1、 大大 地地 测测 量量 学学 基基 础础 联系电话：联系电话：13627146757E-mail: S课程简介与基本要求课程简介与基本要求 课程简介课程简介 专业基础课，必修课；开课对象：测绘专业学生。专业基础课，必修课；开课对象：测绘专业学生。 为了适应新形势下教学的需要，在原有课程的基础上，为了适应新形势下教学的需要，在原有课程的基础上， 删除了陈旧过时的内容，增添了大量的新理论、新技术，删除了陈旧过时的内容，增添了大量的新理论、新技术，内容广泛。如地球重力学、实用天文学、椭球大地测量学、内容广泛。如地球重力学、实用天文学、椭球大地测量学、控制测量学、大地坐标系的建立与变换等相关内容。内
2、容控制测量学、大地坐标系的建立与变换等相关内容。内容广难深，授课课时短等特点。广难深，授课课时短等特点。 课程的教学安排课程的教学安排教学时间教学时间：共：共13周，总学时周，总学时52学时。学时。教学形式教学形式：以上课为主，自学为辅，包括上机计算、：以上课为主，自学为辅，包括上机计算、课间与课外实习、课堂练习等。课间与课外实习、课堂练习等。主要参考文献主要参考文献1地球形状与地球重力场地球形状与地球重力场宁津生等编宁津生等编2椭球大地测量学椭球大地测量学陈建等编陈建等编3大地坐标系的建立大地坐标系的建立朱华统编朱华统编4应用大地测量学应用大地测量学陈建等编陈建等编课程学习的具体要求课程学习
3、的具体要求第一章第一章 绪绪 论论 第一章 绪 论 1 大地测量学的定义和作用大地测量学的定义和作用 1.1大地测量学的定义大地测量学的定义 大地测量学是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描大地测量学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，为人类活动提供地绘地球形状及其重力场并监测其变化，为人类活动提供地球空间信息的一门学科。球空间信息的一门学科。 经典大地测量：经典大地测量：在一定范围内测绘地球，研究其形状、大在一定范围内测绘地球，研究其形状、大小及其外部重力场。但研究范围小，不适动态监测。小及其外部重力场。但研究范围小，不适动态监测。 现代大地测量现代大
4、地测量：以空间测绘技术以空间测绘技术(人造地球卫星、空间探测人造地球卫星、空间探测器器)为主要特征，研究空间精密定位理论、技术与方法。为主要特征，研究空间精密定位理论、技术与方法。 1.2大地测量学的作用大地测量学的作用大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济建大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济建设中发挥着基础性的作用。设中发挥着基础性的作用。如交通運輸、工程建設、土如交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等地管理、城市建設等 土地规划与城镇建设土地规划与城镇建设高速铁路建设高速铁路建设大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评
5、价与保护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等的監測與救援。的監測與救援。三峡库区滑坡监测三峡库区滑坡监测GPS大坝监测大坝监测大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如:卫卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟踪、星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟踪、返回工作需要大地测量作保证。返回工作需要大地测量作保证。大地测量在地球科学研究中的地位显得越来越重要。综大地测量在地球科学研究中的地位显得越来越重要。综合各种大地测量技术与方法，能以高空间分辨率与时间分合各种大地测量技
6、术与方法，能以高空间分辨率与时间分辨率测定全球、地区或局部的地壳运动，与其它地学学科辨率测定全球、地区或局部的地壳运动，与其它地学学科一起共同揭示地球内部的奥秘。一起共同揭示地球内部的奥秘。大地测量是其它测绘分支学科的基础。该学科的发展极大地测量是其它测绘分支学科的基础。该学科的发展极大的影响其它学科的发展。大的影响其它学科的发展。2 大地测量学基本体系和内容大地测量学基本体系和内容 2.1大地测量学的基本体系大地测量学的基本体系 应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重力测量、应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重力测量、测量平差等；新分支：测量平差等；新分支： 海样大地测
7、量、行星大地测量、卫星大地海样大地测量、行星大地测量、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。大地测量的基本体系概括为测量、地球动力学、惯性大地测量。大地测量的基本体系概括为以下三个分支以下三个分支l几何大地测量学（即天文大地测量学）几何大地测量学（即天文大地测量学） 基本任务：基本任务：确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。 主要内容：主要内容：国家大地测量控制网国家大地测量控制网(包括平面控制网和高程控制网包括平面控制网和高程控制网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测
8、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。地球椭球几何参数的数学模型等。l物理大地测量学：即理论大地测量学物理大地测量学：即理论大地测量学 基本任务：基本任务：是用物理方法是用物理方法(重力测量重力测量)确定地球形状及其确定地球形状及其外部重力场。外部重力场。 主要内容：主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及其包括位理论，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。归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。l空间大地测量学：空间大地测量学： 主要研究以人造地球
9、卫星、空间探测器为代表的空间主要研究以人造地球卫星、空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。大地测量的理论、技术与方法。 2.2 大地测量学的基本内容大地测量学的基本内容 v 确定地球形状及外部重力场确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，研究地壳及其随时间的变化，研究地壳形变形变(包括垂直升降及水平位移包括垂直升降及水平位移)，测定极移以及海洋水面地形，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。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。v 建立和维持国家和全球的测绘基准、坐标系统建立和维持国家和全球的测绘基准、坐标系统（天文大地（天文大地水平
10、控制网、工程控制网和精密水准网以及海洋大地控制网），水平控制网、工程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。以满足国民经济和国防建设的需要。v 研究为获得高精度测量成果的仪器和技术方法研究为获得高精度测量成果的仪器和技术方法。研究地球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。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。v 研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网的研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网的数据处数据处理的理论和方法理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。，测量数据库建立及应用等。 现代大地测量的特征：现代大地测量的特
11、征： 研究范围大（全球：如地球两极、海洋）研究范围大（全球：如地球两极、海洋） 从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。 观测精度高，相对精度达到观测精度高，相对精度达到10-810-9，绝对精度毫米。，绝对精度毫米。 测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。 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：地球圆球阶段第一阶段：地球圆球阶段 从远古至从远古至17世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线上世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线
12、上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而推得两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而推得地球半径（弧度测量地球半径（弧度测量 ）。）。 第二阶段：地球椭球阶段第二阶段：地球椭球阶段 从从17世纪至世纪至19世纪下半叶，在这将近世纪下半叶，在这将近200年期间，人们把地年期间，人们把地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。 球形地球球形地球公元前世纪希腊毕达公元前世纪希腊毕达哥拉斯提出哥拉斯提出“地圆说地圆说” 扁球形地球扁球形地球牛顿提出牛顿提出“地扁说地扁说”大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器；大地测量仪器：望远镜，游标尺
13、，十字丝，测微器； 大地测量方法：大地测量方法：1615年荷兰斯涅耳年荷兰斯涅耳(W.Snell)首创三角测量法首创三角测量法; 行星运动定律：行星运动定律：1619年德国的开普勒发表了行星运动三大定律；年德国的开普勒发表了行星运动三大定律； 重力测量：重力测量：1673年荷兰的惠更斯提出用摆进行重力测量的原理；年荷兰的惠更斯提出用摆进行重力测量的原理； 英国物理学家牛顿英国物理学家牛顿(L.Newton)提出地球特征：提出地球特征：1）是两极扁平的旋）是两极扁平的旋转椭球，其扁率等于转椭球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向两极与）重力加速度由赤道向两极与sin(地理纬度地理纬度)
14、成比例地增加。成比例地增加。 几何大地测量标志性成果：几何大地测量标志性成果： 1)1)长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作为长度单位为长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作为长度单位为1 1m m。 2) 2)最小二乘法的提出：法国的勒让德最小二乘法的提出：法国的勒让德，德国的高斯德国的高斯. . 3) 3)椭球大地测量学的形成：解决了椭球上测量计算问题。椭球大地测量学的形成：解决了椭球上测量计算问题。 4) 4)弧度测量大规模展开。主要有以英、法、西班牙为代表的西欧弧度测弧度测量大规模展开。主要有以英、法、西班牙为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、美国等为代表的三角测量。量，以
15、及德国、俄国、美国等为代表的三角测量。 5) 5)推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、克拉克椭球参数。克拉克椭球参数。物理大地测量标志性成就：物理大地测量标志性成就：1)克莱罗定理的提出：法国学者克莱罗(A.C.Clairaut)假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体，这些椭球面都是重力等位面(即水准面)。该椭球面上纬度的一点的重力加速度按下式计算：)sin1 (2eq25eaq22)2)重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法国的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这国的勒让德
16、提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。研三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。研究地球形状可借助于研究等位面。因此，位函数把地球形究地球形状可借助于研究等位面。因此，位函数把地球形状和重力场紧密地联系在一起。状和重力场紧密地联系在一起。3)3)地壳均衡学说的提出：英国的普拉特地壳均衡学说的提出：英国的普拉特( (J.H.Pratt)J.H.Pratt)和艾黎和艾黎( (G.B.Airy)G.B.Airy)几乎同时提出地壳均衡学说，根据地
17、壳均衡学几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳均衡学说可导出均衡重力异常以用于重力归算说可导出均衡重力异常以用于重力归算。4)4)重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以及重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了重力测量用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了重力测量的发展的发展。几何大地测量学进展：几何大地测量学进展： 天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立（18001900印度，一等三角网印度，一等三角网2万公里，平均边长万公里，平均边长45公里；公里；19111
18、935美国一等美国一等7万公里；万公里；1924-1950苏联，苏联，7万多公里万多公里) 因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器水准仪及因瓦水准尺使用。因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器水准仪及因瓦水准尺使用。 l第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段 从从19世纪下半叶至世纪下半叶至20世纪世纪40年代，人们将对椭球的认识发展年代，人们将对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。到是大地水准面包围的大地体。 梨形地球梨形地球 20 20世纪世纪5050年代卫星大地测量年代卫星大地测量 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
19、论的提出 英国学者斯托克司英国学者斯托克司( (G.G.Stokes)G.G.Stokes)把真正的地球重力位分把真正的地球重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，在某些假定条件下进行简化，通过重力异重力异常两部分，在某些假定条件下进行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式常的积分，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。后来，荷兰学者维宁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)根据斯托克司公式推出了以
20、大地水准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。面为参考面的垂线偏差公式。 2.2.提出了新的椭球参数提出了新的椭球参数 赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球等。赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球等。我国高精度天文大地网的建立我国高精度天文大地网的建立 1951-1975年：一等三角点年：一等三角点5万多个，全长万多个，全长7.5多万公里，二等锁，一多万公里，二等锁，一等导线等，等导线等，19721982年平差数据处理，年平差数据处理，1980国家大地坐标系。国家大地坐标系。我国高精度重力网的建立我国高精度重力网的建立 1981年开始绝对与相对重力测量，年开始绝
21、对与相对重力测量，11个绝对重力点（基准点个绝对重力点（基准点），），40多个（基本点），重力网的平差，多个（基本点），重力网的平差，1985年国家重力基年国家重力基本网形成。本网形成。 主要技术主要技术 EDM, GPS, VLBI: SLR; INS: 20世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新的测量技术的出现，给传统的大地测基线干涉测量等为代表的新的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量技术为代量带来了革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量技术为代表的现代大
22、地测量发展的新时期。表的现代大地测量发展的新时期。l第四阶段第四阶段：现代大地测量新时期现代大地测量新时期 3.2 大地测量的展望大地测量的展望 全球卫星定位系统全球卫星定位系统( (GPS)GPS)，激光测卫激光测卫( (SLR)SLR)以及甚长基线干涉以及甚长基线干涉测量测量( (VLBI),VLBI),惯性测量统惯性测量统( (INS)INS)是主导本学科发展的主要是主导本学科发展的主要空间空间大地测量技术大地测量技术 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、多用途的技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网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，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科技任务的主要技术方案。主要技术方案。 精化地球重力场模型是大地测量学的精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标重要发展目标。
