整理了大地测量学的相关知识点，供参考。
1.大地测量学的基本概念和目标-大地测量学是研究地球形状、地球尺度和地球重力场等基本问题的学科。
-目标是通过测量获取地球形状和地球的尺度，研究地球形变以及地球的物理特性。
2.大地测量学中的基本概念-测地线：两点间的最短路径，是地球上长度最短的曲线。
-大地弧长：测地线上两点之间的弧长。
-大地方位角：从给定点出发沿大地弧到达目标点的方位角。
-大地纬度：从球心到椭球面上一点所沿椭球面正常方向得到的经过球面正北方向的夹角。
-大地经度：从球心到椭球面上一点所沿椭球面正常方向得到的经过球面正东方向的夹角。
3.大地测量中的基本测量方法-天文测量法：利用天体的观测数据，如经纬度、高度角等进行测量。
-重力法：通过测量地球上不同位置的重力加速度来推断地球上的形状和尺度。
-大地水准测量法：通过测量水平方向上的高程差来确定地球形状。
-大地测角法：通过测量角度来计算地球上两点之间的距离和方位。
-大地卫星测高法：利用卫星测高技术获取地球表面高程信息。
4.大地测量学中的地球形状与尺度参数-长半轴：椭球长半径。
-短半轴：椭球短半径。
-扁率：长半轴与短半轴之差与长半轴的比值。
-第一偏心率：椭球短半轴和长半轴之差与短半径之和的比值。
-第二偏心率：椭球短半轴和长半轴之差与长半径之和的比值。
-极曲率半径：极点处其中一纬度圈切线半径的倒数。
5.大地测量学中的地球重力场参数-重力加速度：单位质点在地球表面所受的重力作用的大小。
-重力位能：单位质点在其中一高度上的重力位能。
-重力势：单位质点受重力作用产生的势能。
-重力梯度：垂直于重力方向的重力场的变化率。
-重力异常：其中一点的重力场与理论重力场之差。
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
大地测量基础知识
大地测量基础知识
嘿，朋友们！今天咱来聊聊大地测量基础知识。
你说大地测量是啥呀？就好比给大地这个大巨人量身高、测体重一样！
你想想，咱们生活的地球那可老大了，要是没有大地测量，那得多乱套呀！大地测量就像是给地球画一幅超级精确的画像。
咱先来说说测量的那些工具吧，就像咱画画得有画笔一样。
水准仪，就像一个小机灵鬼，能帮我们知道地面是不是平的。
还有经纬仪，那可是个厉害的角色，能准确地测量角度呢！全站仪就更牛了，集各种本领于一身，简直是测量界的多面手！
那大地测量都干啥呢？比如说要建一座大桥，不得先知道这儿的地形啥样啊，不然桥建歪了咋办？还有盖高楼，要是地基都没测好，那楼还不得摇摇晃晃的呀！
再说说测量的精度吧，这可太重要啦！就好比你做衣服，尺寸差一点那穿上就不合适呀。
测量也是一样，差一点可能就会出大问题呢！你说要是地图上差了一点点，那实际走起来可就差老远啦！
大地测量还和我们的日常生活息息相关呢！你平时用的手机导航，那不就是靠大地测量的数据嘛。
你能准确地找到想去的地方，可都得感谢大地测量的功劳呀！
还有啊，大地测量的人可不容易，他们得背着那些仪器翻山越岭的，风里来雨里去。
他们就像一群勇敢的探险家，为了得到准确的数据，什么苦都能吃！
你说这大地测量是不是特别神奇？它就像一双神奇的眼睛，让我们能看清大地的模样。
没有它，我们的生活可就没那么方便啦！所以啊，可别小看了这大地测量，它可在背后默默地为我们的生活做着大贡献呢！这就是大地测量，有趣又重要，不是吗？。
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黄道 第二天 太阳 地球 春分点
1个恒星日等于23h56m04s • GPS卫星绕地球一周，按照 世界时计算是11h58min，按照
恒星时计算是12h
59 8
第三节 时间系统
三、守时和授时
将正确的时间保存下来叫守时； 用精确的无线电信号播发时间信号，叫授时；
各种钟表即为守时仪器；
守时仪器接收无线电信号然后与其时间进行比对，叫时间比对（对 表）；
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
1.天文坐标系 天文经度λ和天文纬度φ。 正高H正。 天文方位角
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
2.大地坐标系 大地经度L和大地纬度B 大地高H大 大地方位角
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
第三节 时间系统
4、历书时（ET）与力学时（DT）
由于地球自转速度不均匀，用其定义的恒星时与平太阳时不稳定， 1958年第十届国际天文协会决定，自1960年起开始以地球公转运动为 基准的历书时代替世界时。历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整 回归年长度的1/31556925.9747，起始历元定在1900年1月1日12时。 历书时对应的地球运动理论是牛顿力学，根据广义相对论，太阳质 心系和地心系所定义的历书时间将不相同。于是，1976年国际天文联 合会定义了太阳系质心力学时（TDB）和地球质心力学时（TDT）。
应用大地测量学
第三节 时间系统
一、时间系统
1、恒星时(Sidereal Time)
恒星时是以春分点为参照点的时间系统（ST）。春分点（或除太 阳以外的任一恒星）连续两次经过测站子午圈的时间间隔为一恒星日。
2、平太阳时(Mean
Solar
Time)
平太阳时是以平太阳（以平均速度运行的太阳）为参照点的时间 系统（MT）。平太阳连续两次经过测站子午圈的时间间隔为一平太阳 日。平太阳时从半夜零点起算称为民用时。
• 假如地面重力值的分布情况是已知的话，那么就可结合大地测量 中的其它观测量一起来确定地球表面的形状。
• 对于高程测量而言，最重要的参考面-------大地水准面，亦即最 理想化的海洋面是重力场中的一个水准面。
第四节 地球重力场基本理论
一、地球的重力和重力位
1.重力
重力g——引力F与离心力P的合力。
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
5.站心坐标系
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
5.站心坐标系
x r cos A cosh y r sin A cosh z r sinh
2 2 h arctg( z / x y ) r x y z A arctg( y / x )
二、地球椭球
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。
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球－部分参考椭球参数一览表
参考椭球名称 贝塞尔 克拉克 赫尔墨特 海福特 克拉索夫斯基 1967年大地坐标系 国际大地测量与地球物理联合会IUGG十六届大会推荐值 IUGG十七届大会推荐值 IUGG十八届大会推荐值 WGS-84 CGCS2000 推求年代 1841 1866 1906 1909 1940 1971 1975 1979 1983 1984 2000 长半径a 6377397.155 6378206.4 6378140 6378388 6378245 6378160 6378140 6378137 6378136 6378137 6378137 扁率f 1：299.152 812 8 1：294.978 698 2 1：298.3 1：297.0 1：298.3 1：298.247 167 427 1：298.257 1：298.257 1：298.257 1：298.257 223 563 1：298.257 222 101
以上几种时间系统在天文观测中得到了应用
第三节 时间系统
5、原子时(Intemational Atomic Time)
为了满足卫星定位的精度要求，1967年第13届国际计量大会定义了 更高精度的原子时。
以物质内部原子运动周期（如铯原子133能级辐射震荡频率 9192631170周为一秒）定义原子时（IAT）。原子时起点定在1958年1 月1日0时0分0秒（UT2），即在此时刻原子时与世界时重合。但事后发 现，原子时与世界时此刻之差为0.0039秒，此后，原子时与世界时之 差便逐年积累。原子时时间精度高，可达毫微秒以上。而平太阳时精 度只能达到毫秒量级。力学时TDT的计量已用原子钟实现，因两者的起 点不同，TDT=IAT+32.184
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
三、垂线偏差和大地水准面差距
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
本节重点研究下列几个坐标系统：
天球坐标系 地球坐标系
天文坐标系 大地坐标系 空间大地直角坐标系 地心坐标系 站心坐标系
高斯平面直角坐标系
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
应用大地测量学
第二章 大地测量 基础知识
江苏师范大学大学测绘学院
应用大地测量学
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
大地水准面
参考椭球面 总地球椭球
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
地球的自然表面
大地测量是在地球自然表面上进行的，这个表面高低起 伏、很不规则，不能用数学公式描述。
第三节 时间系统
3、世界时(Universal
Time)
格林尼治的平太阳时（从半夜零点算起）定义为世界时（UT）。 由于地球自转的不稳定性，在UT中加入极移改正即得到UT1。UT1加上 地球自转速度季节性变化后为UT2。以经度15度的倍数的子午线Ln所处 地点定义的民用时叫区时Tn。Tn=UT+n，n为时区号。如北京时间为经 度120度处的民用时（n=8），与世界时相差8小时。
设有一个力场
第四节 地球重力场基本理论
或 则称 为力f的力位。
f grad
（2）引力位
①引力位函数 设被吸引质点为单位质点，则引力位函数的形式为：
V f
②引力加速度 引力向量等于引力位的梯度：
M r
F gradV M M g1 f 2 ，将 g1 f 2 和 F f M m 比 因为 F mg1 ，所以， r r r2
一、天球与天球坐标系
Pn En
Pn
黄道
s
d
O
O
天球赤道
r 天球赤道 x
r
y
Ps
Es
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
一、天球与天球坐标系
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。 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。
陆地最高点－珠穆朗玛峰：峰顶岩面海拔高8844.43米
海洋最低点－马里亚纳海沟：－10911米
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
重力：地心引力与离心力的合理
铅垂线：重力的方向 铅垂线是野外测量的基准线 水准面：静止的液体表面，有无穷多个
水准面是野外工作的基准面：水平角、高差、距离
2 2 2
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
三、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
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
三、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
第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
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。
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
为了有一个共同的基准，选择十分接近地球表面又能代 表地球形状和大小的水准面，即大地水准面
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
设想海洋处于静止平衡状态时，将它延伸到大陆下面且 保持处处与铅垂线正交的包围整个地球的封闭的水准面，我 们称它为大地水准面。 大地体
应用大地测量学
第三节 时间系统
6、协调世界时(Coodinated Universal Time)
以原子时秒长定义的世界时为协调世界时（UTC）。协调世界时秒长 为原子时，但表示时间的年月日时分秒仍是世界时。由于原子时快于世 界时，UTC每年要跳秒，才能保证时分秒与世界时一致。
7、GPS时间系统（GPSTime）
（1）地球引力
大小： F f
M m 方向：指向地心 2 r
f为万有引力常数， fM 3 986 000 108 m3 / s 2
（2）离心力
大小： P m 2 ，方向：指向质点所在平行圈半径的外方向， 在赤道上最大，但也仅是地球引力的1/ 200;w为地球自转角速度，为 7.292115×10-5rad/s。