測量基礎(chǔ)培訓(xùn)課件-2-基準(zhǔn)篇

1、測量基礎(chǔ)講座(jingzu)-基準(zhǔn)篇測量(cling)服務(wù)中心共三十五頁內(nèi)容提要(ni rn t yo)大地基準(zhǔn)大地測量系統(tǒng)大地測量參考框架(kun ji)高程基準(zhǔn)、系統(tǒng)與框架共三十五頁一、大地(dd)基準(zhǔn)引言 就如同數(shù)學(xué)上表示一個(gè)點(diǎn)的位置(wi zhi)要用到坐標(biāo)系一樣，測量上表示點(diǎn)的空間位置(wi zhi)也要用到坐標(biāo)系。不過所不同的是，測量上所要表示點(diǎn)的空間位置(wi zhi)，通常是相對于地球參照系的絕對位置(wi zhi)，這就必須有一個(gè)與地球密切相關(guān)的起算基準(zhǔn)。共三十五頁一、大地(dd)基準(zhǔn)術(shù)語(shy)大地基準(zhǔn)：分為坐標(biāo)基準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)等，有時(shí)特指坐標(biāo)基準(zhǔn)。它規(guī)定了大地坐標(biāo)和海拔高

2、程的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)點(diǎn)，是建立大地測量系統(tǒng)和推算大地控制網(wǎng)中各點(diǎn)坐標(biāo)和高程等的起算依據(jù)。坐標(biāo)基準(zhǔn)：通常是由一個(gè)確定的地球橢球（對應(yīng)一組大地測量常數(shù)）和一個(gè)具有象征意義的大地原點(diǎn)及其對應(yīng)的一組起算數(shù)據(jù)組成的。 共三十五頁一、大地(dd)基準(zhǔn)術(shù)語大地測量常數(shù)：是指與地球一起旋轉(zhuǎn)且和地球表面最佳吻合的地球橢球參數(shù)，按計(jì)算次序分為基本常數(shù)和導(dǎo)出常數(shù)，也可按屬性分為幾何常數(shù)和物理常數(shù)?；境?shù)有四個(gè)，即赤道半徑(bnjng)、地心引力常數(shù)、地球動(dòng)力學(xué)形狀因子和地球自轉(zhuǎn)角速度；導(dǎo)出常數(shù)常用的有極半徑(bnjng)、幾何扁率、第一偏心率、第二偏心率、橢球面正常重力位等。 共三十五頁一、大地(dd)基準(zhǔn)術(shù)語大地起

3、算數(shù)據(jù)：是指大地原點(diǎn)的大地經(jīng)度、大地緯度、大地高程和至一相鄰點(diǎn)的大地方位角。是通過在大地原點(diǎn)上測定天文經(jīng)緯度、天文方位角，規(guī)定大地水準(zhǔn)面差距和垂線偏差（兩個(gè)分量）來獲取的。其實(shí)質(zhì)是參考橢球與地球（大地體）之間的3個(gè)定位(dngwi)參數(shù)和3個(gè)定向參數(shù)。共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)術(shù)語(shy)大地測量系統(tǒng)：分為坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)等，有時(shí)特指坐標(biāo)系統(tǒng)。它規(guī)定了大地基準(zhǔn)、尺度標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)方式（包括理論、模型和方法）。大地坐標(biāo)系統(tǒng)：是一種與地球固定在一起并隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)的非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)。按原點(diǎn)位置的不同分為地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系，按表現(xiàn)形式的不同分為空間直角坐標(biāo)系和空間大地坐標(biāo)

4、系。共三十五頁坐標(biāo)系分類（按原點(diǎn)位置）：地心坐標(biāo)系：以地球(dqi)質(zhì)心（總地球(dqi)橢球中心）為原點(diǎn)， Z軸（橢球旋轉(zhuǎn)軸）指向國際時(shí)間局定義的某一歷元協(xié)議地極，X軸指向零子午線與橢球赤道的交點(diǎn)，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。參心坐標(biāo)系：以參考橢球中心為原點(diǎn)， Z軸（橢球旋轉(zhuǎn)軸）與某一歷元地球自轉(zhuǎn)軸平行 ， X軸與零子午面平行，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)共三十五頁從19世紀(jì)中葉以來， 世界上許多國家或國際組織，為滿足本國或國際社會(huì)的需要，先后建立了100余種區(qū)域性的參心大地坐標(biāo)系統(tǒng)，如： 蘇聯(lián)1942普爾科沃坐標(biāo)系 中國1980國家大地坐標(biāo)

5、系自20世紀(jì)80年代至今，隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些(yxi)國家或國際組織先后建立了全球性的地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)，如： 國際地面參考系統(tǒng)（ITRS） 1984世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)（WGS84）二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)共三十五頁坐標(biāo)系分類（按表現(xiàn)形式）：空間直角坐標(biāo)系：以橢球中心為原點(diǎn)，橢球旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，X軸指向于起始子午面與橢球赤道面的交點(diǎn)，Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。空間大地坐標(biāo)系：以橢球旋轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)軸，橢球赤道面、起始子午面和橢球體面為基準(zhǔn)面，空間一點(diǎn)的橢球面法線為基準(zhǔn)線，點(diǎn)的位置用大地經(jīng)度L ，大地緯度B和大地高H表示。平面直角坐標(biāo)系：是利用(lyng)投影變換，將球面坐

6、標(biāo)（L ，B）通過某種數(shù)學(xué)變換映射為平面坐標(biāo)（x，y) 。二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)空間(kngjin)直角坐標(biāo)系與空間(kngjin)大地坐標(biāo)系PYXBYXZHl共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)變換與坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)變換：將一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)變換為另一坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。坐標(biāo)系統(tǒng)變換可通過七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)（各模型等價(jià)），而轉(zhuǎn)換模型七參數(shù)可借助公共點(diǎn)對反求（精度與模型精度、公共點(diǎn)對精度和分布有關(guān)）。坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換：將一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中一種形式的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為同一坐標(biāo)系統(tǒng)中的另一坐標(biāo)形式?？臻g直角坐標(biāo)與空間大地

7、(dd)坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換需要橢球參數(shù)，空間大地(dd)坐標(biāo)與平面坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換需要投影參數(shù)。共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)幾個(gè)常用的坐標(biāo)系：1954北京坐標(biāo)系1980國家(guji)大地坐標(biāo)系 1984世界大地坐標(biāo)系WGS84共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)1954北京坐標(biāo)系：該坐標(biāo)系源自于蘇聯(lián)1942普爾科沃坐標(biāo)系，采用的橢球是克拉索夫斯基橢球，參數(shù)為：a=6378245，f=1/298.3；起算數(shù)據(jù)通過聯(lián)測由蘇聯(lián)遠(yuǎn)東經(jīng)東北（三個(gè)基線網(wǎng)）傳到北京（推算出北京一主干三角點(diǎn)的大地坐標(biāo)和該點(diǎn)至另一點(diǎn)的大地方位角）。 該坐標(biāo)系橢球的參數(shù)與現(xiàn)代橢球參數(shù)差異較大；橢球的定位、

8、定向不準(zhǔn)確，導(dǎo)致參考橢球面與大地水準(zhǔn)面在我國范圍內(nèi)呈西高東低的系統(tǒng)性傾斜（全國平均+29米，東部最大達(dá)+68米）。1954北京坐標(biāo)系和蘇聯(lián)1942普爾科沃坐標(biāo)系的區(qū)別在于：（1）1954北京坐標(biāo)系的高程(gochng)是以1956年青島驗(yàn)潮站確定的黃海平均海水面為基準(zhǔn)；（2）高程(gochng)異常是以蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的結(jié)果為起算值，按我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的。 共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)1980國家大地坐標(biāo)系：地球橢球參數(shù)是IAG 1975年的推薦值： a=6378140 f =1/298.257 橢球的短軸平行于地球的自轉(zhuǎn)軸（由地球質(zhì)心指向1968

9、.0 JYD地極原點(diǎn)方向），起始大地子午面平行于起始天文子午面（歐拉角=0），定位采用多點(diǎn)定位（選取922點(diǎn)，按橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)符合最好為條件解得垂線(chu xin)偏差和高程異常等）。大地原點(diǎn)：位于陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)北洪流村。1980國家大地坐標(biāo)系天文大地網(wǎng)屬整體平差。共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)新1954北京坐標(biāo)系：新1954北京坐標(biāo)系是介于1980國家大地坐標(biāo)系和1954北京坐標(biāo)系之間的一種“協(xié)定”坐標(biāo)系。又名1954北京坐標(biāo)系（整體平差轉(zhuǎn)換(zhunhun)值）。該坐標(biāo)系的橢球參數(shù)與1954北京坐標(biāo)系一樣；坐標(biāo)原點(diǎn)與1954北京坐標(biāo)系重合；坐標(biāo)軸系與

10、1980坐標(biāo)系平行；大地原點(diǎn)與1980坐標(biāo)系相同但起算數(shù)據(jù)不同。該坐標(biāo)系提供的坐標(biāo)是經(jīng)全國天文大地網(wǎng)整體平差的結(jié)果，其點(diǎn)位精度與1980國家大地坐標(biāo)系相同，但坐標(biāo)值與1954年北京坐標(biāo)系接近。共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)1984世界大地坐標(biāo)系（WGS84）：由美國國家影像制圖局（原國防部測繪局）推出。橢球參數(shù)：a=6378137.0，f =1/298.257223563 。屬于地心地固坐標(biāo)系（協(xié)議地面參考系）：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心， Z軸指向國際時(shí)間局BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向， X軸指向國際時(shí)間局BIH1984.0定義的零子午線和赤道的交點(diǎn)，Y軸通過右

11、手規(guī)則確定。 WGS84通過全球定位系統(tǒng)跟蹤站來實(shí)現(xiàn)(shxin)和維持（精化）。GPS所采用的大地常數(shù)和參考框架幾經(jīng)變化。WGS84原始定義參考框架精度12m ； 1994年推出WGS84（G730）；1996年推出WGS（G873），目前它的參考框架與ITRF94的一致性在5cm左右，與IGS的精密星歷各分量的差別在3cm左右。共三十五頁二、大地測量(d d c ling)系統(tǒng)1984世界大地坐標(biāo)系（WGS84）：WGS84附加了全球性地球重力場模型EGM96：是NIMA、NASA等利用地面重力異常數(shù)據(jù)、衛(wèi)星(wixng)跟蹤數(shù)據(jù)等通過積分計(jì)算推到出的最高達(dá)360階次（130317個(gè)系數(shù)）

12、的地球引力位球諧展開表達(dá)式。共三十五頁三、大地測量參考(cnko)框架術(shù)語大地測量參考框架：是大地測量系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用形式。通常是由一系列點(diǎn)所組成的、按一定模式構(gòu)建的大地控制網(wǎng)。分為坐標(biāo)框架和高程(gochng)框架等。大地測量坐標(biāo)框架：傳統(tǒng)的大地測量坐標(biāo)框架通常是由一系列點(diǎn)所組成的、按一定模式構(gòu)建的大地控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)和維持的。分為地心坐標(biāo)框架和參心坐標(biāo)框架。共三十五頁三、大地測量(d d c ling)參考框架坐標(biāo)框架的分類：地心坐標(biāo)框架：定義在總橢球和地心坐標(biāo)系統(tǒng)中，現(xiàn)代地心坐標(biāo)框架通常是一種動(dòng)態(tài)的、三維的、全球性的坐標(biāo)框架。國際公認(rèn)的應(yīng)用最廣精度最高的地心坐標(biāo)框架是國際地面參考框架（IT

13、RF），它是國際地面參考系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和維持。參心坐標(biāo)框架：定義在參考橢球和參心坐標(biāo)系統(tǒng)中，通常是一種靜態(tài)(jngti)的、二維的、區(qū)域性的坐標(biāo)框架。20世紀(jì)，世界絕大部分國家或地區(qū)都采用天文大地網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)和維持自己的參心坐標(biāo)框架。共三十五頁三、大地測量(d d c ling)參考框架國際地面參考框架由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局（IERS，總部設(shè)在法國巴黎）建立和維持，自1988年開始陸續(xù)發(fā)布ITRF88/89/90/91/92/93/94/96/97/2000等， 2006年10月最新發(fā)布ITRF2005。采用甚長基線干涉（VLBI）、衛(wèi)星激光測距（SLR）、GPS等空間大地測量技術(shù)構(gòu)成全球觀測網(wǎng)點(diǎn)，經(jīng)綜

14、合處理，獲得觀測網(wǎng)點(diǎn)（框架點(diǎn)）的坐標(biāo)和速度，以及相應(yīng)(xingyng)的橢球定位定向參數(shù)。共三十五頁三、大地測量參考(cnko)框架我國的地心坐標(biāo)框架中國GPS2000網(wǎng)是定義在ITRS200地心坐標(biāo)系統(tǒng)(xtng)中的區(qū)域性地心坐標(biāo)框架，是地心坐標(biāo)系統(tǒng)(xtng)在我國范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)和維持。 中國GPS2000網(wǎng)是由國家測繪局布設(shè)的GPS A、B級網(wǎng)，總參測繪局布設(shè)的GPS一、二級網(wǎng)，中國地震局、中國科學(xué)院、總參測繪局、國家測繪局共建的中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)組成。共28個(gè)連續(xù)運(yùn)行站、2518個(gè)點(diǎn)。中國GPS2000網(wǎng)整合了上述三網(wǎng)的觀測成果，通過聯(lián)合處理形成了統(tǒng)一的坐標(biāo)參考框架，精度優(yōu)于10-8

15、，可滿足現(xiàn)代測量技術(shù)對地心坐標(biāo)的需求，為建立我國新一代的地心坐標(biāo)系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。共三十五頁三、大地測量(d d c ling)參考框架共三十五頁三、大地測量參考(cnko)框架我國的參心坐標(biāo)框架20世紀(jì)5080年代建立的全國天文大地網(wǎng)（國家平面控制網(wǎng)），分別定義在1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系中。國家平面控制網(wǎng)包含三角點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)共 154348個(gè)。主要通過三角測量來建立，因而相應(yīng)(xingyng)的網(wǎng)（點(diǎn)）又稱為國家三角網(wǎng)（點(diǎn)）。國家三角網(wǎng)劃分為一、二、三、四幾個(gè)等級。國家三角點(diǎn)的平面坐標(biāo)采用高斯克呂格平面坐標(biāo)系統(tǒng)，所有國家三角點(diǎn)均提供大地經(jīng)緯度和高斯平面直角坐標(biāo)。共三十五頁三、

16、大地測量(d d c ling)參考框架共三十五頁四、高程基準(zhǔn)、系統(tǒng)(xtng)和框架1、高程基準(zhǔn)：術(shù)語： 它規(guī)定了海拔高程的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)點(diǎn)，是建立高程系統(tǒng)和推算大地控制網(wǎng)中各點(diǎn)高程的起算依據(jù)。通常以某驗(yàn)潮站長期觀測所獲得的平均海水面作為起算面（即高程為0）；同時(shí)，在其附近陸地(ld)面設(shè)置一固定點(diǎn)（水準(zhǔn)原點(diǎn)），通過精密水準(zhǔn)聯(lián)測確定水準(zhǔn)原點(diǎn)的海拔高程，作為起算點(diǎn)。共三十五頁四、高程(gochng)基準(zhǔn)、系統(tǒng)和框架我國的高程基準(zhǔn)： 以青島大港驗(yàn)潮站觀測所獲得的黃海平均(pngjn)海水面作為起算面（即高程為0），以青島觀象山上設(shè)置的“中華人民共和國水準(zhǔn)原點(diǎn)” 作為起算點(diǎn)。1987年前采用“195

17、6黃海高程基準(zhǔn)”，其水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為72.289m 。1988年1月1日起啟用“1985國家高程基準(zhǔn)”，其水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為72.2604m。共三十五頁四、高程基準(zhǔn)(jzhn)、系統(tǒng)和框架2、高程系統(tǒng)：術(shù)語：它規(guī)定了高程基準(zhǔn)、尺度標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)及其傳遞方式等。按采用基準(zhǔn)面的不同，或者對水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采取處理方法的不同，分為正高、正常高和大地高等系統(tǒng)。正高系統(tǒng)：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面。由地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離稱為正高（海拔高）。實(shí)際上正高難以精確獲得。正常高系統(tǒng)：以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面。由地面點(diǎn)沿鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面（非常接近大地水準(zhǔn)面，可由物理大地測量方法確定）的距離稱為正常高（似海拔高

18、）。大地高系統(tǒng)：以參考橢球面為基準(zhǔn)面。由地面點(diǎn)沿法線到參考橢球面的距離稱為大地高（也稱橢球高）。共三十五頁四、高程(gochng)基準(zhǔn)、系統(tǒng)和框架高程(gochng)系統(tǒng)之間的關(guān)系 =高程異常h = H - 地球表面橢球面似大地水準(zhǔn)面 共三十五頁四、高程(gochng)基準(zhǔn)、系統(tǒng)和框架高程系統(tǒng)之間的關(guān)系大地高（ Hd）與正高（Hg ）的關(guān)系： Hd= Hg+ N N為大地水準(zhǔn)面高或大地水準(zhǔn)面差距，由于不能精確獲得地面點(diǎn)的正高和大地水準(zhǔn)面差距，因此不能按上式求得大地高。大地高（ Hd）與正常高（H）的關(guān)系： Hd= H + 為高程異常，可根據(jù)重力測量資料直接計(jì)算或通過天文重力水準(zhǔn)方法求得，正常高

19、可通過水準(zhǔn)測量加重力異常改正求得，因此可以按上式求得大地高。另外，通過三角(snjio)高程測量所獲得的兩點(diǎn)之間的高差，如果消除垂線偏差的影響，就是兩點(diǎn)之間的大地高高差。共三十五頁四、高程(gochng)基準(zhǔn)、系統(tǒng)和框架我國的高程系統(tǒng)(xtng)（正常高系統(tǒng)(xtng)）1956黃海高程系：以青島驗(yàn)潮站19501956年觀測資料所確定的平均海水面作為高程基準(zhǔn)面（稱為“1956年黃海平均海水面” ，并在青島市觀象山建立一個(gè)全國統(tǒng)一的高程起算點(diǎn)（稱為“水準(zhǔn)原點(diǎn)”，其高程為72.289m），以此為根據(jù)建立的高程控制網(wǎng)均屬1956年黃海高程系。 1985國家高程基準(zhǔn)：以青島驗(yàn)潮站19521979年觀測

20、資料所確定的平均海水面作為高程基準(zhǔn)面，“水準(zhǔn)原點(diǎn)”的高程為72.2604m，即1985國家高程基準(zhǔn)的平均海水面比1956年黃海高程系的平均海水面高0.0286m 。共三十五頁四、高程基準(zhǔn)、系統(tǒng)(xtng)和框架3、高程框架高程框架是高程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。高程框架一般通過(tnggu)高精度水準(zhǔn)控制網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，或者通過(tnggu)（似）大地水準(zhǔn)面模型來實(shí)現(xiàn)。共三十五頁四、高程(gochng)基準(zhǔn)、系統(tǒng)和框架外國的高程框架近年來，許多(xdu)國家和組織先后推出了各自的（似）大地水準(zhǔn)面模型。歐洲的EGG94/95/96/97系列似大地水準(zhǔn)面模型。美國的GEOID90/93/96/99系列大地水準(zhǔn)面模型。美國的EGM96 具有兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品形式：全球大地水準(zhǔn)面高（高程異常）格網(wǎng)（