中國礦業(yè)大學大地測量學基礎(chǔ)課件

1、應用大地測量學,王 中 元 wzy95002@163.com中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,課程地位：,測繪工程專業(yè)學生的專業(yè)基礎(chǔ)課。學習和掌握工程測量、攝影測量學與遙感工程、地圖制圖學與地理信息工程、全球定位系統(tǒng)等專業(yè)知識的基礎(chǔ)。,課程特點：,基礎(chǔ)性綜合性實踐性抽象性,對大家的要求：,課前預習課后通讀教材，當天課程當天消化思考題每個人都要思考實習、實驗內(nèi)容獨立完成提前復習平面幾何、立體幾何、高等數(shù)

2、學等與測量平差、GPS、測量學等課程結(jié)合起來,目 錄,第一章 緒論（2）第二章 大地測量基礎(chǔ)知識（6）第三章 大地測量控制網(wǎng)的建立（6）第四章 大地測量觀測技術(shù)（10）第五章 地球橢球與測量計算（8）第六章 高斯投影及其計算（8）第七章 大地測量坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換（6）第八章 大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理（10）,課程安排,共64課時： 課堂講授：2×2×14＝56

3、課時 實 驗：2×4＝8 課時成績：考試（70％）平時（30％）:上課、實驗、作業(yè),參考書目,張華海等. 應用大地測量學. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008.孔祥元等. 大地測量學基礎(chǔ). 武漢：武漢大學出版社，2006.孔祥元等. 控制測量學. 武漢：武漢大學出版社，2006.寧津生等. 現(xiàn)代大地測量理論與技術(shù). 武漢：武漢大學出版社，2006.,第一章 緒論,應用大地測量學,第一

4、章 緒論,本章學習要求：了解大地測量學的定義、任務了解大地測量學的主要內(nèi)容了解大地測量的發(fā)展歷程,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)

5、簡介,§1.1 大地測量學的定義,大地測量學是通過在廣大的地面上建立大地控制網(wǎng)，精確測定大地控制網(wǎng)點的坐標，研究測定地球形狀、大小和地球重力場的理論、技術(shù)與方法的學科。——作為地學基礎(chǔ)學科：——作為應用地學學科：,主要理論、技術(shù)與方法：——天文測量——三角測量——導線測量——衛(wèi)星大地測量——水準測量——重力測量——橢球大地測量——地球形狀理論——測量平差 。。。。。。。。,§1.1 大地測量

6、學的定義,普通測量學（或稱測量學）是研究地球表面較小區(qū)域內(nèi)測繪工作的基本理論、技術(shù)、方法和應用的學科。 目的：以測繪工作為手段，確定地面點的空間位置，并把它表示成數(shù)據(jù)形式或描繪著圖面上，供經(jīng)濟建設(shè)和工程設(shè)計施工使用。,§1.1 大地測量學的定義,大地測量學與普通測量學的區(qū)別：（1）精度等級高。（2）測量范圍廣。（3）普通測量學更側(cè)重于如何測繪地形圖以及進行一般工程的施工測量。大地測量學側(cè)重于如何建立大地

7、坐標系、建立大地控制網(wǎng)并精確測定控制網(wǎng)點的坐標。,§1.1 大地測量學的定義,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,§1.2 大地測量學的基本任務和作用,（一）基本任務1、技術(shù)任務精確測定大地控制點的位置及其隨時間的變化(也就是它的運動速度場)，建立精密的大地控制網(wǎng)，作為測圖的控制

8、，為國家經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)服務。2、科學任務測定地球形狀、大小和重力場，提供地球的數(shù)學模型，為地球及其相關(guān)科學服務,（一）基本任務精確確定地面點位及其變化研究地球重力場、地球形狀和地球動力現(xiàn)象簡單地說，一是定位，二是研究地球的形狀和重力場,§1.2 大地測量學的基本任務和作用,§1.2 大地測量學的基本任務和作用,（一）基本任務位置是一類重要的信息位置怎么描述？ 我在江蘇我在徐州我在礦大南

9、湖校區(qū)我在教3樓我在B402教室我在靠近窗戶的座位上,§1.2 大地測量學的基本任務和作用,（一）基本任務位置怎么描述？ 用文字/語言用圖形（示意圖、地圖）用數(shù)字（坐標）必然涉及怎么認識我們的地球這一問題地球形狀、大小重力場 結(jié)論：大地測量學的這兩項任務密切相關(guān),（二）大地測量的作用 1、為地形測圖與大型工程測量提供基本控制；2、為城建和礦山工程測量提供起始數(shù)據(jù)；3、為地球科學的研究提供

10、信息；4、在防災、減災和救災中的作用； 5、發(fā)展空間技術(shù)和國防建設(shè)的重要保障。,§1.2 大地測量學的基本任務和作用,,（1）有一個精密的地球參考框架以及地面點（如發(fā)射點和跟蹤站）在該框架中的精確點位；（2）有一個精密的全球重力場模型和地面點的準確重力場參數(shù)（重力加速度、垂線偏差等）。,在各種工程的施工時，放樣過程中，儀器所安置的方向、距離都是依據(jù)控制網(wǎng)計算出來的。,,大壩變形監(jiān)測點,基準站,如圖，是中蒙邊界聯(lián)合勘界

11、中大地控制網(wǎng)的點位分布圖。邊界測量是用大地測量的手段實地確定兩國的邊界劃分。,在航空制造業(yè)、造船業(yè)中，大型面板的裁剪、切割都需要大地測量提供精確的位置基準。,工程測量沒有問題，施工也是符合要求的，問題出在大地測量上，島嶼上的控制數(shù)據(jù)和大陸上的控制數(shù)據(jù)不在同一個大地坐標系下面。,在交通運輸方面，大地定位技術(shù)為提高交通效率、減少交通事故提供了重要保障。這樣，無論在城市復雜的路網(wǎng)中，還是在野外探險、遠洋航行中，再也不會迷失方向。,在航空控制管

12、理中，有了大地測量提供的精確定位技術(shù)，使得不可視狀態(tài)下的著陸成為可能，航空不再受大霧等惡劣天氣的影響。,利用GPS技術(shù)測量大氣中水汽含量，準確預報暴雨災害。,精確定位技術(shù)在數(shù)字農(nóng)業(yè)，環(huán)境保護、生物保護中有廣泛的應用。,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,§1.3 大地測量學的主要研究內(nèi)容,1、實用

13、大地測量學：研究建立大地控制網(wǎng)的理論與方法，介紹角度測量、邊長測量和高程測量的原理與觀測方法、作業(yè)程序、以及測量成果的質(zhì)量檢核，提供一系列地面點的平面和高程成果 2、橢球大地測量學：研究參考橢球的建立以及橢球面上處理大地測量觀測成果的各種理論與方法，提供大地控制點的大地坐標和平面坐標；3、測量平差：用最小二乘原理處理各種觀測結(jié)果的理論與計算方法；,§1.3 大地測量學的主要研究內(nèi)容,4、天文測量學：以球面天文學為基礎(chǔ)，研究

14、觀測一定天體以確定地面點的天文經(jīng)緯度和天文方位角的原理和方法，目的是測定國家大地網(wǎng)中某些點的天文經(jīng)緯度和方位角，以獲得這些點的垂線偏差和至某一方向的拉普拉斯角，前者是研究地球形狀和大地水準面起伏的重要資料，后者提供大地控制網(wǎng)中的起算方位角；5、大地重力學：又稱《物理大地測量學》，研究重力測量的理論、技術(shù)和方法，利用重力測量與衛(wèi)星測量資料研究地球形狀和外部重力場，提供代表地球的大地體形狀和地球橢球的物理參數(shù)；,6、衛(wèi)星大地測量學：又稱《

15、空間大地測量學》，研究人造地球衛(wèi)星觀測方法和運動規(guī)律以解決大地測量的一門科學； 7、慣性大地測量學：是根據(jù)慣性原理，利用加速度計測量運動物體在某一方向的加速度，通過二次積分得到運動物體的空間位置。是大地測量的一個分支，具有全天候、自主性、機動靈活、快速高效等優(yōu)點，為大地測量自動化提供了重要手段。,§1.3 大地測量學的主要研究內(nèi)容,（二）應用大地測量學的主要研究內(nèi)容1、大地測量基礎(chǔ)知識（基準面和基準線，坐標系統(tǒng)和時間系

16、統(tǒng)，地球重力場等）；2、大地測量學的基本理論（地球橢球基本的理論,高斯投影的基本理論，大地坐標系統(tǒng)的建立與坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換等）；,§1.3 大地測量學的主要研究內(nèi)容,相對于幾何大地測量、物理大地測量,（二）應用大地測量學的主要研究內(nèi)容3、大地測量基本技術(shù)與方法（經(jīng)典的、現(xiàn)代的）； 4、大地控制網(wǎng)的建立（包括國家大地控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)。形式有三角網(wǎng)、導線網(wǎng)、高程網(wǎng)、GPS網(wǎng)等）；5、大地測量數(shù)據(jù)處理（概算與平差計

17、算）。,§1.3 大地測量學的主要研究內(nèi)容,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,（一）古今關(guān)于地球形狀和大小的弧度測量公元前三世紀古希臘學者估算地球半徑為4萬STADIA。公元724年我國唐代學者在河南滑縣至上蔡用天文方法進行世界上第一次弧度測量。

18、十七世紀荷蘭人用三角測量法進行弧度測量。十七世紀末牛頓、惠更斯用力學觀點推論地球為橢球。十七至十八世紀法國用三角測量和天文測量進行弧度測量1708—1718年我國用天文方法從東北—河北進行弧度測量。十九世紀以來，由于望遠鏡的發(fā)明，測距儀的出現(xiàn)，人造衛(wèi)星的上天，各國相繼開展天文大地測量，推求地球形狀和大小，精度越來越高。,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,（二）18—20世紀大地測量理論的發(fā)展用重力測量精確求定地球扁率

19、（法國  克萊勞Claraut）最小二乘法理論（法國  勒讓德Legendre）從橢球面到平面的正形投影（德國  高斯Gauss）橢球面上的三角形解法（德國  高斯Gauss）用重力測量研究大地水準面形狀（英國  斯托克斯Stoks）參考橢球定位理論（德國  赫爾默特Helmert）用地面觀測資料求大地高確定地球表面形狀（蘇聯(lián)  莫洛堅斯基Mologeck

20、s）近代平差理論,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,（三）測量儀器的發(fā)展古代的測量距離和高低的準繩和規(guī)矩，天文測量的渾天儀；十八世紀后望遠鏡的發(fā)明；懸鏈線狀基線尺、因瓦基線尺；相對重力儀；光學經(jīng)緯儀；電磁波測距儀；自動安平水準儀；石英鐘記時和自動跟星光電裝置；人造衛(wèi)星觀測攝影儀，激光測距儀，射電VLBI測量；慣性測量儀器；全站儀，自動繪圖儀，GPS全球定位系統(tǒng)。,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,（四

21、）我國大地測量的發(fā)展世界上第一次弧度測量（唐代南宮說、張遂等）；清代用天文測量發(fā)現(xiàn)北弧比南弧每度弧長要長（比法國早）；1895年清代設(shè)立測繪學堂；1930—1949布設(shè)了2000KM的一等大地控制網(wǎng)；1949年以后：    頒布實施了大地測量法式和細則規(guī)范；全國布設(shè)了8萬KM的一等三角鎖，測定了5萬個一、二等點，進行了9萬KM的一等水準測量，13.7萬KM的二等水準測量，建立了1980西安

22、大地坐標系，1956和1985高程基準；用GPS定位技術(shù)布設(shè)了全國A級28個點、B級730個點控制網(wǎng)；用衛(wèi)星測量方法完成了西沙南沙群島的大地聯(lián)測；測繪全國5萬分之一基本比例尺地形圖；進行地籍和房地產(chǎn)測量，省市縣界測量，各種工程測量，變形監(jiān)測等等。,大地測量學的形成至現(xiàn)在已經(jīng)300多年。從上世紀七八十年代開始隨著空間大地測量技術(shù)的產(chǎn)生，已進入現(xiàn)代大地測量學科發(fā)展的新階段。,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,三項革命性的技術(shù)：

23、衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星和航空重力技術(shù)衛(wèi)星測高技術(shù),§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,大地測量的兩個趨勢一是更大眾、更普及二是更專業(yè)。大地測量除了測地之外，還可測其它天體的形狀和重力場。,§1.4 大地測量的發(fā)展歷程,大地測量部分儀器,本章綱要,一、大地測量學的定義二、大地測量學的基本任務和作用（重點）三、大地測量學的主要研究內(nèi)容（重點）四、大地測量的發(fā)展歷程五、現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,§

24、1.5 現(xiàn)代大地測量技術(shù)簡介,（一）甚長基線干涉測量技術(shù)－VLBI VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是二十世紀六十年代在射電天文學領(lǐng)域發(fā)展起來的射電干涉新技術(shù)，通過設(shè)在基線兩端的射電望遠鏡同時接收同一射電信號，經(jīng)相關(guān)處理，獲得的相對精度和亞毫角秒量級的超高分辨率。VLBI技術(shù)在天文學、地球物理、空間大地測量和空間技術(shù)等領(lǐng)域都有重要的科學意義和實用價值。VLBI已成為建

25、立準慣性參考系和地球參考框架、測定地球定向參數(shù)、監(jiān)測板塊運動及區(qū)域性地殼形變的一種強有力的基本手段。,,,（二）衛(wèi)星激光測距技術(shù)－SLR 衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging，簡寫SLR），是二十世紀六十年代中期興起的一項衛(wèi)星大地測量技術(shù)。經(jīng)過40多年的迅速發(fā)展，它已成為當前衛(wèi)星精密定位觀測的主要手段之一，也是現(xiàn)代各種定位觀測手段中單點采樣精度最高的一種，其觀測成果具有極為重要的科學價值。,,

26、北京SLR觀測站,上海SLR觀測站,衛(wèi)星激光測距儀,,（三）全球定位系統(tǒng)－GPS定位技術(shù) 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System 簡寫GPS)，是隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，而建立起來的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為各類用戶提供實時的三維位置、三維速度和時間信息，能夠保障全球、全天候連續(xù)地三維定位。GPS由于其定位速度快、費用低、方法靈活多樣和操作簡便等特點，在測量學、導航學及其相關(guān)領(lǐng)域獲得了

27、極其廣泛的應用。GPS定位的基本原理在后續(xù)課程中學習。,,（四）慣性大地測量技術(shù)－IPS 慣性大地測量是利用慣性導航技術(shù)，同時快速獲得大地測量數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度、高程、方位角、重力異常和垂線偏差）的一種新技術(shù)。有關(guān)它的儀器，稱為慣性導航系統(tǒng)（Inertial Positioning System），它屬于相對測量系統(tǒng)。(五）衛(wèi)星多普勒定位 是20世紀70年代普遍采用的定位方法。設(shè)測站為固定點，當衛(wèi)星相對于測站移