3 大地测量控制网的建立

一、水准面与大地水准面1、水准面我们把重力位相等的面称为重力等位面，也就是我们通常所说的水准面。

水准面有无数个。

1）水准面具有复杂的形状。

2）水准面相互既不能相交也不能相切。

3）每个水准面都对应着唯一的位能W=C=常数，在这个面上移动单位质量不做功，亦即所做的功等于0，即dW=-gsds，可见水准面是均衡面。

4）在水准面上，所有点的重力均与水准面正交。

于是水准面又可定义为所有点都与铅垂线正交的面。

故设想与平均海水面相重合，不受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂直的水准面称为大地水准面大地水准面作为测量外业的基准面，而与其相垂直的铅垂线则是外业的基准线。

似大地水准面与大地水准面在海洋上完全重合，而在大陆上也几乎重合，在山区只有2-4m 的差异我们选择参考椭球面作为测量内业计算的基准面，而与其相垂直的法线则是内业计算的基准线。

1．参心坐标系建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题：(1)确定椭球的形状和大小；(2)确定椭球中心的位置，简称定位；(3)确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；(4)确定大地原点。

我国几种常用参心坐标系：BJZ54、GDZ802．地心坐标系地心坐标系分为地心空间大地直角坐标系和地心大地坐标系等。

地心空间大地直角坐标系又可分为地心空间大地平面直角坐标系和空间大地舜时直角坐标系。

1）建立地心坐标系的意义：2）建立地心坐标系的最理想方法是采用空间大地测量的方法。

3）地心坐标系的表述形式(判断)1）WGS一84大地坐标系WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。

WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。

WGS一84坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIHl984．0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIHl984．0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴和Z、X轴构成右手坐标系。

大地测量学基础1、大地测量学的定义与作用定义：在一定的时间与空间参考系统中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，研究近地空间定位技术并为人类活动提供关于地球的空间信息的一门学科作用：大地测量学为地球科学研究提供时空坐标基础；大地测量学在防灾及环境监测中发挥着特殊作用；大地测量学是发展空间技术和国防建设的重要保障；建立大地控制网为测绘工程提供大地参考框架。

2、大地测量学的基本体系和内容基本体系：几何大地测量学物理大地测量学空间大地测量学内容：确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系；研究月球及太阳系行星的形状及重力场；建立和维持国家天文大地水平控制网和精密水准网；研究高精度观测技术和方法；研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关的大地测量计算。

3、大地测量学的发展简史及展望（以上三个课本第一章内容）发展简史：地球圆球阶段地球椭球阶段大地水准面阶段现代大地测量新时期展望：全球卫星导航定位系统(GNSS)，激光测卫(SLR)以及甚长基线干涉测量(VLBI)是主导本学科发展的主要的空间大地测量技术；空间大地网在地球科学研究中发挥重要作用；精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标；深空大地测量为空间探测提供定位技术保障，深空网的建设将是空间大地测量的重要内容。

4、岁差：地球绕地轴旋转，由于日月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，形成一个倒圆椎体，这种运动叫做岁差。

5、章动：地球受日月引力的影响，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，大致形成椭圆形轨迹，这种现象叫章动6、极移：地球自转轴处了章动、岁差的变化外，还存在着相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象叫极移。

7、国际协议原点：国际上采用的5个纬度服务站以1900-1905年的平均纬度所确定的平级作为基准点8、恒星时：以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间叫恒星时。

常规大地测量基本技术与方法1、国家平面大地控制网建立的基本原理大地测量学的基本任务之一，是在全国范围内建立高精度的大地测量控制网，以精密确定地面点的位置。

确定地面点的位置，实质上是确定点位在某特定坐标系中的三维坐标，通常称其为三维大地测量。

例如，全球卫星定位系统(GPS)就是直接求定地面点在地心坐标系中的三维坐标。

传统的大地测量是把建立平面授制网和高程控制网分开进行的，分别以地球椭球面和大地水准面为参考面确定地面点的坐标和高程。

因此，下面将分别进行介绍。

2、建立国家平面大地控制网的方法2.1 常规大地测量法2.1.1．三角测量法1)网形如下图所示，在地面上选定一系列点位1，2，…，使其构成三角形网状，观测的方向需通视，三角网的观测量是网中的全部(或大部分)方向值，由这些方向值可计算出三角形的各内角。

2)坐标计算原理如果已知点1的坐标(2t，y1)，又精密地测量了点l至点2的边长3，z和坐标方位角01z，就可用三角形正弦定理依次推算出三角网中其他所有边长，各边的坐标方位角及各点的坐标。

这些三角形的顶点称为三角点，又称大地点。

把这种测量和计算工作称为三角测量。

3)三角网的元素三角网的元素是指网中的方向(或角度)、边长、方位和坐标。

根据其来源的不同，以分为三类。

①起算元素：已知的坐标、边长和已知的方位角，也称起算数据。

②观测元素：三角网中观测的所有方向(或角度)。

②推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推算的三角网中其他边长、坐标方位角和各点的坐标。

2.2.2．导线测量法在地面上选定相邻点间互相通视的一系列控制点A、B、C…，连接成一条折线形状(如图)，直接测定各边的边长和相互之间的角度。

若已知A点的坐标(又d，y4)和一条边的方位角(例如AAJ边的方位角04“)，就可以推算出所有其他控制点的坐标。

这些控制点称为导线点，把这种测量和计算工作称为导线测量。

2.2.3．三边测量及边角同测法三边测量法的网形结构同三角测量法一样，只是观测量不是角度而是所有三角形的边长，各内角是通过三角形余弦定理计算而得到的。

大地测量控制网的建立建立大地测量控制网，精确测定控制网点的坐标、高程和重力值，是大地测量的基本任务。

经典大地测量控制网分为平面控制网、高程控制网和重力控制网。

20世纪70年代以来开始应用GPS等空间大地测量技术建立大地测量控制网。

本章首先介绍国家平面控制网和高程控制网的建立原理和方法。

介绍国家GPS网、国家重力网。

最后重点叙述实用的工程控制网的建立原理和方法。

第一节国家平面控制网与高程控制网的建立一、国家大地控制网及其作用1、为地形测图提供精密控制国家大地控制网是具有统一坐标系统的高精度测量控制网，它是地形测量、航空摄影测量和工程测量中加密控制网的基础，测绘地形图时所建立的图根控制网，就是以大地控制网点为基础进一步加密而成的。

在测绘地形图中，大地控制网的重要作用具体体现在以下三个方面：（1）限制测图误差积累，保证成图精度。

测绘工作中测量误差是不可避免的，例如平板测图中，每描绘一条方向线，丈量一段距离，都会产生误差。

这种误差在小范围内不易觉察出来，而在大面积测图中将逐渐传递和积累起来，使地形、地物点在图上的位置产生较大误差，甚至使相邻图幅不能很好地拼接。

如果以大地控制网的精确点位为基础，再进一步根据需要加密图根点作为测图控制，就能把误差限制在相邻控制点之间而不致积累传播，从而保证了成图的精度。

（2）统一坐标系统，保证相邻图幅拼接。

由于全国各地区经济建设开发时间上的差异，国家基本地形图通常是各个测绘部门在不同时期、不同地区分幅测绘的。

由于大地控制网点的坐标系统在全国是统一的，精度是一致的，这样，不管在任何地区、任何时间开展测图工作，都不会出现漏测或重叠，从而保证了相邻图幅的良好拼接，形成统一整体。

（3）提供点位的平面坐标，保证平面测图。

地球接近于旋转椭球，其表面是不可展平的曲面，强制展平就会出现皱褶或破裂，也就是说，用一般的方法是不能把球面上的地形测绘在平面图上的。

但大地控制点在椭球面上的位置是可以精密确定的，并且可以在保证必要精度的前提下，通过一定的数学方法把它化算为投影平面上的点位（x,y），进而计算出图根点的平面坐标。

大地测量学复习重点第一章绪论1、测量学的分支：分为普通测量学（简称测量学）和大地测量学。

2、大地测量学的定义和作用定义：是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息的一门学科。

作用：①大地测量学是一切测绘科学技术的基础。

在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。

②大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发挥着特殊作用。

③大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。

3、大地测量学的基本体系由几何大地测量学（天文大地测量学）、物理大地测量学（理论大地测量学）、空间大地测量学构成。

4、几何大地测量学、物理大地测量学以及空间大地测量学的基本任务和内容①基本任务：是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。

主要内容：国家大地测量控制网(包括平面控制网和高程控制网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。

②基本任务：是用物理方法(重力测量)确定地球形状及其外部重力场。

主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。

③基本任务：主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。

5、现代大地测量的特征答：①研究范围大（全球：如地球两极、海洋）；②从静态到动态，从地球内部结构到动力过程；③观测精度越高，相对精度达到10-8~10-9，绝对精度可到达毫米；④测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。

第二章时间和坐标系统1、天球的概念概念：所谓天球，是指以地球质心O（或测站）为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。

在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。

2、大地基准与大地基准的建立大地基准：指用以描述地球形状的参考椭球的参数，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。

大地测量学基础:《大地测量学基础》是2010年5月1日武汉大学出版社出版的图书，作者是孔祥元。

图书简介:该书是“十一五”国家级规划教材，也是国家精品课程教材。

本教材严格按照教育部批准的“十一五”国家级规划教材立项要求和全国高等学校测绘学科教学指导委员会以及武汉大学的具体要求进行编写，是全国高等学校测绘工程专业本科教学用教材，也可供从事测绘工程专业及相关专业的科技人员、管理人员及研究生等参考。

图书目录:序第二版前言前言第1章绪论1.1 大地测量学的定义和作用1.1.1 大地测量学的定义1.1.2 大地测量学的地位和作用1.2 大地测量学的基本体系和内容1.2.1 大地测量学的基本体系1.2.2 大地测量学的基本内容1.2.3 大地测量学同其他学科的关系1.3 大地测量学的发展简史及展望1.3.1 大地测量学的发展简史1.3.2 大地测量的展望第2章坐标系统与时间系统2.1 地球的运转2.1.1 地球绕太阳公转2.1.2 地球的自转2.2 时间系统2.2.1 恒星时(ST)2.2.2 世界时(UT)2.2.3 历书时(ET)与力学时(DT)2.2.4 原子时(AT)2.2.5 协调世界时(UTC)2.2.6 卫星定位系统时间2.3 坐标系统2.3.1 基本概念2.3.2 惯性坐标系(ClS)与协议天球坐标系2.3.3 地固坐标系2.3.4 坐标系换算第3章地球重力场及地球形状的基本理论3.1 地球及其运动的基本概念3.1.1 地球概说3.1.2 地球运动概说3.1.3 地球基本参数：3.2 地球重力场的基本原理3.2.1 引力与离心力3.2.2 引力位和离心力位3.2.3 重力位3.2.4 地球的正常重力位和正常重力3.2.5 正常椭球和水准椭球，总的地球椭球和参考椭球3.3 高程系统3.3.1 一般说明3.3.2 正高系统3.3.3 正常高系统3.3.4 力高和地区力高高程系统3.3.5 国家高程基准3.4 关于测定垂线偏差和大地水准面差距的基本概念3.4.1 关于测定垂线偏差的基本概念3.4.2 关于测定大地水准面差距的基本概念3.5 关于确定地球形状的基本概念3.5.1 天文大地测量方法3.5.2 重力测量方法3.5.3 空间大地测量方法第4章地球椭球及其数学投影变换的基本理论4.1 地球椭球的基本几何参数及其相互关系4.1.1 地球椭球的基本几何参数4.1.2 地球椭球参数间的相互关系4.2 椭球面上的常用坐标系及其相互关系4.2.1 各种坐标系的建立4.2.2 各坐标系间的关系4.2.3 站心地平坐标系4.3 椭球面上的几种曲率半径4.3.1 子午圈曲率半径4.3.2 卯酉圈曲率半径4.3.3 主曲率半径的计算4.3.4 任意法截弧的曲率半径4.3.5 平均曲率半径4.3.6 M，N，R的关系4.4 椭球面上的弧长计算4.4.1 子午线弧长计算公式4.4.2 由子午线弧长求大地纬度4.4.3 平行圈弧长公式4.4.4 子午线弧长和平行圈弧长变化的比较4.4.5 椭球面梯形图幅面积的计算4.5 大地线4.5.1 相对法截线4.5.2 大地线的定义和性质4.5.3 大地线的微分方程和克莱劳方程4.6 将地面观测值归算至椭球面4.6.1 将地面观测的水平方向归算至椭球面4.6.2 将地面观测的长度归算至椭球面4.7 大地测量主题解算概述4.7.1 大地主题解算的一般说明4.7.2 勒让德级数式4.7.3 高斯平均引数正算公式4.7.4 高斯平均引数反算公式4.7.5 白塞尔大地主题解算方法4.8 地图数学投影变换的基本概念4.8.1 地图数学投影变换的意义和投影方程4.8.2 地图投影的变形4.8.3 地图投影的分类4.8.4 高斯投影简要说明4.9 高斯平面直角坐标系4.9.1 高斯投影概述4.9.2 正形投影的一般条件4.9.3 高斯投影坐标正反算公式4.9.4 高斯投影坐标计算的实用公式及算例4.9.5 平面子午线收敛角公式4.9.6 方向改化公式4.9.7 距离改化公式4.9.8 高斯投影的邻带坐标换算4.10通用横轴墨卡托投影和高斯投影族的概念4.10.1 通用横轴墨卡托投影概念4.10.2 高斯投影族的概念4.11兰勃脱投影概述4.11.1 兰勃脱投影基本概念4.11.2 兰勃脱投影坐标正、反算公式4.11.3 兰勃脱投影长度比、投影带划分及应用第5章大地测量基本技术与方法5.1 国家平面大地控制网建立的基本原理5.1.1 建立国家平面大地控制网的方法5.1.2 建立国家平面大地控制网的基本原则5.1.3 国家平面大地控制网的布设方案5.1.4 大地控制网优化设计简介5.2 国家高程控制网建立的基本原理5.2.1 国家高程控制网的布设原则5.2.2 国家水准网的布设方案及精度要求5.2.3 水准路线的设计、选点和埋石5.2.4 水准路线上的重力测量5.2.5 我国国家水准网的布设概况5.3 工程测量控制网建立的基本原理5.3.1 工程泓量控制网的分类5.3.2 工程平面控制网的布设原则5.3.3 工程平面控制网的布设方案5.3.4 工程高程控制网的布设5.4 大地测量仪器5.4.1 精密测角仪器——经纬仪5.4.2 电磁波测距仪5.4.3 全站仪5.4.4 GPS接收机5.4.5 TPS和GPS的集成——徕卡系统1200-超站仪(system1200-SmartStation5.4.6 精密水准测量的仪器——水准仪5.5 电磁波在大气中的传播5.5.1 一般概念5.5.2 电磁波在大气中的衰减5.5.3 电磁波的传播速度5.5.4 电磁波的波道弯曲5.6 精密角度测量方法5.6.1 精密测角的误差来源及影响5.6.2 精密测角的一般原则5.6.3 方向观测法5.6.4 分组方向观测法5.6.5 归心改正5.7 精密的电磁波测距方法5.7.1 电磁波测距基本原理5.7.2 N值解算的一般原理5.7.3 距离观测值的改正……第6章深空在地测量简介主要参考文献。

常规大地测量基本技术与方法1、国家平面大地控制网建立的基本原理大地测量学的基本任务之一，是在全国范围内建立高精度的大地测量控制网，以精密确定地面点的位置。

确定地面点的位置，实质上是确定点位在某特定坐标系中的三维坐标，通常称其为三维大地测量。

例如，全球卫星定位系统(GPS)就是直接求定地面点在地心坐标系中的三维坐标。

传统的大地测量是把建立平面授制网和高程控制网分开进行的，分别以地球椭球面和大地水准面为参考面确定地面点的坐标和高程。

因此，下面将分别进行介绍。

2、建立国家平面大地控制网的方法2.1 常规大地测量法2.1.1．三角测量法1)网形如下图所示，在地面上选定一系列点位1，2，…，使其构成三角形网状，观测的方向需通视，三角网的观测量是网中的全部(或大部分)方向值，由这些方向值可计算出三角形的各内角。

2)坐标计算原理如果已知点1的坐标(2t，y1)，又精密地测量了点l至点2的边长3，z和坐标方位角01z，就可用三角形正弦定理依次推算出三角网中其他所有边长，各边的坐标方位角及各点的坐标。

这些三角形的顶点称为三角点，又称大地点。

把这种测量和计算工作称为三角测量。

3)三角网的元素三角网的元素是指网中的方向(或角度)、边长、方位和坐标。

根据其来源的不同，以分为三类。

①起算元素：已知的坐标、边长和已知的方位角，也称起算数据。

②观测元素：三角网中观测的所有方向(或角度)。

②推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推算的三角网中其他边长、坐标方位角和各点的坐标。

2.2.2．导线测量法在地面上选定相邻点间互相通视的一系列控制点A、B、C…，连接成一条折线形状(如图)，直接测定各边的边长和相互之间的角度。

若已知A点的坐标(又d，y4)和一条边的方位角(例如AAJ边的方位角04“)，就可以推算出所有其他控制点的坐标。

这些控制点称为导线点，把这种测量和计算工作称为导线测量。

2.2.3．三边测量及边角同测法三边测量法的网形结构同三角测量法一样，只是观测量不是角度而是所有三角形的边长，各内角是通过三角形余弦定理计算而得到的。