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控 制 测 量 学,东华理工学院测量系,第一章 绪 论,一、大地测量学的定义和作用 二、控制测量学的基本任务和内容 三、控制测量的基准面和基准线 四、控制网的布设形式 五、控制测量新技术的发展应用 六、大地测量学的发展简史与展望,一、大地测量学的定义和体系,大地测量学： 是“测定和描绘地球表面的科学”。 ※主要任务： 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。 包括： 精确测定地球表面点的地理位置，研究地球形状、大小和地球表面外部重力场，以及它们随时间的变化。,※大地测量学的地位和作用 在国民经济各项建设和社会发展中，发挥着基础先行的重要保证作用 ，是一切测绘科学技术的基础。 在防灾、减灾、救灾及环境监测、评价与保护中发挥着独具风貌的特殊作用 。 是发展空间技术和国防建设的重要保障。 在当代地球科学研究中的地位更加重要。,,,大地测量学的基本体系,测量学 大地测量学,测量学的两个分支,研究范围是不大的地球表面，把地球表面认为是平面且不损害测量精度，计算时也认为在该范围内的铅垂线彼此是平行的。,研究全球或相当大范围内的地球，铅垂线被认为彼此不平行，同时顾及地球的形状及重力场。,常规大地测量学的基本体系：,应用大地测量学——以研究建立国家大地测量控制网为中心内容 ； 椭球大地测量学 ——以研究坐标系建立及地球椭球性质以及投影数学变换为主要内容 ； 天文大地测量学 ——以研究测量天文经度、纬度及天文方位角为中心内容 ； 重力大地测量学 ——以研究重力场及重力测量方法为中心内容 ； 测量平差——以研究大地测量控制网平差计算为主要内容 ； 电磁波测距大地测量学 ——大地测量学同无线电电子学相结合 ；,与其它相关学科的发展相联系： 电磁波测距大地测量学 —同无线电电子学相结合 ； 宇宙大地测量学 ——与天体力学及天文学结合 ； 海洋大地测量学 ——与海洋地质学及海洋导航学结合 地球动力学 ——与地球物理、海洋地质学及地质学相结合 ； 卫星大地测量学 ——与人造地球卫星学及天体力学相结合 ； 惯性大地测量学 ——以惯性原理为基础，利用加速度计测量运动物体某方向加速度，通过计算机积分计算得到运动物体空间位置 ； 现代大地测量数据处理学 ——与线性代数、矩阵、概率统计及优化设计、数值计算方法等相结合 ；,现代大地测量学的基本体系,(1)几何大地测量学,确定地球的形状、大小及地面点的几何位置。 主要内容是关于国家大地测量控制网(平面和高程)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。,现代大地测量学的基本体系,（2）物理大地测量学,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等。,现代大地测量学的基本体系,（3）空间大地测量学,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。,新特征: 测量范围大；研究对象和范围不断深入、全面和精细；观测精度高；测量周期短。,现代大地测量学基本科学技术内容,(1) 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，研究地壳形变，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 (2) 研究月球及太阳系行星的形状及重力场。 (3) 建立和维持具有高科技水平的国家和全球的天文大地水平控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和国防建设的需要。,现代大地测量学基本科学技术内容,(4) 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。 (5) 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。 (6) 研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数学处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。,,二、控制测量学的任务和内容,控制测量是研究精确测定地面点空间位置的学科 如（X、Y、Z）、（L、B、H）。 控制测量的特点： 服务对象主要是各种工程建设、城镇建设和土地规划与管理工作。 测量范围比大地测量小，测量手段、数据处理多样化。 工程建设大体可分为设计、施工、运营3个阶段 设计阶段------测图控制网 施工阶段------施工控制网 运营阶段------变形观测专用控制网,主要内容：,研究： 国家大地控制网（平面与高程）的建立基本原理与方法； 精密测角（方向）、测边，精密水准测量； 地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影以及地球椭球几何参数的数学模型等,,三、地球形体和控制测量的基准面和基准线,1.地球自然表面、地球体,,地球的固体和液体部分相对于大气的分界面,地球自然表面包围的形体,,2、大地水准面、大地体,重力 （离心力、地心引力的合力） 重力方向 ——铅垂线方向 水准面 ——静止状态的水面（无数个），重力位能相等。,测量中，要求仪器的垂直轴与铅垂线一致，故铅垂线是外业测量工作的基准线。,★大地水准面,用占地球表面71%的海水面代替地球的形体，并作为测量外业工作统一的基准面——大地水准面。 假定海洋的水体，只受重力作用，无潮汐、风浪影响，处于完全静止和平衡状态，将海洋的表面延伸到大陆的下面并处处保持着与垂线方向正交这一特点，也是一个水准面，称这一特定的水准面为大地水准面。 所包围的形体称大地体。,,地球内部质量分布不均匀，地壳有高低起伏，所以重力方向有局部变化，致使处处与重力方向垂直的大地水准面也就不规则，它不能作为大地测量计算的基准面。 必须寻找一个与大地体相近的，能用简单的数学模型表示的规则体形代替——椭球面。,3、总地球椭球、参考椭球,,用来代替大地体的椭球体称为地球椭球体。 一个与大地体外形符合最好的地球椭球叫总地球椭球或平均地球椭球。,总地球精球应满足的三个条件： 1．总质量等于地球的总质量，中心与地球的质心重合，赤道平面与地球赤道面一致。 2．旋转角速度与地球的旋转角速度相等。 3．体积与大地体的体积相等。它的表面与大地水难面之间的差距的平方和为最小。 总地球精球面是—个理想的测量计算的基准面。,4、参考椭球面、参考椭球体,各国或地区为各自的大地测量工作需要，采用了参考椭球体，用参考椭球面作为测量计算的基准面。 参考椭球只与某一个国家或某一地区的大地水准面符合较好的地球椭球体。,5、垂线偏差和大地水准面差距,大地水准面的铅垂线与椭球面的法线之间的夹角称为垂线偏差。 在某一点上，大地水准面超出椭球面的高差称为大地水准面差距。,它们是标志大地水准面和椭球面之间的差异的量。测量计算时要进行归化。,地球模型,,地球表面,,,大地水准面,,四．控制网的布设形式,1.水平控制网的布设形式 1）三角网 ★网形定义 观测量：方向值 测量基本原理和方法 优点：图形简单、 精度高、 多余观测量多、 便于计算。 缺点：布网困难大,,,,,,,,,★三角网起算数据和推算元素,观测量（观测数据）：角度或方向值 起算数据：X、Y、S． 推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推算出的三角形边长、方位角、点的坐标等。 ★ 独立网与非独立网（附合网）,只有必要的一套起算数据 （如一条边、一个方位角 和一个起算点坐标）,多于一套起算数据,,,2）导线网,观测值：角度（或方向）和边长； 起算数据：一个起算点（X、Y）、一个方向的方位角； 优点： 各点上方向少、通视限制小、易于选点、无须造标；图形灵活；边长精度均匀。 缺点：可靠性低。 3）边角网和测边网（以三角形为基本图形） 4）GPS网 2.高程控制网的布设形式（第五章节介绍）,,1、精密测角仪器的发展 50年代——垂直度盘自动归 零补偿器、光学对中器的改进。 60年代——读娄的数字化与 自动化（电经）； 2、测距仪的发展 普通光源——激光测距仪 ——红外测距仪 ●全站型电子速测仪,五、控制测量新技术的发展应用,3、精密水准仪的发展 平板玻璃测微器 自动安平水准仪 “摩托化”水准测量 数字水准仪,,,,4、计算机在测量上的应用 用于控制测量的数据处理 用于现代化数据采集 测绘资料档案管理信息系统的 建立,5、三维激光扫描系统,工作原理三维激光扫描仪向目标发射激光脉冲，依次扫描被测区域，快速获得地面景观的三维坐标和反射光强，利用软件进行三维建模，生成地面景观的三维图象和可量测点阵数据，并可方便地转化为多种输出格式的图形产品。,6、GPS（Global Positioning System)系统,10个点控制整个北京1.68万平方公里,7、惯性导航系统（INS系统）,导航是引导载体到达预定目的地的过程。 导航分为无线电导航、天文导航、卫星导航及惯性导航。 惯性导航则是利用惯性测量元件测量载体相对于惯性空间的运动参数，然后在给定的初始条件下推算出导航参数，引导载体到达目的地的技术。 　 惯性导航技术的理论基础是牛顿力学基本定律。 　 惯性导航仅依靠惯性装置本身就能在载体内部独立地完成导航任务，不需要与外界发生任何信号联系，具有高度的自主性。 　 武器系统的发展和需求，促进了惯性技术的发展。 　 惯性导航装置最先用于飞机，以后成功地用于舰船。　 80年代中期以后，以激光陀螺和光纤陀螺为基础的地面导航系统逐步发展起来。,,六、大地测量学的发展简史与展望,1、大地测量学发展简史 1) 第一阶段——地球圆球阶段 2) 第二阶段——地球椭球阶段 3) 第三阶段——大地水准面阶段 4) 第四阶段——现代大地测量新时期,1) 第一阶段——地球圆球阶段,从远古至17世纪末，人们把地球认为是圆球。 公元前3世纪，亚历山大学者埃拉托色尼首次用子午圈弧长测量法来估算地球半径，分为两种测量：一是属于天文部分：子午圈弧长两端点的纬度差；一是属于大地部分：两端点间的子午圈弧长。 到15～16世纪文艺复兴浪潮席卷欧洲时，以哥白尼、伽里略及牛顿等为代表的一批科学家摆脱宗教枷锁后，才在自然科学方面获得一系列的惊人发明和创造，促进了大地测量学的萌芽和形成。,2) 第二阶段——地球椭球阶段,17世纪末至19世纪下半叶，人们把地球的认识推进到向两极略扁的椭球。 17世纪初，荷兰人斯涅耳(W．Snell)首创三角测量法。 此后，望远镜，游标尺，十字丝，测微器等相继出现。 天文学和物理学在地球形状、重力场及其空间位置等方面也都提出了崭新的观念。 荷兰的哥白尼1543年创立了日心说，确定了地球在太阳系中的空间位置；,德国的开普勒1619年发表了行星运动遵循的三大定律； 意大利的伽里略1590年根据自由落体原理进行了第一次重力测量； 荷兰的惠更斯1673年提出用摆进行重力测量的原理，并推导了数学摆公式。 牛顿于1687年根据他建立的万有引力定律，经论证认为： ①在引力定律下，并绕一轴旋转的均质流体物质的均衡形状，是两极扁平的旋转椭球； ②重力加速度由赤道向两极与(—地理纬度)成比例地增加。,惠更斯也推导了地球的扁率。把地球质量集中在球心，扁率等于赤道处离心力与引力之比的一半。 人类进入了认识地球为旋转椭球的新阶段，几何大地测量学得到形成和发展，物理大地测量学开始奠定基础。,★取得的成绩:,1）长度单位的建立; 2）最小二乘法的提出; 3) 椭球大地测量学的形成，解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算，以及将椭球面投影到平面的正形投影方法。 4)弧度测量大规模展开; 5) 推算了不同的地球椭球参数。,★基础理论:,(1) 克莱罗定理的提出。是假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体。 (2) 重力位函数的提出。位函数是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。 (3) 地壳均衡学说的提出。导出均衡重力异常用于重力归算。 (4) 重力测量有了进展。,2) 第二阶段——地椭球阶段,★存在的问题:,外业测量的基准线是铅垂线，方向是物理的重力方向； 而椭球面计算基准线则是法线，方向则是几何的垂直方向。 重力方向相对法线方向有偏差，即所谓垂线偏差。 地球表面每点的重力及其方向都不相同。 地球表面是极其复杂的自然地面，不能用简单数学关系式来表达，只能用控制点坐标来逐点描绘。,2) 第二阶段——地球椭球阶段,由于海水面占全球表面大部分，且比较规则，在某种假设下，可认为海水面是重力等位面，并把它延伸到大陆下，得到一个遍及全球的等位面。德国的李斯廷(J.B.Listing)1872年，把它命名为大地水准面。,人类认识地球形状又产生了一次飞跃——即将椭球面推进到大地水准面的新阶段。,19世纪下半叶至20世纪40年代，对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。,★几何大地测量学的进展： （1）天文大地网的布设有了重大发展； （2）因瓦基线尺出现 带平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用； 将天文大地测量同重力测量相结合代替天文水准等方面有较大进步。,3) 第三阶段——大地水准面阶段,物理大地测量理论研究和实践取得重大进展,(1) 大地测量边值问题理论的提出 克莱罗是以椭球面为边界解决边值问题的。 英国的斯托克司提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。 荷兰学者维宁·曼尼兹推出了以大地水准面为参考面的垂线偏差公式。 俄国学者莫洛金斯基直接利用地面上的重力观测值求定地球形状和外部重力场。,(2)提出了新的椭球参数,主要特点是用重力测量资料推求椭球扁率。 赫尔默特椭球参数： 海福特椭球参数 ： 克拉索夫斯基椭球参数：,平差计算前对测量数据的归算； 马尔可夫(Markov)在高斯平差理论的基础上，提出了高斯—马尔可夫的平差模型； 荷兰学者田斯特拉(Tienstra)完成了相关平差的理论； 提出了分阶段、分区以及分组平差的理论与实践； 矩阵及线性代数和数理统计等相关学科理论引入测量平差中。,(3)测量数据处理和测量平差理论与实践的 发展,距离测量的发展：,1948年瑞典人贝尔斯特兰德研制成功世界上第一台光电测距仪； 60年代出现了激光测距仪； 1956年南非人沃德利研制成功世界第一台微波测距仪； 70年代德国首先研制成功测距、测角相结合的电子速测仪。 ★导线测量及测边网、边角网测量成为可能。,4) 第四阶段—现代大地测量新时期,空间技术的发展：,20世纪70年代卫星多普勒技术； 海洋卫星雷达测高； 激光卫星测距(SLR)等得到应用。 80年代，美国全球卫星定位系统(GPS)得到全面发展，并投入使用； 俄罗斯也有相应的定位系统—GLONASS 利用空间探测器、卫星或空间飞行器，形成了月球和行星大地测量学。,控制网优化和测量平差理论的发展,20世纪60年代，荷兰学者巴尔达重新研究并提出了大地控制网质量标准问题，明确提出评价大地网质量的三项标准：精度、可靠性和经费。在精度标准中，提出准则矩阵的概念。 在70年代，德国学者格拉法伦德等提出了人们公认的控制网优化设计的四类分法及内容，系统地引进了数学规划的解法，并引进了准则矩阵的建立等问题。 最小二乘配置法综合了平差，滤波和推估，形成了广义的最小二乘法平差理论。,2、大地测量展望,主导本学科发展的主要的空间大地测量技术 美国国防部自1973年开始研制的全球性的授时测距定位导航系统（Global Positioning System)简称GPS 。 前苏联也研制了相似的全球卫星导航系统（GLONASS(Global Navigation Satellite System)。 欧洲空间局也计划建立相应的全球卫星导航系统NAVSAT,主导本学科发展的主要的空间大地测量技术,激光测卫SLR(Satellite Laser Ranging)绝对定位技术。 卫星对卫星的在轨卫星之间激光测距系统 与已有的海洋卫星雷达测高系统组合成的全球陆地海洋卫星激光测高系统。 甚长基线干涉测量VLBI(Very Long Baseline Interferometry) 惯性测量系统INS(1nertial Navigation System),,,空间大地网的建立：,用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器发展的地面基准等科技任务的基本技术方案。 精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标。,,,,,