大地测量学

第1章绪论

1.1大地测量学的定义

1.2大地测量学的任务

1.3大地测量学的作用

1.4大地测量学发展简史

第2章参考系统与参考框架

2.1基本单位与基本常数

2.2时间系统

坐标参考系统2.3

2.4国际参考系统与参考框架

2.5局部水准系统

第3章 地球形状与地球重力场的基本理论

3.1地球的基本知识简介

3.2地球重力场的基本原理

3.3重力场的几何性质

引力位的球谐展开3.4

大地水准面3.5

时变重力场3.6

3.7重力场的应用

第4章高程系统

4.1定义高程系统的要求

4.2水准测量观测高程的不唯一性 /68

4.3正高系统

4.4正常高系统

4.5力高和地区力高高程系统

4.6大地高系统

4.7位基数

4.8不同高程系统间的关系及转换

4.9国家高程基准

第5章地球椭球与地图投影

5.1旋转椭球

5.2曲率半径

5.3椭球面上的弧长计算

5.4各坐标系间的关系

5.5大地线

5.6将地面观测值归算至椭球面

5.7大地测量主题解算概述

5.8地图数学投影变换的基本概念

5.9高斯平面直角坐标系

第6章 正常重力场

正常重力场6.1

6.2水准椭球

6.3大地参考系统，最佳地球模型

参考文献

第1章绪论大地测量学是测绘科学与技术学科的一个重要分支，也是地球科学的重要组成部分。科学技术的不断发展有力地推动了大地测量学研究的广度和深度，突破了传统大地测量学的局限性，使大地测量学进入了以空间大地测量为主要观测手段的现代大地测量学发展的新阶段。本章主要介绍大地测量学的定义、任务、作用及其发展简史等内容。1.1大地测量学的定义随着科学技术的发展和人类活动范围的扩大，大地测量学的定义也在不断地丰富和发展。早在1880年，著名的大地测量学家Friedrich Robert Helmert就对大地测量学进行了定义，他认为大地测量学是“测绘地球的自然表面的一门科学”。由于地球重力场对地球的自然表面的形成具有决定性作用，同时，在地球的自然表面进行的各种测量工作都是在地球重力场中进行的，因此对大地测量学的定义进一步拓展为对地球重力场的研究。为了确定地球的自然表面任意点的位置，有必要建立地球参考系统，而早期主要是根据天文观测资料来建立地球参考框架，因此与天文测量密切相关的地球自转也成为大地测量学的研究内容之一。随着人类活动范围的不断扩大，大地测量学的研究对象也从传统的陆地范围延伸到了对海洋和地球外部空间方面的研究。1957年人类发射了第一颗人造地球卫星，随之进入了卫星探测地球的革命性时代。大地测量学也随之突破了传统大地测量的时空局限，进入了以空间大地测量为主要观测技术的新阶段，且和其他学科相互促进，使大地测量学焕发出新的活力。当前，大地测量学可定义为研究地球的形状、自转和地球外部重力场及其随时间的变化的学科。从大地测量学定义的发展可以看出大地测量学是地球科学的一个分支，而且是发展最活跃、具有重要地位的一个分支。它的基本任务是测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球等行星体的空间信息。因此，从本质上讲，它是一门地球信息学科，既是基础学科，又是应用学科。按照研究范围可把大地测量学分为全球大地测量（global geodesy）、国家或区域大地测量(regional geodesy）以及平面大地测量(plane surveying)。全球大地测量包括确定地球的形状和大小、地球的自转和外部重力场。国家或区域大地测量是确定一个国家或一个区域的形状和外部重力场，同时在测量的过程中考虑地球的曲率和重力场。对于平面大地测量(地形测量、地籍测量和工程测量)，地球的形状是以局部水准面确定的，但是地球曲率和重力场影响因素通常被忽略。全球大地测量、国家或区域大地测量和平面大地测量之间具有非常紧密的联系。国家或区域大地测量控制网是在全球大地测量所确定的地球形状和外部重力场的基础上建立的。同时，国家或区域大地测量的结果反过来对全球大地测量控制网的建立具有重要的作用。平面大地测量是以国家或区域大地测量控制点为参考建立的，广泛用于国家或区域的地形图测绘、地籍测量、地理信息系统和工程测量方面。全球和区域大地测量在测量和数据处理方面具有相似性。空间大地测量技术不仅仅是全球大地测量的主要测量手段，也是区域和局部测量的主要技术手段，同时也要求我们对地球重力场在区域或者局部具有更精细的结构。

1.2大地测量学的任务

基于1.1节大地测量学的定义，我们可以看出大地测量学的研究目标是在地球的自然表面和外部空间进行测绘来确定地球形状、外部重力场、地球自转及其随时间的变化。大地测量边值问题能够有效地结合地球的形状(几何性质）和重力场(物理性质）。对地球形状的研究具体包括地球的自然形状、数学形状和大地测量基准。地球的自然表面是固体或者流体质量和大气之间的边界。海底地形可以归入地球的自然表面，代表地球的固体部分和海水部分的分界面。由于地球的自然表面极其不规则，无法用一个解析的数学表达式来进行严格的表达，因此，在陆地上我们通常采用一些离散的控制点来对它进行表达。假定控制点足够密集，那么可以通过空间和地面地形测量、摄影测量和水文测量的数据来精细地确定某一区域的陆地形状的精细结构。对于占地球的自然表面70%的海洋表面，假定忽略洋流和海潮等干扰，那么海洋表面就是一个重力场的等位面，将该等位面向陆地以下延伸，包围整个地球所形成的曲面称为地球的数学表面。J.B.Listing在1873年首次把该等位面称为大地水准面。

对地球外部重力场的描述包含了大地测量物理方面的研究。大地水准面和地球的自然表面是研究地球外部重力场的两个重要的边界面。根据牛顿万有引力定律，地球外部重力场能够通过解析的球谐函数级数来表达。另外，我们可以采用无穷多个地球外部（或者部分外部）的水准面作为地球重力场的几何代表。大地水准面作为地球的物理形状，对地球外部重力场的确定具有重要的作用。

本书主要侧重于大地测量的基本理论的介绍和实践。大地测量学的主要研究目标研究地球形状及其重力场以及随时间的变化。本书主要有以下主要内容，第一章为绪论，介绍大地测量学研究目标和内容，大地测量的发展，大地测量学与其他学科之间的关系；第二章介绍时间系统和坐标系统，对测量中所采用的各种时间进行系统介绍，地球坐标系统和天球坐标系统以及坐标系之间的相互转换；第三章介绍地球形状及其重力场，侧重介绍高程系统和重力场之间的内在关系和逻辑；第四章介绍地球椭球和地图投影，主要介绍椭球的几何性质和高斯投影；第五章介绍地球结构和地球动力学，主要是大地测量学作为研究工具研究地球系统。