大地测量学
一门量测和描绘地球表面的科学
大地测量学,又称为测地学。
学科简介
大地测量学是
测绘学
的一个分支。研究和测定
地球形状
、大小和
地球重力场
,以及测定地面点几何位置的学科。
大地测量学中测定地球的大小,是指测定
地球椭球
的大小;研究地球形状,是指研究
大地水准面
的形状;测定地面点的几何位置,是指测定以地球椭球面为参考的地面点的位置。将地面点沿
法线
方向投影于地球椭球面上,用投影点在
椭球
面上的
大地纬度
和
大地经度
表示该点的水平位置,用地面点至投影点的法线距离表示该点的大地高程。这点的几何位置也可以用一个以
地球质心
为原点的
空间直角坐标系
中的
三维坐标
来表示。
大地测量工作是为大规模测制
地形图
提供地面的水平
位置控制
网和
高程控制网
,为用
重力勘探
地下矿藏提供重力
控制点
,同时也为发射
人造地球卫星
、导弹和各种
航天器
提供
地面站
的精确坐标和
地球重力场
资料。
任务
分支
方法
解决大地测量学的任务传统上有两种方法,几何法和
物理法
。所谓几何法是用几何观测量通过
三角测量
等方法建立
水平控制网
,提供地面点的水平位置;通过水准测量方法,获得
几何量
高差,建立
高程控制网
提供点的高程。物理法是用地球的重力等物理观测量通过
地球重力场
的理论和方法推推求大地水准面相对于
地球椭球
的距离、地球椭球的
扁率
等。
简史
萌芽阶段
17世纪以前,大地测量学处于萌芽状态。公元前3世纪,
埃拉托色尼
首先应用
几何学
中圆周上一段弧的长度、对应的中心角同圆半径的关系,计算地球的半径长度。公元724年,中国唐代的
南宫说
等人在
张遂
(
一行
)的指导下,首次在今
河南
省境内实测一条长约300千米的子午弧。其他国家也进行过类似的工作。但当时
测量工具
简陋,技术粗糙,所得结果精度不高,只是测量地球大小的尝试。
形成
1687年I.牛顿发表
万有引力定律
之后,1690年
荷兰
c.
惠更斯
在其著作《论重力起因》中,根据地球表面的重力值从赤道向两极增加的规律,得出地球的外形为两极略扁的
扁球体
论断。1743年法国A.一C.克菜罗发表《地球形状理论》,进一步给出由重力数据和
地球自转角速度
确定
地球扁率
的
克莱罗定理
。此外,17世纪初,荷兰的w.斯涅耳首创
三角测量
。随后望远镜、
测微器
、
水准器
等发明,测量仪器精度大幅度提高,为
大地测量
学的发展奠定技术基础。17世纪末,大地测量学形成至
卫星大地测量
的出现,这一阶段的大地测量学通常称为经典大地测量学。主要标志是以地面
测角
、测距、
水准测量
和
重力测量
为技术手段解决陆地区域性大地
测量问题
。
弧度测量
、三角测量、几何
高程测量
以及
椭球面
大地测量理论的发展,形成
几何大地测量学
;建立了
重力场
的位理论并发展了
地面重力测量
,形成
物理大地测量学
。
弧度测量
1683~1718年,法国卡西尼父子(G.D.Cassini和J.Cassini)在通过巴黎的
子午圈
上用三角测量法测量弧幅达8°20’的
弧长
,推算出
地球椭球
的长半轴和
扁率
。由于
天文纬度
观测没有达到必要的精度,加之两个
弧段
相近,以致得出了负的扁率值,即
地球形状
是两极伸长的
椭球
,与
惠更斯
根据力学定律作出的推断正好相反。为了解决这一疑问,
法国科学院
于1735年派遣两个测量队分别赴
高纬度
地区
拉普兰
(位于
瑞典
和
芬兰
的边界上)和近
赤道
地区
秘鲁
进行子午
弧度测量
,全部工作于1744年结束。两处的
测量结果
证实纬度愈高,每度子午弧愈长,即地球形状是两极略扁的椭球。至此,关于地球形状的物理学论断得到了弧度测量结果的有力支持。
另一个著名的弧度测量是J.B.J.
德朗布尔
于1792~1798年间进行的弧幅达9°40’的法国子午弧的测量。由这个新子午弧和1735~1744年间测量的秘鲁子午弧的数据,推算了
子午圈
一
象限
的弧长,取其千万分之一作为
长度单位
,命名为一米。这是
米制
的起源。
从18世纪起,继法国之后,一些欧洲国家也都先后开展了弧度测量工作,并把布设方式由沿
子午线
方向发展为纵横交叉的
三角锁
或
三角网
。这种工作不再称为弧度测量,而称为
天文大地测量
。中国清代
康熙
年间(1708~1718)为编制《
皇舆全览图
》,曾实施大规模的天文大地测量。在这次测量中,也证实高纬度的每度子午弧比
低纬度
的每度子午
弧长
。另外,清代康熙皇帝还决定以每度子午弧长为200里来确定里的长度。
几何大地测量
19世纪起,许多国家都开展全国天文大地测量工作,其目的并不仅是为求定
地球椭球
的大小,更主要的是为测制全国
地形图
提供大量地面点的精确几何位置。这就推动了
几何大地测量
的发展。
①为了检校天文大地测量的大量
观测数据
,求出最可靠的结果和评定
观测精度
,法国A.一M.勒让德于1806年首次发表
最小二乘法
的理论。事实上,德国数学家和大地测量学家C.F.高斯在1794年已经应用这一理论推算
小行星
的轨道,此后又用最小二乘法处理天文
大地测量成果
,把它发展到相当完善的程度,形成
测量平差法
,至今仍广泛应用于大地测量。
②
椭球
面上
三角形
的解算和
大地坐标
的推算,高斯于1828年在其著作《曲面通论》中提出
椭球面
三角形的解法。关于大地坐标的推算,许多学者提出了多种公式,高斯于1822年发表椭球面投影到平面上的正形
投影法
,这是大地坐标换算成
平面坐标
的最佳方法,至今仍在广泛应用。
③利用天文学大地测量成果推算
地球椭球
长半轴和
扁率
,德国F.R.赫尔墨特提出在
天文大地网
中所有
天文点
的
垂线偏差
平方和为最小的条件下,解算与区域
大地水准面
最佳拟合
的
椭球
参数及其在
地球体
中定位的方法。以后这一方法被称为
面积法
。
物理大地测量
自1743年克莱罗发表了《地球形状理论》之后,物理大地测量的最重要发展是1849年英国的G.G.斯托克斯提出的
斯托克斯定理
。根据这一定理,可以利用
地面重力测量
结果研究
大地水准面
形状。但它要求首先将地面重力测量结果归算到大地水准面上,由于地壳密度未知,这种归算不能严格实现。尽管如此,斯托克斯定理还是推动了大地水准面形状的研究工作。大约100年后,
苏联
的M.S.莫洛坚斯基于1945年提出
莫洛坚斯基理论
,它不需任何归算,便可以直接利用地面重力测量数据严格地求定地面点到
参考椭球
面的距离(大地高程)。它避开了理论上无法严格求定的大地水准面,直接求定地面点的大地高程。利用这种高程,可把大地测量的地面
观测值
准确地归算到
椭球
面上,使天文大地测量的成果处理不因归算
不准确
而带来误差。伴随着莫洛坚斯基理论产生的
天文重力水准
测量方法
和
正常高系统
已被许多国家采用。这是在
卫星重力测量
技术出现以前,由
地面重力测量
研究
地球形状
和确定
地球重力场
的理论和方法,称为
经典物理
大地测量。
现代大地测量
经典大地测量由于其主要
测量技术
手段(测角和测边)和方法本身的局限性,
测量精度
已近极限,
测量范围
也难于达到占地球面积70%的海洋和陆地
自然条件
恶劣的地区(高原、沙漠和
原始森林
等)。1957年第一颗
人造地球卫星
发射成功后,利用
人造卫星
进行大地测量成为主要技术手段,从此发展到现代大地测量。其标志是产生
卫星大地测量
,突破了米级测量精度,从区域性相对大地测量发展到全球的大地测量,从测量静态地球发展到可测量地球的
动力学效应
。
卫星大地测量
1966年美国的W.M.考拉发表《卫星大地测量理论》一书,为
卫星大地测量
的发展奠定基础。同时,对卫星跟踪观测定轨技术得到迅速发展,从照相观测发展到
卫星激光测距
(8LR)和卫星多普勒观测。20世纪70年代美国首先建立
卫星多普勒导航
定位系统
,根据精密测定的
卫星轨道根数
,能够以土1米或更高的精度测定任一地面点在全球
大地坐标系
中的
地心坐标
;90年代美国又发展了新一代导航定位系统,即
全球定位系统
(GPS),以其廉价、方便、全天候的优势迅速在全球普及,成为大地测量定位的常规技术。
俄罗斯
发展了
全球导航卫星系统
(
GLONASS
),欧洲正在启动
伽利略
全球卫星导航定位系统(
Galileo
)。
卫星大地测量
不仅广泛用于高精度测定地面点的位置,还用于确定全球
重力场
,并形成一门新的大地测量分支,即
卫星重力学
。
卫星重力测量
卫星激光测距
对卫星的跟踪测量可以精确测定
卫星轨道
的摄动,当分离出占摄动主要部分的
地球引力摄动
,由此推算地球引力位球谐展开的低阶位系数。20世纪70年代开始卫星雷达测高,后又研制和发展了多代
卫星测高
系统,用于精确测定
平均海面
的
大地高
,确定海洋
大地水准面
,并反求
海洋重力异常
,分辨率优于lO千米,精度优于分米级。
动力大地测量
SLR和
甚长基线干涉测量
(
VLBI
),可以厘米级或更优的精度监测板块的
运动速率
、
极移
和
地球自转速率
的变化。GPS更能以毫米级精度测定板块内地块的
相对运动
及
地壳形变
,还广泛用于监测断层和
地震活动
、
极地冰原
和陆地冰川的运动和变化以及
冰后回弹
现象。
海洋大地测量
卫星测高
已成为确定高分辨率全球
海洋大地水准面
的最廉价有效的手段,GPS也成为海洋导航定位的主要工具,
定位精度
比传统的
天文导航
和无线电导航精度提高1~2个
数量级
,多波束
声呐
测深
相对精度
已达到或接近111000。海底
大地控制网
和
海底地形测量
的规模和精度在不断提高。
展望
大地测量学从形成到现在已有 300多年的历史,虽然在研究
地球形状
、
地球重力场
和测定地面点几何位置各方面都已取得了可观的成就,但从整体来看,仍存在着若干
不足之处
,有待于今后继续研究解决。
①
卫星大地测量
已经全面地和均匀地求出了地球重力场(包括
大地水准面
)的总貌,但还不能求得其
精细结构
。这是由于卫星运行的轨道至少在地面上方 200公里以上,对地球重力场效应的
分辨能力
也只能达到这一
数量级
。目前
地面重力测量
在全球的分布极不均匀,有待继续扩展。在海洋上空利用卫星雷达测高技术测定海洋大地水准面的起伏已取得了较好的结果。由天文大地测量求得的
垂线偏差
和由
天文重力水准
所得的
大地水准面
起伏,也都是
地球重力场
的信息。所以要研究地球重力场全面而精细的结构,必须综合利用卫星、物理和
几何大地测量
的各种信息,进行统一的处理,有人称之为
整体大地测量
。这是研究地球重力场的
发展趋势
。
②18世纪以来进行的天文大地测量,各国大都采用不同的
参考椭球
,建立独立的
坐标系
。20世纪以来,通过联测和改算,有些
独立坐标系
连成一体,形成了
西欧
、
北美
、苏联和
东欧
、印度、中国、
澳大利亚
等若干个较大的坐标系。直到全球
卫星大地测量
开展以后,特别是由于卫星多普勒定位技术的发展,才使建立全球统一的
地心坐标系
成为可能。许多国家都在原有的
天文大地网
内加测
卫星多普勒定位
点,把天文大地网和卫星定位网结合起来。这已成为当前的趋势。正在发展中的卫星
射电干涉
测量技术,不但有可能加强天文大地网,甚至可能局部代替传统的天文大地网。可以预期,测定地面点几何位置的大地网的布设和加密,将来必然向综合利用各种技术的方向发展;而如何最有效地和最经济地综合利用各种技术,也必然是今后的研究课题。
③海洋研究和
海洋资源开发
是当前受到重视的课题,但
海洋大地测量
目前尚处于初级
发展阶段
。近年来声呐
技术发展
很快,已成为在海水中进行测量的重要手段。如何利用这种技术进行海洋大地测量,也是今后的研究方向。
④全球只有为数很少的一些固定站在进行
甚长基线干涉测量
工作。为了更好地研究地壳
构造运动
,还必须发展流动站,测量较短的基线。同时还要再利用固体潮观测、
卫星激光测距
和卫星射电
干涉测量
等技术,综合全部测量结果,将为探索
地震预报
提供宝贵的信息。
参考资料
中华人民共和国学科分类与代码简表(国家标准GBT
.上海外国语大学贤达经济人文学院.2021-01-26
最新修订时间:2023-10-10 13:24
条目作者
小编
资深百科编辑
目录
概述
学科简介
参考资料
Copyright©2024
闽ICP备2024072939号-1