大地测量概论

      • 大地测量的任务和特点

    大地测量是为建立和维持测绘基准与测绘系统而进行的确定位置、地球形状、重力场及其随时间和空间变化的测绘活动。其任务是建立与维持大地基准、高程基准、深度基准和重力基准;确定与精化似大地水准面和地球重力场模型。

    现代大地测量特点:高精度;②长距离、大范围;③实时、快速;④“四维”能提供在合理复测周期内有时间序列的、高于10~7相对精度的大地测量数据;⑤地心;⑥学科融合

    • 大地测量系统与参考框架

    大地测量系统规定了大地测量的起算基准、尺度标准及其实现方式(包括理论、模型和方法)。大地测量参考框架是通过大地测量手段,由固定在地面上的点所构成的大地网(点)或其他实体(静止或运动的物体)按相应于大地测量系统的规定模式构建的,是对大地测量系统的具体实现。大地测量系统是总体概念,大地测量参考框架是大地测量系统的具体应用形式。

    大地测量系统包括坐标系统高程系统深度基准重力参考系统。与大地测量系统相对应,大地参考框架有坐标(参考)框架、高程(参考)框架和重力测量(参考)框架三种。

    • 大地测量坐标系统和大地测量常数

    大地测量常数是指与地球一起旋转且和地球表面最佳吻合的旋转椭球(地球椭球)几何参数和物理参数。它分为基本常数和导出常数。基本常数唯一定义了大地测量系统。导出常数由基本常数导出,便于大地测量应用。大地测量常数按属性分为几何常数(长半轴、短半轴、扁率、第一偏心率、第二偏心率等)和物理常数(地心引力常数、自转角速度、地球动力形状因子等)。

    • 大地测量坐标框架
      1. 参心坐标框架

    传统的大地测量坐标框架是由天文大地网实现和维持的,一般定义在参心坐标系统中,是一种区域性、二维静态的地球坐标框架,是参心坐标系统的实现。我国在20世纪50〜80年代完成的全国天文大地网,分别定义在1954北京坐标系和1980西安坐标系中。

    1. 地心坐标框架

    国际地球参考框架(1TRF)是国际地球参考系统(ITRS)的具体实现。它以甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、GPS和多里斯系统(DOR1S)等空间大地测量技术构成全球或局域的大地测量框架。目前,ITRF为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。

    2000国家大地控制网是定义在ITRS2000地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。区域性地心坐标框架一般由三级构成。第一级为连续运行站构成的动态地心坐标框架,它是区域性地心坐标框架的主控制;第二级是与连续运行站定期联测的大地控制点构成的准动态地心坐标框架;第三级是加密大地控制点。

    • 高程系统和高程框架
      1. 高程基准

    高程基准由特定的验潮站平均海面确定的测量高程的起算面以及依据该面所决定的水准原点高程。高程基准定义了陆地上高程测量的起算点。1985国家高程基准是我国现采用的高程基准,青岛水准原点高程为72.2604m。

    1. 高程系统

    高程系统是相对于不同性质的起算面(如大地水准面、似大地水准面、椭球面等)所定义的高程体系。我国高程系统采用正常高系统,正常高的起算面是似大地水准面。地面一点沿该点的正常重力线到似大地水准面的距离就是该点的正常高。

    1. 高程框架

    高程框架是高程系统的实现。我国水准高程框架由国家二期一等水准网,以及国家二期一等水准复测的高精度水准控制网实现,以青岛水准原点为起算基准,以正常高系统为水准高差传递方式。

    高程框架分为四个等级,分别称为国家一、二、三、四等水准控制网。框架点的正常高采用逐级控制,其现势性通过一、二等水准控制网的定期复测来维持。高程框架的另一种形式是通过似大地水准面精化来实现的。

    • 深度基准

    深度基准是计算水体深度的起算面,深度基准与国家高程基准之间通过验潮站的水准联测建立联系。我国从1957年起采用理论深度基准面为深度基准。

    • 重力系统和重力测量框架

    重力测量测定的是空间一点的重力加速度。重力基准是标定一个国家或地区的绝对重力值的标准。重力系统是指采用的椭球常数及其相应的正常重力场。重力测量框架是由分布在各地的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网,以及用作相对重力尺度标准的若干条长短基线。

    国家重力基准由2000国家重力基本网体现。2000国家重力基本网是由21个重力基准点和126个基本重力点组成的重力基准网,该网使用了FG5绝对重力仪施测。重力系统采用GRS80椭球常数及其相应正常重力场。

    • 时间系统与时间系统框架【案例考点】

    时间系统规定了时间测量的参考标准,包括时刻的参考标准和时间间隔的尺度标准。时间系统也称为时间基准或时间标准。频率基准规定了“秒长”的尺度,任何一种时间基准都必须建立在某个频率基准的基础上。因此,时间基准也称为时间频率基准。时间系统框架是在某一区域或全球范围内,通过守时、授时和时间频率测量技术,实现和维持统一的时间系统。

    1. 常用的时间系统

    大地测量中常用的时间系统有:

    世界时(UT):以地球自转周期为基准,在I960年以前一直作为国际时间基准。

    原子时(AT):以位于海平面(大地水准面,等位面)的铯(133Cs)原子内部两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准,从1958年1月1日世界的零时开始启用。

    力学时(DT):在天文学中,天体的星历是根据天体动力学理论的运动方程而编算的,其中所采用的独立变量是时间参数T,这个数学变量T,便被定义为力学时。

    世界协调时(UTC):它并不是一种独立的时间,而是时间服务工作钟把原子时的秒长和UT的时刻结合起来的一种时间。

    • GPS时(GPST):由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时基准,与国际原子时保持有19s的常数差,并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致。
    1. 时间系统框架

    时间系统框架是对时间系统的实现,描述一个时间系统框架通常需要涉及四个方面的内容:①采用的时间频率基准;②守时系统;③授时系统;④覆盖范围。

    • 常用坐标系及其转换
      • 常用坐标系

    坐标系是定义坐标如何实现的一套理论方法。包括定义原点、基本平面和坐标轴的指向,同时还包括基本的数学和物理模型。常用的坐标系有大地坐标系、空间直角坐标系、高斯直角坐标系等,按坐标系的原点不同可进一步分为参心坐标系、地心坐标系、站心坐标系等几种形式。

    1. 大地坐标系

    大地坐标系用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示地面点位置。

    以参考椭球几何中心为原点的坐标系称为参心坐标系。参心坐标系是各个国家为了研究局部地球表面的形状,在使地面测fit数据归算至椭球的各项改正数最小的原则下,选择和局部区域大地水准面最为密合的椭球作为参考椭球建立的坐标系。

    以地球质心或几何中心为原点的坐标系称为地心坐标系。地心坐标系应满足四个条件:①原点位于整个地球(包括海洋和大气)的质心;②尺度是广义相对论意义下某一局部地球框架内的尺度;③定向为国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线,称为地球定向参数(EOP);④定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件。

    1. 空间直角坐标系

    以地心或参考椭球中心为直角坐标系的原点,椭球旋转轴为Z轴,X轴位于起始子午面与赤道的交线上,赤道面上与X轴正交的方向为丫轴,指向符合右手规则,便构成了空间直角

    坐标系。

    1. 高斯直角坐标系

    采用横切椭圆柱投影(高斯-克吕格投影)方法建立的平面直角坐标系统,称为高斯-克吕格直角坐标系,简称为高斯直角坐标系。高斯直角坐标系以中央子午线为纵轴,以赤道投影为横轴构成。

    高斯投影平面上的中央子午线投影为直线且长度不变,其余的子午线均为凹向中央子午线的曲线,其长度大于投影前的长度,离中央子午线越远长度变形越长,为了将长度变化限制在精度允许的范围内,通常采用分带的方法。

    1. 站心坐标系

    以测站为原点的坐标系称为站心坐标系。根据坐标表示方法,可以将站心坐标系分为站心直角坐标系和站心极坐标系。

    • 坐标系转换
      1. 空间直角坐标与大地坐标间的转换

    将同一坐标参照系下的大地坐标转换为空间直角坐标(X,y,z)的公式为

     

     

    式中,N为卯酉圈的半径;e为参考椭球的第一偏心率。

    空间直角坐标(X,Y,Z)转换为大地坐标的公式为

     

     

     

    式中,为参考椭球的第二偏心率; ,为参考椭球的短半轴,为参考椭球的短半轴。

    1. 大地坐标与高斯平面直角坐标的转换

    大地坐标(,)向高斯平面直角坐标(,)的转换,称为高斯正算。由高斯平面直角坐标(,)向大地坐标(,)的转换,称为高斯反算。

    1. 不同大地坐标系的三维转换

    不论是将参心坐标系转换为地心坐标系,还是地心坐标系转换为参心坐标系,以及其他参考椭球体之间坐标系的转换,一般都是将椭球坐标换算为相应空间直角坐标,通过空间直角坐标之间关系计算出转换参数。如果已知两个空间直角坐标系之间的转换参数,则可以使用三维转换模型将其转换为所需要的空间直角坐标系的坐标,然后利用空间直角坐标系(,,)与大地坐标系(,,)之间的转换关系,将其转换为椭球坐标。

    不同坐标系的三维转换模型很多,常用的有布尔莎模型(B模型)和莫洛坚斯基模型(M模型)等。理论上,布尔莎模型与莫洛坚斯基模型的转换结果是等价的。但在应用中有差别,布尔沙模型在全球或较大范围的基准转换时较为常用,在局部网的转换中采用莫洛坚斯基模型比较有利。其中布尔沙模型(B模型)如下。

    设任意点在和为原点的两坐标系中坐标分别为(,,)和(,,),则布尔沙模型为

     

     

    式中,、、为平移参数;、、为旋转参数;为尺度变化参数。由式可知,实现三维坐标转换需要计算七个转换参数,至少需要三个公共点。

    授人以鱼不如授人以渔,知识学习知其然更要知其所以然,分享行业软件使用教程资料包:

    航测建模软件:inpho、smart3d、Pix4d

    测图软件:EPS6.0、南方CASS、 Lidar360、cass3d

    制图软件:Arcgis、global-mapper、CAD

    道路设计:纬地8.01、鸿业

     

    行业交流群:

    无人机航测交流群

    土方计算交流群

    工程测量交流群     

    搜索微信入群:GPS3115

    匿名

    发表评论

    匿名网友

    :?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: