2024年2月28日发(作者:)
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2002年第6期 测绘通报 文章编号:o494—091l(2002)06.0001.05 中图分类号:P22 文献标识码:B [编者按] 宁津生、李德仁两拉院士在其为测绘学报2002年增刊《庆祝同弁太学测量与国土信息工程系建系70 周年论文专辑》撰写的论文中,提出了有关测绘科技发展的前瞻性重要学术观点,现将其论文转载于下,咀飧《测路 通报》读者: 现代大地测量参考系统 宁津生 (武汉大学测绘学院地球空间环境与大地测量教育部重点实验室,湖北武汉430079) Modern Geodetic Reference Systems N1NG Jin-sheng 摘要:概述现代大地刮量参考系统的定义投不同参考系统之问的关系。主要讨论我国当代大地测量界常使用的3种用以表示几 何位置的参考系统——I98O年国家大地坐标系、垒球人地测量系统1984(WGS 84) 国际地球参考系巯(ITRS),和一种用以表示 物理位置,高程的参考系统——1985年国家高程基准。并讨论太地测量中框架和基准的概念 关键词:大地测量参考系统;框架;基准 一、引言 变化(日长变化、岁差.章动和极移)非常小。大地水 准面是表征地球形状与大小的物理面,它是人为定 我国当代大地测量界常常要面对3种用以表示 义的、满足如下2个条件的闭合曲面:①处处与铅垂 几何位置的参考系统。对以国家建设为目标的测绘 线垂直;②与海洋面非常接近。由于与海洋面非常 工作来说,需要采用我国法定的1980年国家大地坐 接近的标准并不惟一,所以大地水准面的定义也有 标系来表示点位坐标。在利用GPS定位时,又要用 一定的随意性。大地水准面是一个重力位的等值 到全球大地测量系统(WGS 84)。而在以科学研究 面,所以,只要定义了大地水准面上的一个点,则整 为目标的大地测量工作中,要获得极高的定位精度, 个大地水准面就定义了。大地水准面的形状非常接 又常常采用国际地球参考系统(ITRS)。虽然这几 近相对于短轴旋转对称的椭球,短轴基本上与地球 种参考系统在概念上的差别并不大,但它们的具体 的自转轴重合。这些概念是建立大地测量参考系统 实现却相差很大。本文主要介绍这3种大地测量参 的基础 考系统,并作为补充简略介绍我国1985年国家高程 确定一个地球椭球是建立用以表示几何位置的 基准即黄海高程系统。然后讨论大地测量中常用的 大地测量参考系统的关键。地球椭球是近似表示地 几个概念:参考系统、框架和基准 最后对我国及国 球的一个质体,它在绕短轴相对惯性空间自转,其表 际大地测量参考系的现状做些讨论。 面为自身重力位的等值面。地球椭球的重力场称为 二、大地测量参考系统的定义 正常重力场,其重力位和重力分别称为正常重力位 和正常重力 地球椭球的形状和大小完全由4个参 为了说明大地测量参考系统是如何定义的,首 数确定:GM(G为万有引力常数, 为质量)与实 先简要解释3个概念:地球质心、地球自转轴和大地 际地球的相等;U (表面的正常重力位)与大地水 水准面 地球质心是指固体地球、海洋和大气的共 准面上的重力位相等; (动力形状因子)与实际地 同质心。地球在相对惯性空间高速自转,通过地球 球的相等; (自转角速率)与实际地球的相等。地 质心,并指向旋转角速度方向的轴线称为地球的自 球椭球的4个参数中,U。常由o(长半轴)代替,^ 转轴。长期的科学研究表明,地球的自转是非常稳 常由f(扁率)代替。地球椭球相对于实际地球的位 定的,自转速率、自转轴相对空间和地球本身的方向 置由其中心位置和短轴方向确定 要尽力做到其中 簦鎏黯 毒蓉每 鼹锻1 - 1 2- 30) 嚣凸 妻掣器斋 曼 藿{磊蔫 星 薯嬖蒋蠢’博 生导师t主要研究方向为 地测 }
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2 测绘通报 2002年第6期 心位于地球的质心,其短轴指向地极 地极通常定 义为地球自转轴在某一段时间内的平均位置。地球 椭球的表面事实上是大地水准面的近似,它是与大 用这种做法 其他类型的运动则通过将笛卡儿坐标 系的坐标轴固联于所选定的点在某一历元的瞬时位 置而予以考虑。 地水准面符合得最好的旋转椭球面。 一对于第2步,长度单位“米”通过光速来定义,即 点相对地球椭球的位置由经度L、纬度B和 大地高h来表示。定义经度时需要定义一个零经度 子午线,或称起始子午线。引进一个直角坐标系,中 心位于椭球中心, 轴位于地球椭球的赤道面内,并 指向初始子午线,z轴沿地球椭球的短轴指向北 方 轴由右手法则确定,则一点的位置也可以用直 角坐标 ,Y,z表示。 在前空间大地测量时代,地球椭球只能主要以 区域性大地测量工作为基础建立,其大小、形状及位 置通常全部或部分根据与国家或地区的大地水准面 或似大地水准面符合最好的原则(最小二乘)确定。 地球椭球的位置、形状和大小由大地原点的大地坐 真空中的光速为每秒299 m,792 m,458 m。这虽然 将长度单位定义成了一个可观测量,即真空中光在 1/299 s,1/792 s,1/458 s走过的距离,但并不是具 体的实现。不同的大地测量参考系采用了不同的技 术来测量长度,例如铟瓦尺、光电测距仪、GPS、VL. BI、SLR等。虽然每种手段都总是尽力标定而符合 上述定义,但观测量总是具有不确定性,因而使得不 同的大地测量参考系统之间存在尺度的差异。在将 前空间大地测量时代建立的大地测量参考系统与现 代利用空间大地测量技术建立的大地测量参考系统 进行比较时可以发现,老系统存在百万分之一量级 的误差。而现代测距技术已达到十亿分之一量级的 精度水平。 标L,口,垂线偏差e, ,大地水准面高Ⅳ,以及椭球 大小和形状参数(长半轴a、扁率,)来确定。 进入空间大地测量时代以来,测量精度不断提 高,目前在全球尺度上已达到几个厘米的量级。在 这种精度的基础上,以前无须考虑的地球动力学因 第3步是选择一个地球椭球,使它相对3维笛 卡儿坐标的位置如前所述。我们知道,在现代技术 水平上,确立地球椭球的4个参数中,GM和J2可 由分析人造卫星轨道确定, 由一般天文观测确定, n则由激光、多普勒或雷达测高等技术测定 这样 测得的地球椭球对全球大地水准面都可达到一定程 度的最佳符合。一点的位置可用3个笛卡尔坐标 ,v,:素现在必须加以考虑。现代大地测量参考系统的确 立可分为如下4个步骤:①建立一个3维直角坐标 系的3条坐标轴与位于地球上或地球内部一组可观 测点之间的关系,从而完全确定这个3维笛卡儿坐 标系的位置和方向;②建立距离与一个可观测量之 间的关系,从而确立长度的单位;③引进一个近似表 示地球大小与形状的几何形体,即地球椭球;④定义 高程系统 即确立重力场在定位中的作用。 对于第1步,学术界的共识是定义地球质心为 3维笛卡儿坐标系的中心,。轴指向作为约定而定 或3个大地坐标L,B,h表示,2组坐标可 以互相转换。大地坐标更符合我们关于水平和垂直 方向尺度的直觉。 第4步是建立高程系统。这只需明确指定一个 零高程点。将这个点用精密水准联测到一个标石 上,确定这个标石的高程后,其他位置的高程就可以 这个标石为起点用水准测量测得,这个标石称水准 原点。高程系统中有重力场的影响,需要根据所采 义的北极,通常为国际地球自转局(IERS)定义的国 际参考极(IRP), 轴指向作为约定而定义的起始 子午线,通常为IERS定义的起始子午线,v轴则根 据与 ,:轴形成右手系的规则确定。但是这种看 起来简单的几何过程由于地球的动力学行为而变得 非常复杂。地球的质心在相对地表运动,地球的自 转速率以及自转轴相对于空间及相对于地球本身都 在变化(日长变化、岁差.章动和极移),地面点由于 板块运动、地震、火山活动、冰后回弹、固体潮、海潮 负荷等各种地球物理因素影响在作相对运动 建立 用的是正高或正常高系统对几何水准作不同的重力 场改正。 三、大地测量参考系统的几种具体实现 这里概略介绍3种用以表示几何位置的大地测 量参考系统:我国1980年国家大地坐标系、WGS 84 和ITRS。 我国的1980年国家大地坐标系主要是前空间 大地测量意义下的参考系统 。它采纳了1975年 国际大地测量协会推荐的地球椭球(1AG.75椭球)。 极点采纳我国在1949到1977年期间36个台站的 观测资料归算得到的1968年极原点,即JYD 现代大地测量参考系统必须考虑这些因素。一种方 法是将笛卡儿坐标系的坐标轴固联于一组选定点的 瞬时位置。处理地球自转变化及板块运动时通常采 *这里讲的也并非完全是前空间大地测量意义下的参考系统、因为所采纳的地球椭球参数实质上是由空问大地测量技术确定的
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2002年第6期 测绘通报 3 1968.0 起始子午线采纳格林尼冶子午线。地球椭 球中心的位置是根据椭球面与我国似大地水准面符 合得最好的原则(最小二乘)确定的。大地原点位于 我国中部的陕西省泾阳县永乐镇 WGS 84是美国国防部建立的、GPS系统采纳 的大地测量参考系。它最初是利用TRANSIT大地 测量卫星系统的多普勒观测确定的。后来进行了2 次更新。第1次更新是1994年,WGS 84完全根据 GPS观测重新确定,称为WGS 84(G 730),其中G 代表GPS,730表示进行了730个星期的观测。第2 次是1996年,方法与前一次一样,称为WGS (G 873),其中G仍代表GPS,873代表进行了873 个星期的观测。 WGS 84(G 873)的中心、指向和尺度是根据l5 个GPS跟踪站的坐标确定,其中5个跟踪站由美国 空军维护,lO个由美国国家图像与制图局(NINA) 维护。将来,WGS 84还可能随跟踪站的增加或已 有跟踪站天线的移动或更换而进一步改进。由于 GPS卫星的广播星历是相对于WGS 84的,所以利 用广播星历适时定位得到的便是WGS 84坐标,这 (t)= (to)+ (t一 0)1 使WGS 84得到了广泛的应用。但是,高精度定位 (£)=y(to)+ ,(r—to)} (1) 工作中通常不采用WGS 84,这是因为高精度定位 :(t)=:(t0)+ (t—tD)J 需要已知的高精度控制点 各种高精度差分GPS 定位技术均需要一个或多个高精度控制点,以消除 系统误差。所以,要采用WGS 84进行高精度定位, 必须预先建立一个比较密集的高精度WGS 84控制 网。另一个影响高精度GPS定位的因素是WGS 84 中跟踪站的地壳运动速度不向GPS用户提供。 WGS 84符合IERS定义的协议地球参考系 (CTRS),即:①中心在地球质 tb;②采用广义相对 论下地固参照系中的尺度;③指向符合IERS(事实 上是其前身国际时间局,简称BIH)1984.0指向;④ 指向随时间的变化使它相对地壳没有整体转动。这 与ITRS是一致的。 椭球的参数以供参考,见表1 ITRS是2O世纪8O年代后期引进的,目的是促 进需要高精度定位的科学研究的开展,例如监测地 表1 壳及地球自转轴的运动 ITRS的具体实现称为国 际地球参考框架(ITRF)。从1988年起,IERS基本 上每年都发表ITRS的一种实现,即ITRF 88.ITRF 89,…,ITRF 20O0。 ITRS是第1个将板块运动及其他地壳运动考 虑在内的国际大地测量参考系统,具体做法是同时 1点在各种坐标系中的坐标可以互相转换。2 给定控制点的坐标和速度。由板块运动理论不难理 个坐标系之间的关系由7个参数确定。直角坐标转 解给出速度的必要性 根据板块运动理论,地球表 换公式为 层的岩石圈由大约2O块基本上为刚体的板块构成,
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4 测绘通报 2002年第6期 [ ]=[ j]+[ ]+[ 蔓 ][ ]c 所以基准一词的意义必须作一定的引申。在这种情 形下,基准的合理定义是“完全确定参考系统的必须 因素” ITRS的基准则为原点、尺度、指向及其随 时间的变化 对于我国的1985年黄海高程系统,基 r,Tz表示坐标平移;R ,R y,Rz表示绕3条坐 准就是水准原点及其高程值。国际上重力基准的演 化值得追溯一下。在绝对重力测量成为可能,但非 常困难的年代,于1909年用当时最精确的数台可倒 摆建立了波茨坦系统,即测定了一个点的绝对重力。 直到1971年,国际上的重力点都是直接或者间接地 与波茨坦系统进行相对重力测量建立的。波获坦的 这个绝对重力值可说是重力基准 出现了更精确的 自由落体绝对重力仪后,国际上于1971年建立了国 际重力标准网(IGSN 71) 这个标准网中,8个台站 是用绝对重力仪建立的,其他还有1 800多个台站 是通过相对重力仪测量确定的。这个标准网中的每 个台站都可以当作基准点用相对重力测量确定其他 位置的重力。在这个意义上,这个标准网实质上是 一个基准网。这个基准网也可以称之为一种重力基 四、关于参考系统、框架和基准 准。后来,由于绝对重力仪精度的进一步提高和普 及,建立足够精确的绝对重力点以服务于相对重力 在大地测量中,参考系统 框架、基准几个概念 测量已不像以前那样困难 我国也建立了自己的绝 常常使用。这里我们对这几个概念做些解释,并分 对重力网,作为我国大地测量工作的重力测量基准, 别给出一些例子。 国家任何重力测量必须与这个基准相容。 参考系统的概念在上文中一直使用,它是为了 以上是我们对大地测量参考系统、框架和基准 表示位置坐标而定义的类似于标尺作用的参照物的 3种概念的一些理解,对否?现提出来供大家议论, 称谓。例如:若将椭球体看做参照物,则椭球表面的 经线、纬线、法线及相应刻度共同构成参考系统;若 五、讨论 将3条笛卡儿坐标轴看做参照物,则坐标中心、坐标 GPS是大地测量技术的革命,它几乎改变了大 轴及其刻度共同构成参考系统 地测量的一切,而ITRS的出现则使得充分利用现 在参考系统的具体实现中,我们不可能把椭球 代高精度空间大地测量技术变为现实。在不久的将 体或者笛卡儿坐标这类人为定义的东西具体标出 来,ITRS的某一实现,例如ITRF 2000,很可能为许 来,而只能代之以用固定在地球上的一组标记及其 多国家采纳为国家大地测量坐标系。事实上,GPS 坐标和其他一些参数间接地表示出来,这组标记就 所采纳的WGS 84也在接近ITRS,例如,WGS 84 是一个框架。换言之,框架就是参考系统的具体实 (G 730)和WGS 84(G 873)分别与ITRF 92和 现。例如,ITRF就是ITRS的具体实现。 ITRF 96基本一致。 在大地测量中,基准,顾名思义,是测量工作的 在利用GPS进行大地测量精密定位时,通常不 起点和初始数据,任何测量都要与基准相一致 对 采用广播星历,而是采用事后拟合的精密星历。除 用以表示几何位置的前空间大地测量时代的经典大 NIMA提供的WGS 84中的精密星历外,国际GPS 地测量参考系统,如我国的1980年国家大地坐标 服务(IGS)也在提供ITRS中的精密星历。这使得 系,基准就是坐标原点,其大地坐标L,B,垂线偏差 在ITRS中进行大地测量精密定位成为可能,也为 , ,大地水准面高Ⅳ,以及椭球长半轴n和扁率 各国采用ITRS作为国家大地测量坐标系提供了技 任何点的大地坐标、垂线偏差、大地水准面高均 术保证,因为GPS已经成为几乎惟一的大地测量定 可从基准出发通过测量某些量得到。对于像ITRS 位手段。 这样的现代大地测量参考系统来说,基准像我国 像我国1980年国家大地坐标系这种前空间大 1980年国家大地测量坐标系那样定义是不合适的, 地测量时代的经典参考系统相对现代空间大地测量
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2002年第6期 测绘通【3 报 5 技术来说已出现了许多不足,主要是尺度的误差、尺 度的不均匀使得其不能满足现代厘米级测量的要 求 作为我国下一代国家大地坐标系,是进一步改 进我国1980年国家大地坐标系(北美就在一直改进 其NAD 83),还是采纳ITRS,是我国大地测量界必 须要面对的问题。这事实上是要在测绘工作的连续 SNAY R A,SOLER T.Modern Terrestrial Reference Svstem(Part 1)[J]Professional SurveYor,1999, (12) 【4 J SNAY R A,SOLER T.Modern Terrestrila Refe㈣e System.Part 2:The Evolution of NAD 83:J]Pmfes— sional Surveyor,2000,(2) 5 l S AY R A.SOLER T Modern Terrestrial Reference 性与将来测量工作的便利性及精度之间做出抉择。 System,Part 3:WGS 84 and ITRS【J一.Professional Surveyor,2000.(3) 参考文献 6] SNAY R A.SOLER T Modern Terrestdal Reference [1’IERS.1ERS Technical Note 21[A.IERS Conventions System Part 4:Practical Considerations of Aceurate Po— (1996) C]Peris:Observation de Peris,1996 sitioning J],Professional Surveyor.2000,(4) [2]N1MA.N1MA Technical Report:Department ofDefense l 7 BOUCHER C.ALTAMIMI Z.ITRF and Its Relation— Wodd Geodetic System 1984[R’.:s.1]:[s n.].1996 ship to GPS:J]GPS WORLD Magazine,1996,7(9). 国畸矿山溺量协合(ISM)简介 国际矿山剐量协会的英文名称是 Internationnal SocietY for Mine Surveying”,其缩写是 ISM 。它是从事矿山测量工作领 域的专家的一个国际性蛆织一 ISM是联合国教科文组织中的一个非官方的组织,属 c”类组织.即进行学术和信. 交流的组织。它是国际采矿代表大 会(Lhe w0删Minin Cong )的常设成员,并作为一个独立的国际组织成员开展活动。它的正式席住是它的主席。ISM的官 方正式语言是英语、德语和饿语:它是一个非盈利性组织,它的活动是建立在其成员义务的、自愿的和无偿的奉献的基础之 上一I M经授权有它的图章、徽章和旗帜、 一、ISM的主要目标 1.给ISM成员的专家提供在矿山测量厦其他相关学科领域开展科技合作提供服务.并促进学科本身的发展; 2组织国际科技大会; 3与其他国际科学技术协会如采矿、大地测量、地球空间信息学(geomatic ̄)、地质、地球物理、岩石力学、计算机科学等开 展台作; 4.出版发行国际学术大会及各专业委员套所取得的成果一 二、ISM为实现上述目标的主要途径和措施 1.在ISM中建立并运作有关的科技工作委员会,以解决矿山剐量领域中的重要问题; 2.帮助世界各国的矿山测量师建立该国的ISM委员套,可以是将矿山剐量领域中的专家组台在一起,或者是在已有的 与矿山测量相关的协会中创建矿山测量分会 3促进ISM成员国中的委员套及学术团体开展矿山测量领域的国际合作,包括通过开展学生厦学术人员之问的交流。 4普厦矿山州量领域中的科技成就一 三、IsM成员的权利和义务 ISM的会员包括正式会员或有效会员(可阻是个人和团体);赞助会员;荣誉套员,它也能够是有效会员。 ISM的主席团负责接纳以书面形式申请加入的正式会员一申请者应得到2个正式或荣誉会员的支持。 正式会员的职责:遵守ISM主席团通过的章程、规定和决议;必颊堆护ISM的声誉,积极参与有关活动。 四、ISM的执行实体及其主要职责 ISM的执行卖体包括会员大会厦主席团。 会员太套在国际ISM大会期间由主席圊负责召集.或者至少每5年召开1次 不论出席人数多少,会员大会在法律上都 是有效的。每一个ISM会员国只有1票,大会决议按简单多数通过。 主席团的成员包括:主席、2名副主席、主席团成员、荣誉会员、下一届ISM大会的组织主席委员会主席,秘书(长).观察 员一主席和2名副主席执行主席目的日常事务: 五、关于ISM的科学委员会 在ISM中设立5个常设委员会,其业务范围是: 第一委员套:教育与组织,矿产权属.法律解释,矿山测量史一 第二委员会:与矿山的经济开发、储量计算、标准厦资料管理方法有关的矿产地质的解释及几何图形表示: 第三委员会:运用传统的和数字技术进行矿山测量作业、记录、计算厦数字数据处理,现代仪器的应用与开发.矿山国编 制。 第四委员会:开采时地表厦岩层影响的观察,研究和预计.并使其影响最小化 第五委员会:矿区环境及其保护的规划,环境损害的整治与可持续土地管理。 (郭迭志汪云甲张书毕)


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