1 绪论

大地测量学简介

定义

大地测量学（geodesy）是地球科学的一个分支学科，是为人类活动提供空间信息的科学，着重于研究地球的几何特征（形状和大小）和基本物理特性（重力场）及其变化。

其科学性体现在对地球形状、重力场、地球自转和空间参考的建模与解释；工程性体现在建立统一坐标和时间框架，使测图、卫星定位、导航和工程测量能在同一基准下交换位置结果。

分类

空间大地测量：以卫星大地测量为主，研究地球在空间中的位置、姿态和全球参考框架。通常通过 GNSS、VLBI、SLR 实现卫星定轨，建立坐标框架与时间框架。

物理大地测量：研究地球重力场及大地水准面，涵盖地面重力、航空重力、卫星重力观测，产出重力场模型与高程基准。

任务

大地控制测量的基本任务是建立一个协议地球参考坐标系，并将国家三维地心坐标系纳入到这个坐标框架。

经济建设方面，统一全国坐标框架，建立国家和精密城市控制网，精确测定控制点的坐标，为经济建设服务。

地学研究方面：

• 建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的三维大地网，长期监测网点随时间的变化；
• 监测和分析各种地球动力学现象；
• 测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时间的变化。

地球形状的三个层次

地球并非一个理想均匀球体。真实物理表面起伏明显，内部质量分布也不均匀。因此，很多时候不能将地球简单处理为一个球，把「地球半径」理解成唯一且处处适用的常数。

• 真实物理表面：山脉、海洋和建筑所在的实际表面，形状复杂，不适合作为全局计算基准。
• 大地水准面：接近平均海平面的一个重力等位面，具有明确物理意义：任意点的铅垂线方向与该面正交。大地水准面受地球质量分布影响，形状不规则，不能用少数几个几何参数精确写出。
• 平均椭球面：人为选定、可严格参数化的旋转椭球，是与全球大地水准面相吻合的旋转椭球面。
• 参考椭球面：人为选定、可严格参数化的旋转椭球，是与区域性大地水准面相吻合的旋转椭球面。

平均椭球面与参考椭球面用长半轴、短半轴和扁率等参数近似地球，适合定义经纬度、椭球高、地心坐标和地图投影计算。

平均椭球的几何与物理参数有：

• 几何参数
  • 长半径 $a$
  • 扁率 $\alpha$
• 物理参数
  • 地心引力常数 $GM$
  • 自传角速度 $\omega$

不同国家和地区依据各自定义的平均海水面所确定的大地水准面不尽一致。各国使用的参考椭球面也不尽相同。我国先后使用过的参考椭球参数有：

1. 1954 北京坐标系（北京 54）
   • 椭球参数：克拉索夫斯基椭球
     • 长半径 $a=6378245m$
     • 扁率 $\alpha =1/298.3$
   • 定位：从前苏联远东控制网引入
2. 1980 西安坐标系（西安 80）
   • 椭球参数：IAG1967 椭球
     • 长半径 $a=6378140m$
     • 扁率 $\alpha =1/298.257$
   • 定位：由我国的天文大地网数据近似选定
3. CGCS2000 坐标系
   • 椭球参数：接近 WGS84
     • 长半径 $a=6378137m$
     • 扁率 $\alpha =1/298.257222101$
   • 定位：绑定 ITRF97