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测绘学概论---大地测量学

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  • 卖家[上传人]:xy****7
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    • 1、测绘学概论 大 地 测 量 学 孙 敏 北京大学遥感与地理信息系统研究所 http:/ 2013-9-24/10-8 大地测量学的基本任务与特点 基本任务: 建立与维护大地测量系统与大地测量参考框架 获取空间点动态与静态信息 测定地球形状大小、地球外部重力场及其随时间变化 研究地球动力学现象 椭球面与平面投影计算问题 研究新型大地测量仪器与新方法 研究空间大地测量理论和方法 研究月球和行星大地测量理论和方法 现代大地测量特点 长距离、大范围:地球板块运动、洋流与海平面变化. 高精度:目前GPS精度可达0.1ppm 实时、快速 时间维测量 高精度地心定位 多学科融合:大气科学、地球动力学、海洋、地质、地震 大地测量学的作用与服务对象 任何形式与地理位置有关的测绘都必须以法定的或协 议的大地测量基准为基础 经济建设 资源与环境发展:矿藏、地下水资源、灾害监测 空间技术与航天工程 地球自转与地球动力学 国防安全与军事信息化 大地测量学的现代发展 传统大地测量学: 研究地球几何形状、定向以及重力场,包括点的定位与重 力值; 现代大地测量学: 将传统研究内容提升到:长距离、大范围、实时和高精度

      2、的测量条件; 为地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和 冰川学等提供所需信息 学科体系: 实用大地测量学 椭球面大地测量学 物理大地测量学 卫星大地测量学 大地测量系统与大地测量参考框架 大地测量系统定义了包括:坐标系统、高程系统/深度 基准和重力系统;相对应于大地测量系统的大地测量 参考框架有:坐标参考框架、高程参考框架、重力参 考框架;框架是系统的具体实现,具体由一系列固定 于地面的大地网(控制点),按系统规定构建而成; 大地测量坐标系统与测量常数; 大地测量坐标框架; 高程系统与高程框架; 深度基准; 重力系统和重力测量框架; 大地测量坐标系统_地心坐标系统 地球椭球的中心与地球质心重合, 椭球的短轴与地球自转轴重合。 空间点位置在该坐标系中表述为(L,B,H) WGS84常用几何参数: 长半轴: 6378137 2(m) 扁 率: 1:298.257223563 将地球表达为一个椭球体 地心直角坐标系 原点O与地球质心重合,Z轴指向地球北极, X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点, Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系 大地测量坐标系统_参心坐标系统 西安80坐

      3、标系统 大地原点在我国中部,具体地点是陕西省径阳县永乐镇; 椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向,大地起始子午面平行于格 林尼治平均天文台子午面;X轴在大地起始子午面内与 Z轴垂直指向经度 0 方向;Y轴与 Z、X轴成右手坐标系; 椭球参数采用IUGG (international Union of Geodesy and Geophysics)1975年大会推荐的参数; 西安80常用几何参数: 长轴:63781405(m); 扁率:1:298.257 国家大地基准原点 大地测量常数 基本常数 描述地球椭球体的几何与物理属性的基本常数 地球赤道半径a; 地心引力常数GM; 地球动力学形状因子J2; 地球自转角速度w; 导出常数 椭球短半轴: 几何扁率: abaeeab 222 ,1 abaf)( 高程系统 高程基准:定义陆地上的高程测量起算点;我国采用 黄海高程系统,采用验潮站长年所测量的平均海水面 为基准。 国家水准原点由验潮站联测得到,目前高程72.2604m。 国家水准原点,青岛观象山 青岛验潮站 高程相关概念 水准面: 重力位相等的面称为重力等位面,也即水准面 因地球形状

      4、复杂,质量分布不均,因此水准面具有复杂的 形状 两个水准面永远不相交,但彼此一般不平行 大地水准面: 设想与平均海水面重合,不受诸多自然条件影响(如风、 气压、潮汐),并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂直的 水准面 似大地水准面: 是由地面沿垂线向下量取正常高所得的点形成连续曲面, 它不是水准面,是只用于计算的辅助面,在海平面上与大 地水准面重合。 水准面 水准面 正高系统:以大地水准面为基准面,地面任一点沿垂线方向至大地水 准面的距离 正常高系统:以似大地水准面为基准面,是我国高程的统一系统 正常重力线:指向地心(质心) 垂线:与水准面垂直的铅垂线 深度基准 通常取当地平均海面以下深度为L的位置,因不同海域平 均海面值不同,故其因地而异;各国求L值的方法不同; 我国采用弗拉基米尔斯基理论最低潮面为深度基准面; 重力系统: 包括重力基准与重力参考系统 重力基准就是标定一个国家或地区的重 力值标准 我国目前重力系统采用GRS80椭球常数 及其相应的正常重力场; 21世纪开始,我国采用新的似大地水准 面; 重力测量即为测量空间一点的加速度 小结 坐标系统用于确定地面点位置 高程系统用于确定地

      5、面点高程 重力系统用于辅助高程系统的建立 深度基准是用于海洋区域的高程系统的建立 基本任务是建立地面大地控制网,包括平面控制网、高程控制网 和重力控制网 大地天文测量 方法:用天文观测方法测定天文方位角和天文经纬度。通过测量天体 的天顶角,天体经过某一特定位置的时间或天体在任意位置的方向等 几何与物理量而得到天文方位角和天文经纬度; Z Z S QP P C a a P P Q tA tB A B star 重庆市平面控制网与高程控制网 GPS控制网 水准网 平面控制测量中的前方交会法 全站仪 水平角测量:经纬仪 距离测量:测距仪 国家测绘第一大队,自新闻网 2005年10月9日珠峰测量,8844.43米 测量标尺 通过光学几何条件 进行距离测量 前后尺应保持与测站相等距离 以消除整平误差 问题 如何确定一个点的平面、高程位置? 如何在全国范围便捷地获取任意一个 点的平面与高程位置? 基本任务 研究旋转椭球面的数学性质 研究以椭球面为参考的大地测量计算问题 地面数据向椭球面归算问题 椭球面三角形解算方法 椭球面到平面上的投影问题 不同坐标系间的数据转换问题 在椭球面上三角形曲面 实际测

      6、量以平面三角形为基础 两个基本概念 法截线与大地线 过一点法线的平面与椭球面的交线即法截线; 两点间可能存在两条不同的法截线!因过A点的法线与B点确 定的平面,与过B点的法线与A点确定的平面,两者未必重合, 故可能存在两条法截线 椭球面上两点间最短距离即为大地线;由一系列法截面处于同一平 面的相邻点构成。 法截线与法截面 水准路线主要关注 大地线,椭球面两点间最短距离 三角网路线主要关注 大地线 法截线 A B 地面元素到椭球面的归算 水平方向归算到椭球面上有三差改正: 垂线偏差改正(如图0):测站点垂线与椭球 面法线不一致引起的改正,主要由测站垂 线偏差与测站至观测方向的天顶距决定; 此项改正用于本观测点高程引起的归算误差 标高差改正(如图1):当B点存在高差H2时, A到B照准时,法截面可能交于b而非b1, 原因是过A点的法截面可能不过b1点,故 因B高差引起的此项改正即为标高差改正; 此项改正用于照准观测点高程引起的归算误 差,也可称为照准改正 截面差改正(如图2):将法截线方向转化为 大地线方向所需改正; 此项改正用于法截 线与大地线的方向误差修正 图图1 图2 图图0 红线为

      7、实际测 量天顶距 绿线为椭球 面法线 正确高程 含误差 高程 地面元素到椭球面的归算 地面长度归算到椭球面 基线测距的归算 垂线偏差对长度归算的影响:由于 垂线与法线不一致,使得水准面与 椭球面不平行,从而产生长度归算 误差。当基线两端高程相差不大时, 该项影响可以不计; 高程对长度归算的影响:设基线水 准面与椭球面平行,由于高差的存 在,基线在其水准面上的长度与椭 球面不一致,此时需要进行归算以 消除其影响; 存在垂线偏差的水 准面,两端点高程 接近时,垂线偏差 可不予以考虑 与椭球面平 行的水准面 存在垂线偏差的水准 面,当两端点高程差 较大时,必须进行垂 线偏差改正 归算椭球面 A0 B0 大地测量主题-球面三角形解算 参考椭球面是大地测量计算的基准面,大地坐标 系是椭球面上的基本坐标系,根据大地测量观测 成果计算点在椭球面上的大地坐标,或根据两点 的大地坐标,计算它们之间的大地线长和大地方 位角,通常称之为大地问题解算;如:对洲际导 弹与火箭非常重要 如图,已经P1大地坐标,P1P2的大地线长S和大地 方位角A1,推算P2点的大地坐标和其大地方位角A2, 称为大地问题正算; 按

      8、距离不同分为长(1000km)、中(400km)、短(400km)三种计算类型; 计算比较复杂,常用的有高斯公式法和贝塞尔公式 法详参大地测量教材 其主要应用在于解算大范围的三角控制网,如 国家一控制网 大地测量基本问题 解算示意图 地图投影 经过归算后,所有观测数据均归纳到椭球面上;地图投 影是将椭球面数据再转换到平面上; 简言之,将椭球面上的大地坐标、大地线的方向和长度、 大地方位角按照一定的数学法则归算到平面上的过程即 为地图投影; 椭球面上一点与投影平面上对应点之间的解析关系即为 坐标投影公式; 地图投影必然产生投影变形,分为角度变形、长度变形 和面积变形三种;通过选择不同的投影方式进行控制这 种变形; 高斯投影为常用的正形投影(等角投影); 高斯克吕格投影与分带 高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影 满足三个条件: 椭球面上的角度投影后保持不变 中央子午线投影后是一条直线,且为对称轴 中央子午线投影后没有长度变形 高斯分带 比例尺小于1万采用6度带 大于等于1万采用3度带 每个投影带设立一个独立的平面直角坐标系,中央子午线为纵坐标x 轴,子午线与赤道线交点为原点,赤道线为横

      9、坐标y轴,为保持所有 的值为正,一般将Y轴平移500km 不同空间大地直角坐标的换算 常用的为地心空间大地直角坐标系与参心空 间大地直角坐标系之间的换算 三参数法:假设两坐标系之间只存在平移; 七参数法:假设两坐标系之间存在平移、旋转 与尺度变化;因旋转角均为微小量,假定其分 别为ex, ey, ez,平移量分别为X0,Y0, Z0,尺度变化 为K,则七参数法的公式为: 上式中已知转换参数,即可对所有点进行变换 处理; oldxoldYoldnew oldxoldzoldnew oldyoldzoldnew YeXeZKZZ ZeXeYKYY ZeYeXKXX )1 ( )1 ( )1 ( 0 0 0 参心坐标系统A 地心坐标系统B 问题 如何将GPS测得的一点,转换到北京54地形图上? 或如在GIS中正确动态地显示导航位置? 或车辆导航仪软件的数据处理包括哪些主要过程? 物理大地测量学的任务与内容 主要研究利用重力等物理观测量确定地球的形状、地 球外部重力场及其变化 大地坐标系统必须基于地球大小、形状及其外部重力场 高程系统的必须使用重力场等位面作为参考面,如大地水 准面 卫星定轨需要精确的重力场参数 大地坐标系 g 重力方向 地球重力场相关概念 重力场:是指地球空间点处的重力强度; 大地水准面:地球外部重力等位面,即俗称水平面;与 平均海水面最为接近的那个重力等位面称为大地水准面; 是海拔高程的起算面;地面一点到大地水准面的垂直距 离为该点高程; 大地水准面与地球椭球面之间的垂直距离,称为大地水 准面高,是用于描述地球形状的一个量; Earth gravity fieldThe Earth 重力测量技术 地面重力测量 海洋和航空重力测量 卫星重力测量 地面跟踪 卫星跟踪 重力仪 南极重力测量 Grace 组合卫星重力场测量系统 Grace卫星所测

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