大 地 测 量 学

建立我国新世纪 国家测绘基准 目标和任务

大地测量的任务 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。

概 论 一、大地测量学定义及作用 二、大地测量学的发展简史 三、我国大地控制网 四、大地测量新仪器新技术及应用 五、大地测量展望 概 论 一、大地测量学定义及作用 二、大地测量学的发展简史 三、我国大地控制网 四、大地测量新仪器新技术及应用 五、大地测量展望 六、大地测量学作用示例

一、大地测量学的定义和体系 “测定和描绘地球表面的科学” 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。 精确测定地球表面点的地理位置，研究地球形状、大小和地球表面外部重力场，以及它们随时间的变化。

（一）大地测量学的地位和作用 为人类活动提供地球信息。 在防灾减灾和救援活动中发挥日益增强的作用。为地震的预测提供监测信息。 在环境监测和保护等领域中发挥重要作用。 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。 为空间技术和国防现代化建设提供重要保障。

1 大地测量学的基本体系 A、几何大地测量学 确定地球的形状、大小及地面点的几何位置。 1 大地测量学的基本体系 A、几何大地测量学 确定地球的形状、大小及地面点的几何位置。 主要内容是关于国家大地测量控制网(平面和高程)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。

B、物理大地测量学 用物理方法(重力测量)确定地球形状及其外部重力场。 主要内容包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法等。

C、空间大地测量学 新特征: 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。 测量范围大；研究对象和范围不断深入、全面和精细；观测精度高；测量周期短。

二、大地测量学的发展简史 1第一阶段——地球圆球阶段 2 第二阶段——地球椭球阶段 3第三阶段——大地水准面阶段 4 第四阶段——现代大地测量新时期

1、 第一阶段——地球圆球阶段 从远古至17世纪末，人们把地球认为是圆球。 公元前3世纪，亚历山大学者埃拉托色尼首次用子午圈弧长测量法来估算地球半径，分为两种测量：一是属于天文部分：子午圈弧长两端点的纬度差；一是属于大地部分：两端点间的子午圈弧长。 到15～16世纪文艺复兴浪潮席卷欧洲时，以哥白尼、伽里略及牛顿等为代表的一批科学家摆脱宗教枷锁后，才在自然科学方面获得一系列的惊人发明和创造，促进了大地测量学的萌芽和形成。

地球形体 1.地球自然表面、地球体 地球的固体和液体部分相对于大气的分界面 地球自然表面包围的形体

★取得的成绩: 2、第二阶段——地球椭球阶段 1）长度单位的建立; 2）最小二乘法的提出; 3) 椭球大地测量学的形成，解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算，以及将椭球面投影到平面的正形投影方法。 4)弧度测量大规模展开; 5) 推算了不同的地球椭球参数。

19世纪下半叶至20世纪40年代，对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。 3、 第三阶段——大地水准面阶段 19世纪下半叶至20世纪40年代，对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。 ★几何大地测量学的进展： （1）天文大地网的布设有了重大发展； （2）因瓦基线尺出现 带平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用； 将天文大地测量同重力测量相结合代替天文水准等方面有较大进步。

（1）、距离测量的发展： 4、第四阶段——现代大地测量新时期 1948年瑞典人贝尔斯特兰德研制成功世界上第一台光电测距仪； 60年代出现了激光测距仪； 1956年南非人沃德利研制成功世界第一台微波测距仪； 70年代德国首先研制成功测距、测角相结合的电子速测仪。 ★导线测量及测边网、边角网测量成为可能。

（2）空间技术的发展： 20世纪70年代卫星多普勒技术； 海洋卫星雷达测高； 激光卫星测距(SLR)等得到应用。 80年代，美国全球卫星定位系统(GPS)得到全面发展，并投入使用； 俄罗斯也有相应的定位系统—GLONASS 利用空间探测器、卫星或空间飞行器，形成了月球和行星大地测量学。

三、我国大地控制网 我国使用的椭球 我国先后使用过两个参考椭球。 （1）1954年北京坐标系采用的是原苏联克拉索夫斯基椭球，其长半径a =6 378 245米，短半径b=6 356 863米，扁率f=(a-b)/a=1:298.3。 （2）1980年西安坐标系采用的是1975年国际大地测量学与地球物理学联合会第十六届大会上的推荐值，a=6 378 140 米 ，b=6 356 755米，f=1:298.257。

大地基准: 是建立国家大地坐标系统和推算国家大地控制网中各点大地坐标的基本依据，它包括一组大地测量参数和一组起算数据； 大地测量参数主要包括作为建立大地坐标系依据的地球椭球的四个常数，即地球椭球赤道半径啊，地心引力常数GM，带球谐系数J2（由此导出椭球扁率f）和地球自转角度w，以及用以确定大地坐标系统和大地控制网长度基准的真空光速c； 而一组起算数据是指国家大地控制网起算点（成为大地原点）的大地经度、大地纬度、大地高程和至想邻点方向的大地方位角。

高程基准: 是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。 水准基面，通常理论上采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面，实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测结果计算出来的平均海面。中国以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海面作为中国的水准基面，即零高程面。 中国水准原点建立在青岛验潮站附近，并构成原点网。用精密水准测量测定水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，定为全国高程控制网的起算高程。

1956年黄海高程系统 水准原点高程：72.289米 1985年国家高程系统 水准原点高程：72.260米

平面控制网 国家平面控制网是确定地貌地物平面位置的坐标体系，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。 目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共 154348个，构成1954北京坐标系统、1980西安坐标系两套系统。 国家大地原点（陕西泾阳）

高程控制网 国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。 目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为416619．1公里。 国家水准原点（山东青岛）

重力基本网 国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的坐标体系。 重力成果在研究地球形状、精确处理大地测量观测数据、发展空间技术、地球物理、地质勘探、地震、天文、计量和高能物理等方面有着广泛的应用。 目前提供使用的2000国家重力基本网包括21个重大基准点和126个重力基本点。

国家GPS控制网 “2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度GPS A、B级网,总参测绘局布设的GPS 一、二级网，中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成。 该控制网整合了上述三个大型的、有重要影响力的GPS观测网的成果，共2609个点。 通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，形成了紧密的联系体系，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，同时为建立我国新一代的地心坐标系统打下了坚实的基础。

大地测量主要技术手段 经典大地测量 技术 空间大地测量技术 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

四、大地测量方法的发展 1 距离测量 （1）目估 （2）步量 （3）尺量 （4）常规测绘仪器测量----视距测量 （5）测距仪 （6）全站仪 （7）GPS （8）干涉仪

目测距离 目测距离，就是根据视力、目标清晰程度和实践经验来判定距离。目测距离的基本方法有比较法和判断法。 （l）比较法。就是把要测距离与某段已知距离（如电线杆距离、已测距离或自己熟悉的100米、200米、500米……等基本距离）相比较以求出距离。也可将要测的距离折半或分成若干段，分段比较，推算全长。 （2）判断法。就是根据目标的清晰程度来判断距离。在正常视力和气候条件下，可以分辨的目标距离可参考下表。但因各人的视力不同，使用此表时应根据自己的经验灵活掌握。

两种简易测定塔高（或楼高）的方法 方法一： 　　　　　就是根据塔楼的清晰程度来判断距离。在正常视力和气候条件下，根据各人的视力不同，根据自己的经验灵活掌握，由近到远清晰时的分辨距离，从而近似判断塔楼的高度。

距离（米） 　 目 标 清 晰 程 度　 100　 人脸特征、手关节、步兵火器外部零件可见。　 150~170　 衣服的钮扣、水壶、装备的细小部分可见。　 200　 房顶上的瓦片、树叶、铁丝可见。　 250~300　 墙可见缝,瓦能数沟;人脸五官不清,衣服颜色可见。　 400　 人脸不清,头肩可分。　 500　 门见开闭,窗见格,瓦沟条分不清;人头肩分不清,男女可分。　 700　 瓦面成丝,窗见衬;行人迈步分左右,手肘分不清。　 1000　 房屋轮廓清楚瓦片乱,门成方块窗衬消;人体上下一般粗。　 1500　 瓦面平光,窗成洞;行人似蠕动,动作分不清;树干、电杆可见　 2000　 窗是黑影,门成洞;人成小黑点,行动分不清。　 3000　 房屋模糊,门难辨,房上烟囱还可见。　

方法二： 　　　您找一位同志靠近宝塔站着。然后您后退远处，手持一支铅笔(或一根枝条)，并将手伸出去用大姆指指甲在铅笔上标出该同志的身高。再后您测定出塔高为身高的几倍，将所得的倍数乘以该同志的身高便求出了塔高。

方法三： 　　　取一面小镜子，用两个相似三角形的原理求解。如下图所示，在距宝塔20米处的地面上放一面小镜子C，然后您一步一步地退离镜子，直至您在镜子里可以看见塔顶的镜像为止。由于塔顶入射线BC和反射线CF分别与镜面构成等角a，直角三角形ABC与EFC相似，假定观测者眼睛距离地面的高度h为1．5米，由此可得一简单公式： 塔高H＝ h*D/d =1.5*20/d =30/d(m) 据此，只要丈量出您退离镜子的距离d，即可求得塔高。

方法四： 　　　把要估塔楼高度与某段已知某高度（如电线杆距离、已测距离或自己熟悉的100米、200米、500米……等基本距离）相比较以估计出塔高。 　方法五： 　　　可将塔楼的总高度折半、再折半分成若干分段，根据最后分段（地基以上的第一段）高度和倍数关系，推算塔楼全高 。

当代最精密测距的新仪器 用专制的因瓦杆尺、线尺进行测距和位移测量，精度可达±0.02毫米； 高精度的电磁波测距仪，特别是双色激光测距仪，1公里的测距精度可达±0.2毫米； 采用全球定位系统的空间测量技术，测量地面上相互不通视的两点距离的相对精度为百万分之0.5，即测量相距10公里的任意两点之间的距离精度为±5毫米； 利用多普勒频移效应测定位移的双频激光干涉仪的精度可高达±0.5微米／米，成为最精密的长度测量仪和精密测距中最重要的长度基准。

2 方位测量 目测（太阳、北斗星） 指南针 量角器 常规测绘仪器-----经纬仪 惯性导航系统 全站仪测量 GPS

3、高程测量 目视 大气压测量 三角高程测量 水准仪测量 全站仪测量 GPS

四、大地测量新仪器新技术及应用 ●全站型电子速测仪 1、精密测角仪器的发展 2、测距仪的发展 ——红外测距仪 50年代——垂直度盘自动归 零补偿器、光学对中器的改进。 60年代——读数的数字化与 自动化（电经）； 2、测距仪的发展 普通光源——激光测距仪 ——红外测距仪 ●全站型电子速测仪

3、精密水准仪的发展 平板玻璃测微器 自动安平水准仪 “摩托化”水准测量 数字水准仪

我国于1959年以前完成了一期一等水准，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。

4、计算机在测量上的应用 用于控制测量的数据处理 用于现代化数据采集 测绘资料档案管理信息系统的 建立

5、三维激光扫描系统 工作原理 三维激光扫描仪向目标发射激光脉冲，依次扫描被测区域，快速获得地面景观的三维坐标和反射光强，利用软件进行三维建模，生成地面景观的三维图象和可量测点阵数据，并可方便地转化为多种输出格式的图形产品。 1、体积小、重量轻，操作简单、装拆便利，具备良好的野外操作性能。 2、扫描范围大、速度快、精度高。 3、快速建立三维景观模型、图形图象数据一次获取。

6、GPS（Global Positioning System)系统 10个点控制整个北京1.68万平方公里

7、惯性导航系统（INS系统） 导航是引导载体到达预定目的地的过程。 导航分为无线电导航、天文导航、卫星导航及惯性导航。 惯性导航则是利用惯性测量元件测量载体相对于惯性空间的运动参数，然后在给定的初始条件下推算出导航参数，引导载体到达目的地的技术。 　 惯性导航技术的理论基础是牛顿力学基本定律。 　 惯性导航仅依靠惯性装置本身就能在载体内部独立地完成导航任务，不需要与外界发生任何信号联系，具有高度的自主性。 　 武器系统的发展和需求，促进了惯性技术的发展。 　 惯性导航装置最先用于飞机，以后成功地用于舰船。 　 80年代中期以后，以激光陀螺和光纤陀螺为基础的地面导航系统逐步发展起来。

五、大地测量展望 主导本学科发展的主要的空间大地测量技术 美国国防部自1973年开始研制的全球性的授时测距定位导航系统（Global Positioning System)简称GPS 。 前苏联也研制了相似的全球卫星导航系统（GLONASS(Global Navigation Satellite System)。 欧洲空间局也计划建立相应的全球卫星导航系统NAVSAT

主导本学科发展的主要的空间大地测量技术 激光测卫SLR(Satellite Laser Ranging)绝对定位技术。 卫星对卫星的在轨卫星之间激光测距系统 与已有的海洋卫星雷达测高系统组合成的全球陆地海洋卫星激光测高系统。 甚长基线干涉测量VLBI(Very Long Baseline Interferometry) 惯性测量系统INS(1nertial Navigation System)

空间大地网的建立： 用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器发展的地面基准等科技任务的基本技术方案。 精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标。

六、大地测量学作用示例

大地测量可预报地震 地球不停地运动变化，对地壳各部分岩层产生巨大地应力，使一些岩层发生褶皱变形。当地应力的作用逐渐加强，使褶皱变形逐渐加剧，在某处超过岩层的强度，就会在那里突发破裂或断裂错动。这时地应力所积累的能量就会急剧地释放出来，引起周围物质变动，产生地震波，从而在相当范围内引起地面震动，称为地震。 地震是有预兆的，震前必然有地壳形变，而大地测量可以发现这些前兆。在地震活动带布设水平和高程监测网，通过对这些网的重复水准测量、距离测量、角度测量、重力测量和GPS定位测量。根据对这些测量资料的分析和比对，就可以了解地壳水平形变和垂直形变的大小及趋势，为地震预测提供形变信息。

测定地球自转周期的变化 地球不停地绕着自转轴由西向东旋转，平均角速度为每秒7.292II5×10-5弧度，在地球赤道上的线速度为465米每秒。 天体东升西落的现象就是地球自转的反映。地球自转一周，相当于太阳从东升起、落下，再升起的一周，也是我们日常的一天。20世纪后，人们发现地球自转是不均匀的，每天的长短有微小的不同。地球自转周期主要有三种变化：长期变慢、不规则变化和周期变化。 地球自转周期的长期变慢，使日长在一个世纪内约增长0.0016秒，地球自转的长期减慢，可以通过对月球、太阳和行星的观测资料以及古代日食、月食资料的分析加以确认。引起地球自转长期变慢的主要原因是海水潮汐的摩擦阻力。另外，地球半径的胀缩，地核增生，地核与地慢之间的耦合也会引起地球自转的长期变化。 地球自转速度不规则变化的原因是地球内部物质的移动，地慢与地核之间的角动量变换或海平面的变化等因素。一年内最长一天与最短一天相差可达到1．5秒。 周期性变化又称为季节性变化。原因是地球大气中的气团随着季节而移动，使地球自转速度产生周期性变化。这种变化包含有一年、半年、一月、半月等周期。年周期中，春天变慢，秋天变快。

电磁波测距技术为大地测量带来了变革 电磁波测距技术的出现，使大地测量产生了五个方面的变革： 一、是三角测量中的起算边长,几乎全用电磁波测距,用基线尺直接丈量的方法已成为历史； 二、是导线测量、边角同测或三边测量的布网方式应用将越来越广泛，有逐步取代传统三角测量的趋势； 三、是用测角、测距合一的电子速测仪，按边角交会方式加密大地控制网将成为重要方法； 四、是测距高程导线替代三、四等水准测量传算高程，在山区、丘陵等困难地区已取得明显效益； 五、是测量地面站至人造卫星间距离的激光测卫，使测定地面点位置的精度大幅度提高，点与点之间的距离大大增大。

测绘在国家经济建设和发展中的作用 测绘是国家经济建设的先行。随着科学技术的飞速发展，测绘在国家经济建设和发展的各个领域中发挥着重要作用。 （1）城乡规划和发展离不开测绘。 （2）资源勘察与开发离不开测绘。工程师和科学家根据测量取得的重力场数据可以分析地下是否存在重要矿藏，如石油、天然气、各种金属等。 （3）交通运输、水利建设离不开测绘。如三峡工程从选址、移民，到设计大坝等测绘工作都发挥了重要作用。 （4）国土资源调查、土地利用和土壤改良离不开测绘。 （5）科学试验、高技术发展离不开测绘。如果没有测绘保障，就很难确定人造卫星的发射坐标点和发射方向，以及地球引力场对卫星飞行的影响等，因而也就不能将人造卫星准确地送入预定轨道。 （6）在人们日常生活和社会活动中，一图在手往往会带来很大方便。

大地板块在移动 证明板块运动的主要方法，是在各板块上设立固定观测站，利用空间测量技术，长期观测各站的位置及各站间长度、高差的变化。对各时期观测资料的分析，就可发现板块之间移动的速度和移动方向。 到1985年止，全球已建立了包括44 个站的板块运动监测网，其中北美板块上17个，欧亚板块上16个（包括我国的上海站），太平洋板块上4个，南美板块上3个，印澳板块上2个，阿拉伯板块上1个．纳斯卡板块上l个。 通过观测发现大西洋在扩大，太平洋在缩小。

山会长高，陆地会下沉 地壳在地球内部构造应力的作用下，引起地壳的一些构成要素相对运动称为地壳运动，它可以是水平运动、垂直运动或地倾斜运动。因此，山会长高，陆地也会下沉。 例如：喜马拉雅山受到印澳板块向欧亚板块俯冲的影响，每年上升的速率达1厘米。 沿海城市由于抽地下水的原因，就可能下沉。

洲际导弹发射和大地测量的关系 洲际导弹是一种无人驾驶的飞行器。它装有火箭发动机、和控制系统，其作用是把弹头沿一定的弹道送至目标区。当发射点和被打击目标一经确定，它的飞行轨道就能计算出来，并在导弹发射前由导弹控制系统予以认定。 它与大地测量关系主要有三个方面： (1)需要大地测量精确地测定发射点的坐标和基准方位角。根据发射点坐标和侦察判定的目标点坐标便可计算导弹的射程和方位；基准方位用是为导弹定向用的。 (2)需要大地测量提供全球和区域重力场模型。洲际导弹始终是在地球重力场中飞行的，时刻受到地球重力场的巨大作用，正确表示地球重力场的长波全球特性和建立发射区的详细重力场模型，是提高武器精度的关键。 （3）需要统一坐标系和进行大地位置计算。洲际导弹射程达1万公里，当测定了发射点坐标及获取了目标点坐标后，首先要将两点坐标归算到同一坐标系中，然后在椭球面上进行大地边长和大地方位角的解算。

谢谢!

大地测量学概论作业： 1、简述距离测量的方法及发展过程，并谈谈现实生活中如何较准确地目估某高楼的高度。 ２、举例说明大地测量有何作用 。