第二章 (2)大地測(cè)量學(xué).ppt

1、,第二章 大地測(cè)量學(xué),海洋科學(xué)學(xué)院海洋信息工程系,沈蔚 博士,空間測(cè)量與制圖 4209903,2007-6-8,2,測(cè)繪的基礎(chǔ)-大地測(cè)量是一項(xiàng)具有超前性的測(cè)繪基礎(chǔ)工作。也是國(guó)家地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架。 我國(guó)大地測(cè)量是隨著中華人民共和國(guó)誕生而起步的,經(jīng)過(guò)近六十年來(lái)大地測(cè)量工作者的努力,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)提供了服務(wù),為科學(xué)研究提供了大量的精確數(shù)據(jù)。,測(cè)繪的基礎(chǔ) - 大地測(cè)量,2007-6-8,3,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù)、體系和主要技術(shù)手段 2.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué) 6.我國(guó)大

2、地測(cè)量的回顧和展望,2007-6-8,4,1. 大地測(cè)量的任務(wù), 體系和主要技術(shù)手段,學(xué)科性質(zhì)：地球科學(xué)(地學(xué)) 學(xué)科任務(wù)：獲取和研究地球幾何空間的和地 球重力場(chǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息。 內(nèi)容舉例： 測(cè)定地球形狀大??； 測(cè)定地面點(diǎn)空間坐標(biāo)； 點(diǎn)間距離和方向； 測(cè)定和描述地球重力場(chǎng)等。,2007-6-8,5,大地測(cè)量的任務(wù)（舉例）,確定地球大小,形狀,旋轉(zhuǎn)及其變化； 確定地球上點(diǎn)的位置,高程以及它們的變化； 提供地球上點(diǎn)的重力信息及其變化; 提供坐標(biāo)基準(zhǔn),高程基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn),為地理信息系統(tǒng)和測(cè)制地圖提供基礎(chǔ)框架； 為工程設(shè)計(jì), 施工提供測(cè)繪服務(wù)； 為國(guó)防提供測(cè)繪服務(wù)。,2007-6-8,6,學(xué)科分支(

3、體系),1. 實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 2. 橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué)； 3. 物理(重力)大地測(cè)量學(xué)； 4. 空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué)。,2007-6-8,7,1.大地測(cè)量的任務(wù)、體系和主要技術(shù)手段 主要技術(shù)手段,經(jīng)緯儀角度測(cè)量； 水準(zhǔn)儀高程測(cè)量； 激光測(cè)距儀距離測(cè)量。 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)； 衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)； 全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)； 衛(wèi)星測(cè)高(SA)。,經(jīng)典大地測(cè)量 技術(shù),空間大地測(cè)量技術(shù),2007-6-8,8,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù),體系和主要技術(shù)手段 2.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué)

4、 6.我國(guó)大地測(cè)量的回顧和展望,2007-6-8,9,2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家平面控制測(cè)量（1）,點(diǎn)位的傳遞與控制 傳遞： 控制：,XA，XB XP XB，XC XP” 檢查： XP - XP” =? 提高精度: (XP+ XP” )/2,2007-6-8,10,2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家平面控制測(cè)量（2）,建立原則：逐級(jí)控制，布滿全國(guó)。 按等級(jí)高低分為：IIV等4級(jí)控制網(wǎng)類型： 測(cè)角三角網(wǎng) 邊角導(dǎo)線網(wǎng) 測(cè)邊網(wǎng),2007-6-8,11,經(jīng) 緯 儀,2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家平面控制測(cè)量（2）,2007-6-8,12,測(cè)距儀及反射棱鏡,2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家平面控制測(cè)量（2）,2007-6-8,13,全國(guó)

5、天文大地網(wǎng)共包含三角點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)48433個(gè),拉普拉斯點(diǎn)458個(gè),長(zhǎng)度起始邊467條,由此組成了全國(guó)范圍的參考框架,是國(guó)家各部門進(jìn)行測(cè)繪工作的基礎(chǔ)。,全國(guó)天文大地網(wǎng) A Sketch of the National Geodetic Control Network of China,平面基準(zhǔn),全國(guó)天文大地網(wǎng),中華人民共和國(guó)大地原點(diǎn)，是1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系起算點(diǎn)。大地原點(diǎn)位于陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)店北洪流村。,平面基準(zhǔn),大地原點(diǎn),2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家高程控制測(cè)量,儀器：水準(zhǔn)儀 測(cè)高原理,水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)尺,2.應(yīng)用大地測(cè)量 國(guó)家高程控制測(cè)量,2007-6-8,17,我國(guó)于1959年以前完成了一期一等水

6、準(zhǔn)，1976年至1980年完成二期一等水準(zhǔn)，并利用青島大港驗(yàn)潮站1952年至1979年的潮沒(méi)觀測(cè)資料計(jì)算的平均海水面，命名為1985國(guó)家高程基準(zhǔn),為72.2604m。1991年至1998年國(guó)家測(cè)繪局又對(duì)二期水準(zhǔn)進(jìn)行了復(fù)測(cè),總長(zhǎng)為 9.77萬(wàn)公里。,全國(guó)一二等水準(zhǔn)路線,高程基準(zhǔn),2007-6-8,18,水準(zhǔn)原點(diǎn),水準(zhǔn)原點(diǎn)位于青島市觀象山，是全國(guó)高程控制網(wǎng)的起算點(diǎn),原點(diǎn)高程(1985)高出黃海平均海水面72. 2604米。,高程基準(zhǔn),2007-6-8,19,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù),體系和主要技術(shù)手段 2.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間

7、(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué) 6.我國(guó)大地測(cè)量的回顧和展望,2007-6-8,20,橢球面大地測(cè)量學(xué)的主要內(nèi)容,地球形狀; 橢球面上幾何元素(點(diǎn).線.面)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系； 橢球面上計(jì)算點(diǎn)的大地坐標(biāo),邊長(zhǎng)和方位角； 橢球面上幾何元素變換到平面上的投影； 建立大地坐標(biāo)系的理論和方法。 ,3.橢球面大地測(cè)量學(xué),2007-6-8,21,為了描述地球橢球的形狀，綜合了天文,大地,重力,人衛(wèi)等資料, 給出了不同的地球參考橢球的參數(shù),以適應(yīng)各個(gè)國(guó)家的測(cè)量需求。,地球參考橢球,克拉索夫斯基橢球,1954年北京坐標(biāo)系,1980年西安坐標(biāo)系,美國(guó)GPS坐標(biāo)系,IAG-75橢球,WGS84橢球,3.橢球面大地測(cè)量學(xué),2007

8、-6-8,22,橢球面幾何元素(點(diǎn)線面)的數(shù)學(xué)關(guān)系,如何解算橢球面上兩點(diǎn)間距離最短連線(大地線)； 如何解算由大地線圍成的橢球面三角形； 橢球面上坐標(biāo)、邊長(zhǎng)和方位角計(jì)算問(wèn)題。,大地測(cè)量主題,正主題: 已知P1( B1L1), A12, S12 , 求 P2(B2 L2), A21 反主題: 已知P1(B1L1), P2(B2L2)，求 S12, A12, A21,3.橢球面大地測(cè)量學(xué),PN: P點(diǎn)橢球面法線 B: P點(diǎn)大地緯度 L: P點(diǎn)大地經(jīng)度 H: H=PP, P點(diǎn)大地高 X, Y, Z: P點(diǎn)的空間直角坐標(biāo),3.橢球面大地測(cè)量學(xué),大地坐標(biāo)系(1) -坐標(biāo):(B,L,H) (X,Y,Z),

9、2007-6-8,24,大地坐標(biāo)系(3) -坐標(biāo)框架,在大地坐標(biāo)系或空間直角坐標(biāo)系中精密測(cè)定了點(diǎn)位坐標(biāo)的地面點(diǎn)集合，稱坐標(biāo)框架。 例: 國(guó)家一等三角點(diǎn)的集 合是一個(gè)坐標(biāo)框架。,3.橢球面大地測(cè)量學(xué),2007-6-8,25,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù),體系和主要技術(shù)手段 2.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué) 6.我國(guó)大地測(cè)量的回顧和展望,2007-6-8,26,物理大地測(cè)量主要任務(wù),建立國(guó)家重力基準(zhǔn)網(wǎng)； 確定區(qū)域的和地球的重力場(chǎng)； 建立高程異?？刂凭W(wǎng)； 確定區(qū)域的和地球的大地水準(zhǔn)面。,4. 物理大地測(cè)量,2007-6-8

10、,27,重力測(cè)量(1) - 相對(duì)重力測(cè)量,相對(duì)重力測(cè)量：測(cè)定兩點(diǎn)重力差 彈簧重力儀原理 當(dāng)la lb, 則gB gA, g=gB - gA=k(lalb)=kl, K:彈性的倔強(qiáng)系數(shù),4. 物理大地測(cè)量,2007-6-8,28,重力測(cè)量(2) - 絕對(duì)重力測(cè)量,自由落體原理 當(dāng) v0=0, h0=0 重力儀： 相對(duì)重力儀，LCR重力儀，精度15gal 絕對(duì)重力儀，F(xiàn)G 5重力儀，精度5 gal,4. 物理大地測(cè)量,2007-6-8,29,FG5絕對(duì)重力儀 精度5gal,2007-6-8,30,國(guó)家2000重力基準(zhǔn)網(wǎng),國(guó)家2000重力基準(zhǔn)網(wǎng)由120余個(gè)絕對(duì)和相對(duì)重力點(diǎn)組成，由于該網(wǎng)使用了FG5絕

11、對(duì)重力儀施測(cè)，并增加了絕對(duì)重力點(diǎn)的數(shù)量，國(guó)家2000重力基準(zhǔn)網(wǎng)的精度在10gal (10-5cmsec-2)左右。,31,大地水準(zhǔn)面 - 定義,粗略定義： 靜止(平均)海水面向大陸伸 延所形成的封閉曲面。 嚴(yán)密定義： 與不隨時(shí)間變化的平均海面 密合的重力等位面,4. 物理大地測(cè)量,大地水準(zhǔn)面,2007-6-8,32,國(guó)家2000似大地水準(zhǔn)面,國(guó)家2000似大地水準(zhǔn)面的 絕對(duì)精度0.3m- 0.6m， 分辨率30km30km， 覆蓋我國(guó)全部陸海國(guó)土。 這些指標(biāo)相對(duì)于1980大地水準(zhǔn)面提高 了近一個(gè)量級(jí)。它已正式提供使用。,2007-6-8,33,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù),體系和主要技術(shù)手段 2

12、.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué) 6.我國(guó)大地測(cè)量的回顧和展望,2007-6-8,34,空間大地測(cè)量(1) - 技術(shù)手段,利用空間技術(shù)進(jìn)行大地測(cè)量 全球定位系統(tǒng)(GNSS): GPS, GLONASS, GALELIO ； 衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR) ； 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI) ； 衛(wèi)星測(cè)高(SA) 。,5.空間大地測(cè)量,2007-6-8,35,實(shí)時(shí), 快速, 精密測(cè)定全球點(diǎn)位； 測(cè)定全球重力場(chǎng)； 測(cè)定全球海面地形，海平面變化； 建立全球大地測(cè)量坐標(biāo)系。,5.空間大地測(cè)量,空間大地測(cè)量(2) - 技術(shù)特點(diǎn),2007

13、-6-8,36,衛(wèi)星激光測(cè)距SLR,2007-6-8,37,衛(wèi)星激光測(cè)距SLR,2007-6-8,38,衛(wèi)星測(cè)高,5.空間大地測(cè)量,SeaSat,TOPEX,SEASAT,2007-6-8,39,監(jiān)測(cè)海平面變化； 測(cè)定高分辨率海洋重力場(chǎng)（大地水準(zhǔn)面和重力異常） 測(cè)定海面地形（平均海面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的起伏）和海流、渦旋，大洋環(huán)流（與大氣環(huán)流密切相關(guān)）； 獲取厄爾尼諾發(fā)生的前兆，監(jiān)測(cè)其發(fā)展過(guò)程； 測(cè)定海潮潮波系統(tǒng)，建立全球海潮模型，為航海、海洋工程建設(shè)等提供服務(wù)；,衛(wèi)星測(cè)高(SA)- 應(yīng)用,2007-6-8,40,甚長(zhǎng)基線干涉VLBI,2007-6-8,41,衛(wèi)星定位系統(tǒng),衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星信

14、號(hào)獲取地球空間三維坐標(biāo)信息，具有全球性、全天候、連續(xù)性，精度高、快速實(shí)時(shí)、操作 簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉 等優(yōu)點(diǎn)。,2007-6-8,42,國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介,目前國(guó)內(nèi)外有三個(gè)實(shí)用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它們分別是美國(guó)的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng), 俄羅斯的GLONASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng), 和中國(guó)的北斗區(qū)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)。,2007-6-8,43,GPS空間部分衛(wèi)星星座,5.空間大地測(cè)量,2007-6-8,44,GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介,全球覆蓋、全天候、連續(xù)導(dǎo)航?？梢栽诘厍蛏虾徒乜臻g中任何一點(diǎn)，達(dá)到這一目的。 定位速度快。接收機(jī)從開(kāi)機(jī)搜索衛(wèi)星到定位只需3分鐘。在導(dǎo)航狀態(tài)1秒鐘可完成一次實(shí)時(shí)定位。 高精度三維定位

15、。10-6 10-9 ; 確定物體三維坐標(biāo), 運(yùn)行速度, 運(yùn)行方位, 運(yùn)動(dòng)姿態(tài), 運(yùn)行軌跡。 精確定時(shí)。,2007-6-8,45,GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介,24顆衛(wèi)星是分布在三個(gè)軌道平面。每個(gè)軌道8顆衛(wèi)星。衛(wèi)星高度19100公里。繞地運(yùn)行一圈11小時(shí)11分鐘。軌道傾角64.8, 所以更適用于高緯度地區(qū)導(dǎo)航定位。目前空中可用衛(wèi)星只有11顆。 有兩個(gè)載波。L1頻道間隔0.5625MHz，L2頻道間隔是0.4325MHz。定位精度為20米。,2007-6-8,46,歐洲衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Galileo),歐洲發(fā)射稱為伽俐略(Galileo)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星30個(gè)，軌道高度24000km，軌道傾角為5

16、0。于2005試放第一顆衛(wèi)星，2008年投入試運(yùn)行。定位 精度為米級(jí)。,2007-6-8,47,北斗一號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介(1),北斗一號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立自主建立的主動(dòng)式局域衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的空間部分是由三顆GEO衛(wèi)星組成，二顆工作，一顆備用, 分別位于東經(jīng)80, 140和111的赤道上空36000km 。定位精度為20m。,2007-6-8,48,中國(guó)一定要有完全獨(dú)立自主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。因此建立和完善中國(guó)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，不僅是大地測(cè)量的業(yè)務(wù)問(wèn)題，是事關(guān)國(guó)家獨(dú)立自強(qiáng)的大事。我國(guó)將在今后八年左右建成北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它將是連續(xù),全天侯,被動(dòng)方式定位，訊號(hào)覆蓋中國(guó)及其鄰近區(qū)域，實(shí)時(shí)

17、定位精度提高至10m。,北斗一號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介(2),2007-6-8,49,目 錄,1.大地測(cè)量的任務(wù),體系和主要技術(shù)手段 2.實(shí)用(地面)大地測(cè)量學(xué) 3.橢球面(幾何)大地測(cè)量學(xué) 4.物理(重力)大地測(cè)量學(xué) 5.空間(衛(wèi)星)大地測(cè)量學(xué) 6.我國(guó)大地測(cè)量的回顧和展望,建立我國(guó)新世紀(jì) 國(guó)家測(cè)繪基準(zhǔn) 目標(biāo)和任務(wù),2007-6-8,51,近鄰國(guó)家大地基準(zhǔn)的現(xiàn)代化,2007-6-8,52,新西蘭大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化,1998年，新西蘭實(shí)施了新的地心參考基準(zhǔn)，即以2000年1月1日為參考?xì)v元的新西蘭大地測(cè)量基準(zhǔn)2000 (NZGD2000)。,2007-6-8,53,蒙古大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化,蒙古建立了新的國(guó)家

18、大地坐標(biāo)框架MONREF97。采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)和WGS84保持一致。 MONREF97這一新的國(guó)家地心三維坐標(biāo)框架，取代了原來(lái)的蒙古國(guó)家二維平面坐標(biāo)系MSK42(采用克拉索夫斯基橢球)。,2007-6-8,54,日本大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化,從2000年4月開(kāi)始日本新的大地基準(zhǔn)JGD2000正式取代了具有百年歷史的東京大地基準(zhǔn)。JGD2000采用國(guó)際地面參考系統(tǒng)ITRS的定義，歷元定為1997.0。,2007-6-8,55,韓國(guó)大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化,韓國(guó)于1998年推出國(guó)家三維地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)KGD2000，以替換現(xiàn)行的坐標(biāo)系統(tǒng)。 KGD2000以ITRF97為參照，歷元采用2000.0。,2007-6-8,56,馬來(lái)西亞大地基準(zhǔn)現(xiàn)代化,馬來(lái)西亞建立國(guó)家三維地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)NGRF2000，坐標(biāo)系統(tǒng)定義于ITRF97, 歷元為2000.0 。,2007-6-8,57,現(xiàn)代大地測(cè)量發(fā)展的特點(diǎn) 工作對(duì)象從靜止的轉(zhuǎn)變到動(dòng)態(tài)的； 工作范圍由陸地?cái)U(kuò)展到海洋； 信息獲取由地面發(fā)展到空間； 數(shù)據(jù)處理由后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)處理； 工作距離由10km量級(jí)發(fā)展到103km量級(jí)； 由單一學(xué)科發(fā)展到和其他學(xué)科的集成。,2007-6-8,58,建立