大地測量學(xué)

• 大地測量學(xué)：一門量測和描繪地球表面的科學(xué)

• 大地測量學(xué)：1994年科學(xué)出版社出版的圖書

• 幾何大地測量學(xué)亦即天文大地測量學(xué)：它的基本任務(wù)是確定地球的形狀和大小及確定地面點(diǎn)的幾何位置。

• 物理大地測量學(xué)也稱理論大地測量學(xué)：它的基本任務(wù)是用物理方法（重力測量）確定地球形狀及其外部重力場。

• 空間大地測量學(xué)：主要研究人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論，技術(shù)與方法。

整體大地測量學(xué)－－研究將幾何和物理空間統(tǒng)一起來，在時(shí)間空間參考系中，將大地測量學(xué)的一切幾何觀測量和物理觀測量放在一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型中處理的學(xué)科。

它是大地測量學(xué)按照研究地球的時(shí)空屬性來劃分的分支學(xué)科。1971年，丹麥學(xué)者克拉魯普創(chuàng)建了整體大地測量學(xué)，他也被人尊稱為“整體大地測量學(xué)之父”。2100433B

大地測量學(xué)萌芽階段

17世紀(jì)以前，大地測量學(xué)處于萌芽狀態(tài)。公元前3世紀(jì)，埃拉托色尼首先應(yīng)用幾何學(xué)中圓周上一段弧的長度、對應(yīng)的中心角同圓半徑的關(guān)系，計(jì)算地球的半徑長度。公元724年，中國唐代的南宮說等人在張遂（一行）的指導(dǎo)下，首次在今河南省境內(nèi)實(shí)測一條長約300千米的子午弧。其他國家也進(jìn)行過類似的工作。但當(dāng)時(shí)測量工具簡陋，技術(shù)粗糙，所得結(jié)果精度不高，只是測量地球大小的嘗試。

大地測量學(xué)大地測量學(xué)形成

1687年I.牛頓發(fā)表萬有引力定律之后，1690年荷蘭c.惠更斯在其著作《論重力起因》中，根據(jù)地球表面的重力值從赤道向兩極增加的規(guī)律，得出地球的外形為兩極略扁的扁球體論斷。1743年法國A.一C.克菜羅發(fā)表《地球形狀理論》，進(jìn)一步給出由重力數(shù)據(jù)和地球自轉(zhuǎn)角速度確定地球扁率的克萊羅定理。此外，17世紀(jì)初，荷蘭的w.斯涅耳首創(chuàng)三角測量。隨后望遠(yuǎn)鏡、測微器、水準(zhǔn)器等發(fā)明，測量儀器精度大幅度提高，為大地測量學(xué)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。17世紀(jì)末，大地測量學(xué)形成至衛(wèi)星大地測量的出現(xiàn)，這一階段的大地測量學(xué)通常稱為經(jīng)典大地測量學(xué)。主要標(biāo)志是以地面測角、測距、水準(zhǔn)測量和重力測量為技術(shù)手段解決陸地區(qū)域性大地測量問題?；《葴y量、三角測量、幾何高程測量以及橢球面大地測量理論的發(fā)展，形成幾何大地測量學(xué)；建立了重力場的位理論并發(fā)展了地面重力測量，形成物理大地測量學(xué)。

大地測量學(xué)弧度測量

1683～1718年，法國卡西尼父子（G.D.Cassini和J.Cassini）在通過巴黎的子午圈上用三角測量法測量弧幅達(dá)8°20’的弧長，推算出地球橢球的長半軸和扁率。由于天文緯度觀測沒有達(dá)到必要的精度，加之兩個(gè)弧段相近，以致得出了負(fù)的扁率值，即地球形狀是兩極伸長的橢球，與惠更斯根據(jù)力學(xué)定律作出的推斷正好相反。為了解決這一疑問，法國科學(xué)院于1735年派遣兩個(gè)測量隊(duì)分別赴高緯度地區(qū)拉普蘭（位于瑞典和芬蘭的邊界上）和近赤道地區(qū)秘魯進(jìn)行子午弧度測量，全部工作于1744年結(jié)束。兩處的測量結(jié)果證實(shí)緯度愈高，每度子午弧愈長，即地球形狀是兩極略扁的橢球。至此，關(guān)于地球形狀的物理學(xué)論斷得到了弧度測量結(jié)果的有力支持。

另一個(gè)著名的弧度測量是J.B.J.德朗布爾于1792～1798年間進(jìn)行的弧幅達(dá)9°40’的法國子午弧的測量。由這個(gè)新子午弧和1735～1744年間測量的秘魯子午弧的數(shù)據(jù)，推算了子午圈一象限的弧長，取其千萬分之一作為長度單位，命名為一米。這是米制的起源。

從18世紀(jì)起，繼法國之后，一些歐洲國家也都先后開展了弧度測量工作，并把布設(shè)方式由沿子午線方向發(fā)展為縱橫交叉的三角鎖或三角網(wǎng)。這種工作不再稱為弧度測量，而稱為天文大地測量。中國清代康熙年間（1708～1718）為編制《皇輿全覽圖》，曾實(shí)施大規(guī)模的天文大地測量。在這次測量中，也證實(shí)高緯度的每度子午弧比低緯度的每度子午弧長。另外，清代康熙皇帝還決定以每度子午弧長為200里來確定里的長度。

大地測量學(xué)幾何大地測量

19世紀(jì)起，許多國家都開展全國天文大地測量工作，其目的并不僅是為求定地球橢球的大小，更主要的是為測制全國地形圖提供大量地面點(diǎn)的精確幾何位置。這就推動了幾何大地測量的發(fā)展。

①為了檢校天文大地測量的大量觀測數(shù)據(jù)，求出最可靠的結(jié)果和評定觀測精度，法國A.一M.勒讓德于1806年首次發(fā)表最小二乘法的理論。事實(shí)上，德國數(shù)學(xué)家和大地測量學(xué)家C.F.高斯在1794年已經(jīng)應(yīng)用這一理論推算小行星的軌道，此后又用最小二乘法處理天文大地測量成果，把它發(fā)展到相當(dāng)完善的程度，形成測量平差法，至今仍廣泛應(yīng)用于大地測量。

②橢球面上三角形的解算和大地坐標(biāo)的推算，高斯于1828年在其著作《曲面通論》中提出橢球面三角形的解法。關(guān)于大地坐標(biāo)的推算，許多學(xué)者提出了多種公式，高斯于1822年發(fā)表橢球面投影到平面上的正形投影法，這是大地坐標(biāo)換算成平面坐標(biāo)的最佳方法，至今仍在廣泛應(yīng)用。

③利用天文學(xué)大地測量成果推算地球橢球長半軸和扁率，德國F.R.赫爾墨特提出在天文大地網(wǎng)中所有天文點(diǎn)的垂線偏差平方和為最小的條件下，解算與區(qū)域大地水準(zhǔn)面最佳擬合的橢球參數(shù)及其在地球體中定位的方法。以后這一方法被稱為面積法。

大地測量學(xué)物理大地測量

自1743年克萊羅發(fā)表了《地球形狀理論》之后，物理大地測量的最重要發(fā)展是1849年英國的G.G.斯托克斯提出的斯托克斯定理。根據(jù)這一定理，可以利用地面重力測量結(jié)果研究大地水準(zhǔn)面形狀。但它要求首先將地面重力測量結(jié)果歸算到大地水準(zhǔn)面上，由于地殼密度未知，這種歸算不能嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)。盡管如此，斯托克斯定理還是推動了大地水準(zhǔn)面形狀的研究工作。大約100年后，蘇聯(lián)的M.S.莫洛堅(jiān)斯基于1945年提出莫洛堅(jiān)斯基理論，它不需任何歸算，便可以直接利用地面重力測量數(shù)據(jù)嚴(yán)格地求定地面點(diǎn)到參考橢球面的距離（大地高程）。它避開了理論上無法嚴(yán)格求定的大地水準(zhǔn)面，直接求定地面點(diǎn)的大地高程。利用這種高程，可把大地測量的地面觀測值準(zhǔn)確地歸算到橢球面上，使天文大地測量的成果處理不因歸算不準(zhǔn)確而帶來誤差。伴隨著莫洛堅(jiān)斯基理論產(chǎn)生的天文重力水準(zhǔn)測量方法和正常高系統(tǒng)已被許多國家采用。這是在衛(wèi)星重力測量技術(shù)出現(xiàn)以前，由地面重力測量研究地球形狀和確定地球重力場的理論和方法，稱為經(jīng)典物理大地測量。

大地測量學(xué)現(xiàn)代大地測量

經(jīng)典大地測量由于其主要測量技術(shù)手段（測角和測邊）和方法本身的局限性，測量精度已近極限，測量范圍也難于達(dá)到占地球面積70%的海洋和陸地自然條件惡劣的地區(qū)（高原、沙漠和原始森林等）。1957年第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功后，利用人造衛(wèi)星進(jìn)行大地測量成為主要技術(shù)手段，從此發(fā)展到現(xiàn)代大地測量。其標(biāo)志是產(chǎn)生衛(wèi)星大地測量，突破了米級測量精度，從區(qū)域性相對大地測量發(fā)展到全球的大地測量，從測量靜態(tài)地球發(fā)展到可測量地球的動力學(xué)效應(yīng)。

大地測量學(xué)衛(wèi)星大地測量

1966年美國的W.M.考拉發(fā)表《衛(wèi)星大地測量理論》一書，為衛(wèi)星大地測量的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，對衛(wèi)星跟蹤觀測定軌技術(shù)得到迅速發(fā)展，從照相觀測發(fā)展到衛(wèi)星激光測距（8LR）和衛(wèi)星多普勒觀測。20世紀(jì)70年代美國首先建立衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航定位系統(tǒng)，根據(jù)精密測定的衛(wèi)星軌道根數(shù)，能夠以土1米或更高的精度測定任一地面點(diǎn)在全球大地坐標(biāo)系中的地心坐標(biāo)；90年代美國又發(fā)展了新一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即全球定位系統(tǒng)（GPS），以其廉價(jià)、方便、全天候的優(yōu)勢迅速在全球普及，成為大地測量定位的常規(guī)技術(shù)。俄羅斯發(fā)展了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），歐洲正在啟動伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Galileo）。衛(wèi)星大地測量不僅廣泛用于高精度測定地面點(diǎn)的位置，還用于確定全球重力場，并形成一門新的大地測量分支，即衛(wèi)星重力學(xué)。

大地測量學(xué)衛(wèi)星重力測量

衛(wèi)星激光測距對衛(wèi)星的跟蹤測量可以精確測定衛(wèi)星軌道的攝動，當(dāng)分離出占攝動主要部分的地球引力攝動，由此推算地球引力位球諧展開的低階位系數(shù)。20世紀(jì)70年代開始衛(wèi)星雷達(dá)測高，后又研制和發(fā)展了多代衛(wèi)星測高系統(tǒng)，用于精確測定平均海面的大地高，確定海洋大地水準(zhǔn)面，并反求海洋重力異常，分辨率優(yōu)于lO千米，精度優(yōu)于分米級。

大地測量學(xué)動力大地測量

SLR和甚長基線干涉測量（VLBI），可以厘米級或更優(yōu)的精度監(jiān)測板塊的運(yùn)動速率、極移和地球自轉(zhuǎn)速率的變化。GPS更能以毫米級精度測定板塊內(nèi)地塊的相對運(yùn)動及地殼形變，還廣泛用于監(jiān)測斷層和地震活動、極地冰原和陸地冰川的運(yùn)動和變化以及冰后回彈現(xiàn)象。

大地測量學(xué)海洋大地測量

衛(wèi)星測高已成為確定高分辨率全球海洋大地水準(zhǔn)面的最廉價(jià)有效的手段，GPS也成為海洋導(dǎo)航定位的主要工具，定位精度比傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航精度提高1～2個(gè)數(shù)量級，多波束聲吶測深相對精度已達(dá)到或接近111000。海底大地控制網(wǎng)和海底地形測量的規(guī)模和精度在不斷提高。