大地测量学基础
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大地测量学基础一、大地测量的基本概念1、大地测量学的定义它是一门量测和描绘地球表面的科学。
它也包括确定地球重力场和海底地形。
也就是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。
测绘学的一个分支。
主要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的空间信息。
是一门地球信息学科。
是一切测绘科学技术的基础.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. 内容和分支学科解决大地测量学所提出的任务,传统上有两种方法:几何法和物理法。
随着20世纪50年代末人造地球卫星的出现,又产生了卫星法。
所以现代大地测量学包括几何大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学3个主要部分。
几何法是用一个同地球外形最为接近的几何体(即旋转椭球,称为参考椭球)代表地球形状,用天文大地测量方法测定这个椭球的形状和大小,并以它的表面为基础推算地面点的几何位置。
物理法是从物理学观点出发研究地球形状的理论。
用一个同全球平均海水面位能相等的重力等位面(大地水准面)代表地球的实际形状,用地面重力测量数据研究大地水准面相对于地球椭球面的起伏。
卫星法是利用卫星在地球引力场中的轨道运动,从尽可能均匀分布在整个地球表面上的十几个至几十个跟踪站,观测至卫星瞬间位置的方向、距离或距离差。
该书全面地讨论了测绘基准与大地控制网、大地水准面与高程系统、参考椭球面与大地坐标系、高斯投影与高斯平面坐标系、大地坐标系的建立等测绘学的基本问题,介绍了与之相关的各类大地测量数据采集技术。
《大地测量学基础》是测绘学科的专业核心课程,在测绘工程专业的课程体系中占有重要地位,本课程以现代大地测量学的新成就和发展为着眼点,着重阐述大地测量学的基础理论、主要技术与方法,这是测绘工程专业学生必须掌握的基本知识与技能,通过该课程的学习,使学生掌握扎实的大地测量理论基础和基本技能,培养学生创新思维和灵活运用能力,具备大地坐标系、大地参考框架、高程基准、大地网建立等方面的系统知识。
该课程重点要求学生掌握以下知识:1、熟悉现代大地测量学科现状和发展趋势、大地测量学的科学内涵及其在地学研究和工程建设中的作用,了解深空大地测量基本概念。
2、掌握大地测量基本技术与方法:大地控制网的布设方案,利用卫星定位接收机、电子全站仪、数字水准仪等观测技术建立大地控制网的观测与数据处理技术。
3、重点掌握大地测量基本概念与基础理论:包括大地测量坐标系统、时间系统、高程系统,地球重力场的基本概念,地球椭球的基本参数、椭球面上的常用坐标系及其相互关系、椭球面上的大地测量计算、将地面观测值归算至椭球面、地图数学投影变换的基本概念、高斯平面直角坐标系。
4、了解大地控制网的相关规范:全球定位系统测量规范GB/T 18314-2009,国家一、二等水准测量规范GB12897-2006。
5、具备初步的大地测量工程实践能力:通过课间实习掌握精密水准测量工作流程;通过编程实现各种坐标转换、高斯投影正反算、椭球面上大地线长度和大地方位角及曲面面积计算、大地网概算与平差等大地测量计算项目,掌握大地网数据处理的工作过程。
目录第一章绪论1.1 大地测量学的定义和作用1.2 大地测量学的基本体系和内容1.3 大地测量学的发展简史及展望第二章坐标系统与时间系统2.1 地球的运转2.2 时间系统2.3 坐标系统第三章地球重力场及地球形状的基本理论3.1 地球形状3.2 地球重力场的基本原理3.3 高程系统3.4 关于测定垂线偏差和大地水准面差距的概念3.5关于确定地球形状的基本概念第四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4.2 椭球面上的常用坐标系及其相互关系4.3 椭球面上的几种曲率半径4.4 椭球面上的弧长计算4.5 大地线4.6 将地面观测值归算至椭球面4.7 大地测量主题解算概述4.8 地图数学投影变换的基本概念4.9 高斯平面直角坐标系4.10通用横轴墨卡托投影和高斯投影簇的概念4.11 兰勃脱投影概述第五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5.2 国家高程控制网建立的基本原理5.3 工程测量控制网建立的基本原理5.4 大地测量仪器5.5电磁波在大气中的传播5.6 精密角度测量方法5.7 精密电磁波测距方法5.8 精密水准测量方法。
第一章1.大地测量学的定义大地测量学是在一定的时间-空间参考系统中,测量和描绘地球及其他行星体的一门学科。
2.大地测量学的基本体系以三个基本分支为主所构成的基本体系。
几何大地测量学物理大地测量学空间大地测量学3.大地测量学的基本任务精确确定地面点位及其变化研究地球重力场、地球形状和地球动力现象4.大地测量学的基本内容1、大地测量基础知识(基准面和基准线,坐标系统和时间系统,地球重力场等);2、大地测量学的基本理论(地球椭球基本的理论,高斯投影的基本理论,大地坐标系统的建立与坐标系统的转换等);3、大地测量基本技术与方法(经典的、现代的)4、大地控制网的建立(包括国家大地控制网、工程控制网。
形式有三角网、导线网、高程网、GPS网等);5、大地测量数据处理(概算与平差计算)。
5.大地测量学的基本作用1、为地形测图与大型工程测量提供基本控制;2、为城建和矿山工程测量提供起始数据;3、为地球科学的研究提供信息;4、在防灾、减灾和救灾中的作用;5、发展空间技术和国防建设的重要保障。
第二章1.岁差章动极移由于日、月等天体的影响,类似于旋转陀螺,地球的旋转轴在空间围绕黄极发生ε=︒,旋转周期为26000缓慢旋转,形成一个倒圆锥体,其锥角等于黄赤交角23.5年,这种运动称为岁差。
月球绕地球旋转的轨道称为白道,由于白道对黄道有约5︒的倾斜,使得月球引力产生的大小和方向不断变化,从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期运动,振幅为9.21'',这种现象称为章动。
地球自转轴存在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,这种现象称为极移。
2.恒星时太阳时原子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,称为恒星时。
以真太阳作为基本参考点,由其周日视运动确定的时间,称为真太阳时。
原子时是一种以原子谐振信号周期为标准,并对它进行连续计数的时标。
1.大地测量学的定义: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。
2.大地测量学的作用:(1)为人类活动提供地球信息。
(2)在防灾减灾和救援活动中发挥日益增强的作用。
(3)在环境监测和保护等领域中发挥重要作用。
(4)探索地球物理现象的力学机制,获取表征地球运动和形变的参数。
(5)为空间技术和国防现代化建设提供重要保障。
3.在测量工作中,为了不使误差积累,必须遵循“从整体到局部”,“先控制后碎部”的原则。
4.布设原则:从高级到低级逐级加密。
国家水准网遵循“从整体到局部、由高级到低级、逐级控制、逐级加密”的原则布设为一、二、三、四等。
5.大地测量学的基本任务:建立控制网,确定控制点的位置。
6.大地测量学的基准面和基准线:椭球面、参考椭球面、水准面、大地水准面、高斯面、地球自然表面、(似)大地水准面、首子午面、赤道;(铅)垂线、法线地球自转轴。
7.我国的参考椭球:1954北京坐标系、1980西安坐标系,“1980年国家大地坐标系”(简称80系)(大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇)。
8.大地水准面的铅垂线与椭球面的法线必然不重合,两者之间的夹角u称为垂线偏差。
9.大地水准面与椭球面在某一点上的高差称为大地水准面差距,用N表示。
似大地水准面与椭球面在某一点上的高差称为高程异常,用 表示。
大地高——地面点沿法线至椭球面的距离,正高——地面点沿实际重力(垂)线至大地水准面的距离,正常高——地面点沿实际重力(垂)线至似大地水准面的距离。
10.经纬仪仪器误差:⑴视准轴误差⑵度盘偏心误差⑶横轴(水平轴)倾斜误差⑷竖轴倾斜误差11.度盘偏心误差:度盘中心与照准部旋转中心不重合,即度盘中心与地面点不在同一铅垂线上。
误差特点:在度盘的不同位置对读数的影响不同。
减弱或消除办法:(1)不同测回间配置度盘,使读数均匀分布在度盘上;(2)采用度盘对径分划取平均值的办法;(3)盘左盘右取平均值的办法。
第一章1.大地测量学的定义大地测量学是在一定的时间-空间参考系统中,测量和描绘地球及其他行星体的一门学科。
2.大地测量学的基本体系以三个基本分支为主所构成的基本体系。
几何大地测量学物理大地测量学空间大地测量学3.大地测量学的基本任务精确确定地面点位及其变化研究地球重力场、地球形状和地球动力现象4.大地测量学的基本内容1、大地测量基础知识(基准面和基准线,坐标系统和时间系统,地球重力场等);2、大地测量学的基本理论(地球椭球基本的理论,高斯投影的基本理论,大地坐标系统的建立与坐标系统的转换等);3、大地测量基本技术与方法(经典的、现代的)4、大地控制网的建立(包括国家大地控制网、工程控制网。
形式有三角网、导线网、高程网、GPS网等);5、大地测量数据处理(概算与平差计算)。
5.大地测量学的基本作用1、为地形测图与大型工程测量提供基本控制;2、为城建和矿山工程测量提供起始数据;3、为地球科学的研究提供信息;4、在防灾、减灾和救灾中的作用;5、发展空间技术和国防建设的重要保障。
第二章1.岁差章动极移由于日、月等天体的影响,类似于旋转陀螺,地球的旋转轴在空间围绕黄极发生ε=︒,旋转周期为26000缓慢旋转,形成一个倒圆锥体,其锥角等于黄赤交角23.5年,这种运动称为岁差。
月球绕地球旋转的轨道称为白道,由于白道对黄道有约5︒的倾斜,使得月球引力产生的大小和方向不断变化,从而导致地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期运动,振幅为9.21'',这种现象称为章动。
地球自转轴存在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,这种现象称为极移。
2.恒星时太阳时原子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,称为恒星时。
以真太阳作为基本参考点,由其周日视运动确定的时间,称为真太阳时。
原子时是一种以原子谐振信号周期为标准,并对它进行连续计数的时标。
完成日期: 2007-01-12作业内容:《大地测量学基础》习题集1、现代大地测量学由哪三部分组成2、大地测量学的发展经历了哪几个阶段,各阶段有哪些主要贡献?3、几何大地测量学的基本任务是什么?4、物理大地测量学的基本任务是什么?5、一般地说,重力位是指什么?6、从物理学方面来说,引力位的含义如何?7、离心力位函数可如何表示8、地球正常椭球可用哪几个基本参数确定?9、WGS-84地球椭球的大地基准常数为如何?10、高出地面3 米,正常重力值减少多少Gal?为什么?11、我国东部沿海海水面总趋势如何?13、一般地,椭球上一点的大地纬度B、球心纬度φ和归化纬度μ的大小关系如何?14、椭球长短轴a、b与第一偏心率e关系为:则椭球长短轴a、b与第二偏心率e’关系如何?15、椭球面上的一点的法线界于椭球面与短轴之间的长度,则长轴以上的长度等于多少,在长轴以下的长度等于多少?16、椭球面上的一点等于界于椭球面与短轴之间的长度,为什么?17、垂线偏差μ在子午圈和卯酉圈分量分别为ξ、η,在大地方位角为A的法截面的投影分量可如何表示?18、拉普拉斯方程描述了与天文方位角之间的关系如何?19、地面任点的正高含义如何?20、地面任点的正常高含义如何?21、正常高与正高在上数值相等吗?22、正常高计算公式的右边三项的意义如何?22、实际重力位与正常重力位之差如何?23、何处的子午圈和卯酉圈的曲率半径相等,为什么?24、卯酉圈曲率半径随纬度的增大如何?25、球面及椭球面上两点间的最短距离是两点间的和吗?为什么?26、测量计算的基准面和基准线是什么?27、地面观测的方向值归算至椭球面上应加哪些差改正。
28、大从解析意义来讲,地测量主题解算含义如何?29、大地测量主题正算是指已知一点的大地坐标(L1,B1)和P1至P2点的大地线长S及大地方位角A12,推求P2点的大地坐标(L2,B2)和大地线在P2点的反方位角A2130、勒让德级数法大地测量主题解算的实质如何?31、大地测量学为了解决地面同椭球面的矛盾及椭球面与平面的矛盾,必需地进行大地测量主题解算与平面投影计算,为什么?32、地图投影变形主要有哪些?33、按变形性质分,地图投影可分为哪种?34、高斯投影含义如何?35、正形投影的两个基本要求如何?36、椭球面上大地线长度化S为高斯平面长度D近似公式如何?38、建立大地坐标系包括哪三个方面要求?39、大地坐标系统按椭球基准可分几种?40、大地坐标系统按坐标表示方式可分几种?41、坐标系统按与地球转动关系可分几种?42、参考椭球定位与定向的方法可分几种?43、三角网的元素按其来源不同,可分为几种?44、国家一等三角锁为何一般布设为沿网状?45、布设国家平面大地控制网主要包括工作有哪些?46、控制网选点工作应提交和选点工作技术总结等哪些资料。
47、J2仪器观测限差分几种?48、一测站4方向6测回的方向测回总数为多么?为何?49、测距仪标称精度M=A+BD中的A、B、D含义如何?50、传统平面大地控制网分为四个等级,测角中误差分别如何?51、国家平面控制网建立方法主要有几种?52、水准网的布设包括哪几部分?53、精度估算是指估算推算元素的精度,估算的基本公式如何?54、在三角测量概算中,计算近似边长的目的是为了计算归心改正,近似坐标、球面角超及三角高程?55、影响精密测距的主要因素哪三项?56、任何复杂的三角网都是由哪三种图形组成,如何?57、高斯投影不存在角度变形,但存在长度变形(除中央子午线外),且离中央子午线愈远变形,为什么?60、测角的主要误差来源包括哪些来源?61、将实地观测值化至高斯平面方向值需加方向改正,对三、四等三角测量可不加垂线偏差改正、截面差改正和标高正改正,为什么?62、用菲列罗公式计算中误差的数学表达式如何?63、三角点的点位设置主要包括几个步骤?64、我国计算高程的统一系统什么?65、三角高程属于系统吗?65、三角形的最有利形状是什么,为什么?66、高斯坐标换带通常采用哪几种方式进行?67、电磁波测距以载波的方法不同分类如何?按测距的方法不同分类如何?68、电磁波测距分类有几种方法?69、精密水准测量与普通水准测量有何差别?69、我国经纬仪分为哪个系列?70、水准仪分有哪几系列?73、相位式测距仪主要有哪几种?74、S1水准仪进行二等水准测量时,其视线长度不得大于多少?75、30带范围内的最大长度变形相当于60带范围内的最大长度变形多么?为什么?76、三角网推算元素的精度与哪些因素有关?77、一测回中的重测方向数超过测站方向数时,应如何处理。
78、直伸型导线中,终点的纵向误差主要由什么误差所引起的,横向误差主要由什么误差和起始方位角误差所引起的。
79、对于椭球面而言,每一点的法截线中,最小的曲率半径是什么,最大的曲率半径是什么?80、野外测量的基准面及基淮线如何?81、我国计算高程的统一系统是什么?82、高斯投影有角度变形?83、引力位函数是否为调和函数。
84、重力位函数是否为调和函数。
85、大地水准面是否指完全静止的海水面所形成的重力等位面86、高程环线的外业测量理论闭合差为何等于0,为什么?87、两大地水准面之间的差距相等?88、椭球面上任点法截面有无数个?89、椭球面上任点的平均曲率半径如何?90、我国水准仪分为S05、S1、S3和S10系列?91、卯酉圈的曲率半径中心是否位于椭球的旋转轴上92、控制测量的精度估算是指估算观测元素的精度?93、盘左、盘右观测值的中数可以消除视轴差和水平轴倾斜误差?94、判断三角网的总体强度的主要指标是指三角网的测角中误差?95、正常高高程是指由地面到大地水准面的距离?96、一等三角测量在将地面观测方向值归算至椭球面上时需加哪三差改正。
97、测站偏心是指什么?98、归心的基本元素如何?99、三角测量内业计算通常包括哪三项内容。
100、行差含义如何?101、设一个方向观测值的偶然中误差为u方,则可知归零差、2C互差的中误差为多少?102、设一个方向观测值的偶然中误差为u方,则可知归零差、2C互差的限差为多少?103、大地水准面含义如何?104、参考椭球含义如何?105、垂线偏差含义如何?106、大地线含义如何?107、白塞尔法大地测量主题解算投影条件如何?108、关于高斯投影长度比公式有哪些推论。
109、如何实现精密测角?110、如何实现精密水准测量?110、如图所示的闭合导线中,已知闭合差限差,问转角的观测精度(中误差)相应规定多少(设角闭合差的限差为其中误差的两倍)DC111、如图所示为一四等三角锁,若不考虑起始边的影响,已知测角中误差,则CD边方位角中误差为多少112、如图所示的导线测量,已知观测角中误差及A至B的方位角中误差为,则CD方位角中误差为多少BDAC113、大地测量学114、地球重力场115、总椭球116、参考椭球117、大地天文学118、拉普拉斯点119、黄道面120、大地体121、法截面122、卯酉圈124、平均曲率半径125地测量主题解算正算如何?125地测量主题解算反算如何?126正常水准面不平行性如何?127高斯投影坐标正算如何?128高斯投影坐标反算如何?129大地测量学的主要任务如何?130地测量学的主要作用如何?131大地测量学在地形测量方面的保证作用如何?132水准面的性质如何?133参考椭球的作用如何?134绘图说明地球椭球辅助函数W、V的几何意义135研究高程系统的作用如何?136大地测量和测绘工作关系如何?137天文学任务如何?138大地测量方法测定垂线偏差的过程如何?139子午线曲率半径M,简述推求地球椭球周长的计算过程如何?140说明为什么不同纬度的P1、P2两点相向观测会产生相对法截面问题如何?141大地线作用如何?142绘图11说明垂线偏差对水平方向野外观测值与计算值差异如何?143绘图说明利用测距仪测得地面两点间的直线斜距归算到参考椭球面上应加哪些改正如何?144白塞尔法大地测量主题正算的基本步骤如何?145按变形性质分,地图投影可分为哪些类,其适用的主要方面是什么如何?146大地测量对地图投影的要求如何?147椭球面元素化算到高斯投影面的二个途径如何?148椭球面三角网化算到高斯投影面的主要内容如何?149绘图表示子午线收敛角为负时示意图如何?150绘图表示子午线收敛角为正时示意图如何?151高斯投影的邻带坐标换算的间接方法的思路如何?152高斯投影的邻带坐标换算的必要性如何?153不同空间直角坐标系转换过程如何?154建立国家平面大地控制网的基本原则如何?155三角网的元素有哪些?按其来源不同,可分为如何?156国家一等三角锁系的作用如何?157国家二等三角网的作用如何?158国家三、四等三角网的作用如何?159国家高程控制网布设的目的和任务如何?160国家高程控制网的布设原则如何?161方向观测法完成三方向一测回观测程序如何?162二等水准测量测站观测程序如何?163当垂直角大于30时,该方向的2C之差如何比较?为什么?164什么是测站平差,其目的是什么?165正高系统与正常高系统有什么不同?166测距仪测得斜距要加哪些改正?167分带投影有何意义?168精度估算的目的是什么?169图上选点的意义有哪些?170三角测量内业计算一般包括哪三部分171精度估算有何意义?172正形投影有何意义?173椭球面上的三角网化至高斯平面上主要加哪些改正?174椭球面上的三角网化至高斯平面上的主要内容如何?175工程控制网的布设有哪些原则?176正高系统与正常高系统有何不同?177电磁波测距成果要加哪些改正?178如何用高斯坐标公式进行换带计算?179平差计算前,对观测值应有哪些要求?180国家高程控制网的布设原则182、测距仪标称精度M=±(A+B•D)中的A、B、D的含义183、不同坐标系转换过程如何?184、记录计算填表如何?185、测站平差的目的意义如何?186、如何实施全组合测角法187、自由网如何实施188、非自由网如何实施189、独立网如何实施190、绘图说明垂线偏差改正191、绘图说明标高差改正192、国家高程基准如何?193、国际米定义的如何发展194、高斯邻带间接换算过程如何?195、白塞尔法大地测量主题正算的计算步骤如何?196、白塞尔法大地测量主题反算的计算步骤如何?197、用待定系数法证明高斯投影坐标正算公式如何?198 、用待定系数法证明高斯投影坐标反算公式如何?199、证明正形投影的柯西—黎曼条件200、证明地图投影的长度比的通用公式201、证明高斯投影方向改化近似公式202、与铅垂线方向重合的是 A、重力方向 B、引力方向 C、离心力方向 D、法线方向203、正常高系统如何?204、下列选项中不是水准面的是水准面 B、大地水准面C、似大地水准面 D、地球椭球面205、测定垂线偏差的方法哪些?206、测定大地水准面差距的方法有哪些?207、在椭球面上两点之间的最短程曲线是A子午线 B、卯酉线C、大地线 D、法截线208、将地面观测的水平角归算至椭球面,三差改正如何?209、垂线偏差公式 B=φ-ξ;L=λ-ηsecφ,下列说法正确的是φ表示垂线偏差在子午圈的分量ξ表示垂线偏差在子午圈的分量η表示垂线偏差在卯酉圈的分量λ表示垂线偏差在卯酉圈的分量210、测站归心改正数的计算公式为c"=ey/S×sin(θy+M)ρ",符号含义211、测距仪的m=±(A+BD)含义212、已知某一6°高斯投影带平面有一点A,该带中央子午线为东经126°,A点离赤道距离2842Km,离中央子午线以西150Km,则A点的高斯平面直角坐标为()a、Xa=-150Km Ya=2842Kmb、 Xa=2842Km Ya=-150Kmc、Xa=2842Km Ya=350Kmd、 Xa=2842Km Ya=21 350Km213、球面角超公式:ε"=(P/R2)ρ",其中P的含义如何?214.《大地测量学》课程的教学目的和要求是什么?为了达到上述目的和要求,在教学过程中要进行哪些教学活动?215.大地测量包括哪些主要内容?它应遵循怎样的作业程序?216.控制测量学的任务和主要研究内容是什么?简述其在国民经济建设中的地位。