地形測量學

地形測量學 圖片來自築龍學社

地形測量學，研究和確定地球的形狀，大小，重力場，整體局部運動和地面點的集合位置以及他們的變化理論和技術的學科。

研究地球的形狀是指研究大地水準面的形狀（或地球橢球的扁率）；測定地球的大小就指測定地球橢球的大小；研究地球重力場是指利用地球的重力作用研究地球形狀等；測定地面點的幾何位置是指測定以地球橢球為參考面的地面點位置和以大地水準面為基準的地面點高程。

隨着科學技術的發展，大地測量學科的研究和應用範圍發生了革命性的變化。現代大地測量學已經超越了過去傳統的局限性，由區域性大地測量發展為全球性大地測量；由研究地球表面發展為涉及地球內部；由靜態大地測量發展為動態大地測量；由測地球發展為可以測月球和太陽系各行星,並有能力對整個地學領域及航天等有關空間技術作出重要貢獻。

目錄

我國的大地坐標系統

新中國成立後ca採用兩套大地坐標系

1954北京坐標系統 採用1942年克拉索夫斯基橢球做參考橢球，橢球參數如下：

長半周 a(m) 6378245

短半周 b (m) 6356863.0188

扁率 α 1/298.3

第一偏心率平方e2 0.006693421622966

第二偏心率平方e』2 0.006738525414683

高程以1956年青島驗潮站的黃海平均海水面為基準。高程異常是以前蘇聯1955年大地水準面重新平差的結果為起算，按我國天文水準路線推算出來的。

80坐標系統

1980西安大地坐標系，也是參心坐標系統。坐標原點在陝西省西安市

採用的是75年國際大地測量協會推薦的數據。

橢球參數為：

長半軸a (m) 6378140

短半軸b(m) 6356755.2882

扁率α 1/298.257

第一偏心率平方e2 0.00669438499959

第二偏心率平方e』2 0.00673950181947

高程系統以1956年黃海平均海水面為高程起算基準。

另外，現在GPS測量常用到WGS--84坐標系統：

WGS-84坐標系，是由全球地心參考框架和一組相應的模型（包括地球重力場模型）和WGS-84大地水準面所組成的測量參照系。是一個協議地球參照系。原點是地球的質心M，Z軸指向國際時間局BIH1984.0定義的協議地球北極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP相對應的赤道的交點，Y軸垂直於ZOX平面且與Z、X軸構成右手坐標系。採用WGS-84橢球。四個基本參數：

長半軸a (m) 6378137

短半軸b(m) 6356752.3142

扁率 1/298.257223563

第一偏心率平方e2 0.00669437999013

第二偏心率平方e』2 0.006739496742227

自1987年1月10日之後，GPS衛星星曆採用WGS-84坐標系系統，GPS網的測站坐標及測站之間的坐標差都屬於WGS-84系統。

現階段採用的大地坐標系

家測繪局在公告中提供了新坐標系的技術參數。公告同時對新舊坐標系的轉換和使用作出說明：2000國家大地坐標系與現行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8至10年。現有各類測繪成果，在過渡期內可沿用現行國家大地坐標系；2008年7月1日後新生產的各類測繪成果應採用2000國家大地坐標系。現有地理信息系統，在過渡期內應逐步轉換到2000國家大地坐標系；2008年7月1日後新建設的地理信息系統應採用2000國家大地坐標系。

2008年3月，由國土資源部正式上報國務院《關於我國採用2000國家大地坐標系的請示》，並於2008年4月獲得國務院批准。自2008年7月1日起，我國將全面啟用2000國家大地坐標系，國家測繪局受權組織實施。

採用2000國家大地坐標系的必要性

現行的大地坐標系歷經50年，對國民經濟建設作出了重大的貢獻，效益顯著。但其成果受技術條件制約，精度偏低、無法滿足新技術的要求。空間技術的發展成熟與廣泛應用迫切要求國家提供高精度、地心、動態、實用、統一的大地坐標系作為各項社會經濟活動的基礎性保障。

但從目前技術和應用方面來看，現行坐標系具有一定的局限性，已不適應發展的需要。主要表現在以下幾點。

1.二維坐標系統。1980西安坐標系是經典大地測量成果的歸算及其應用，它的表現形式為平面的二維坐標。用現行坐標系只能提供點位平面坐標，而且表示兩點之間的距離精確度也比用現代手段測得的低10倍左右。高精度、三維與低精度、二維之間的矛盾是無法協調的。比如將衛星導航技術獲得的高精度的點的三維坐標表示在現有地圖上，不僅會造成點位信息的損失（三維空間信息只表示為二維平面位置），同時也將造成精度上的損失。

2.參考橢球參數。隨着科學技術的發展，國際上對參考橢球的參數已進行了多次更新和改善。1980西安坐標系所採用的IAG1975橢球，其長半軸要比現在國際公認的WGS84橢球長半軸的值大3米左右，而這可能引起地表長度誤差達10倍左右。

3.隨着經濟建設的發展和科技的進步，維持非地心坐標系下的實際點位坐標不變的難度加大，維持非地心坐標系的技術也逐步被新技術所取代。

4.橢球短半軸指向。1980西安坐標系採用指向JYD1968.0極原點，與國際上通用的地面坐標系如ITRS，或與GPS定位中採用的WGS84等橢球短軸的指向（BIH1984.0）不同。

天文大地控制網是現行坐標系的具體實現，也是國家大地基準服務於用戶最根本最實際的途徑。

面對空間技術、信息技術及其應用技術的迅猛發展和廣泛普及，在創建數字地球、數字中國的過程中，需要一個以全球參考基準框架為背景的、全國統一的、協調一致的坐標系統來處理國家、區域、海洋與全球化的資源、環境、社會和信息等問題。單純採用目前參心、二維、低精度、靜態的大地坐標系統和相應的基礎設施作為我國現行應用的測繪基準，必然會帶來愈來愈多不協調問題，產生眾多矛盾，制約高新技術的應用。 若現在仍採用現行的二維、非地心的坐標系，不僅制約了地理空間信息的精確表達和各種先進的空間技術的廣泛應用，無法全面滿足當今氣象、地震、水利、交通等部門對高精度測繪地理信息服務的要求，而且也不利於與國際上民航與海圖的有效銜接，因此採用地心坐標系已勢在必行。

採用國家2000大地坐標系的意義

2000國家大地坐標系的科學性、先進性和實用性是顯而易見的。我國採用2000國家大地坐標系，對滿足國民經濟建設、社會發展、國防建設和科學研究的需求，有着十分重要的意義。

1.採用2000國家大地坐標系具有科學意義，隨着經濟發展和社會的進步，我國航天、海洋、地震、氣象、水利、建設、規劃、地質調查、國土資源管理等領域的科學研究需要一個以全球參考基準為背景的、全國統一的、協調一致的坐標系統，來處理國家、區域、海洋與全球化的資源、環境、社會和信息等問題，需要採用定義更加科學、原點位於地球質量中心的三維國家大地坐標系。

2.採用2000國家大地坐標系可對國民經濟建設、社會發展產生巨大的社會效益。採用2000國家大地坐標系，有利於應用於防災減災、公共應急與預警系統的建設和維護。

3.採用2000國家大地坐標系將進一步促進遙感技術在我國的廣泛應用，發揮其在資源和生態環境動態監測方面的作用。比如汶川大地震發生後，以國內外遙感衛星等科學手段為抗震救災分析及救援提供了大量的基礎信息，顯示出科技抗震救災的威力，而這些遙感衛星資料都是基於地心坐標系。

4.採用2000國家大地坐標系也是保障交通運輸、航海等安全的需要。車載、船載實時定位獲取的精確的三維坐標，能夠準確地反映其精確地理位置，配以導航地圖，可以實時確定位置、選擇最佳路徑、避讓障礙，保障交通安全。隨着我國航空運營能力的不斷提高和港口吞吐量的迅速增加，採用2000國家大地坐標系可保障航空和航海的安全。

5.衛星導航技術與通信、遙感和電子消費產品不斷融合，將會創造出更多新產品和新服務，市場前景更為看好。現已有相當一批企業介入到相關製造及運營服務業，並可望在近期形成較大規模的新興高技術產業。衛星導航系統與GIS的結合使得計算機信息為基礎的智能導航技術，如車載GPS導航系統和移動目標定位系統應運而生。移動手持設備如移動電話和PDA已經有了非常廣泛的使用。

對國民經濟的影響

應用現代空間技術進行地形圖測繪和定位，可以大幅度提高點位表達的準確性，並且可以快速獲取精確的三維地心坐標；可以提高測量精度和工作效率；可廣泛地應用於數字農業、數字林業，智能交通（車輛的導航、調度與監控），以及民航（飛機的導航、調度與監控）、海事（船舶的導航、調度與監控）、水利（數字黃河和數字長江）、漁政部門、城市物流（城市精細管理中的基於位置服務）、突發事故預警與快速響應系統、通信供電網絡維護系統、旅遊、科學考察與探險等。

保障配套工作

在我國建立、使用2000國家大地坐標系，需要將現有的參心坐標系下成果轉換到2000國家大地坐標系中。2000國家大地坐標系與現行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8年至10年。

現有各類測繪成果，在過渡期內可沿用現行國家大地坐標系；2008年7月1日後新生產的各類測繪成果應採用2000國家大地坐標系。

現有地理信息系統，在過渡期內應逐步轉換到2000國家大地坐標系；2008年7月1日後新建設的地理信息系統應採用2000國家大地坐標系

我國的高程系統

一、高程系統的一般意義

變化曲線基面是指計算水位和高程的起始面。在水文資料中涉及的基面有：絕對基面、假定基面、測站基面、凍結基面等四種。 （1）絕對基面。是將某一海濱地點平均海水面的高程定義為零的水準基面。我國各地沿用的水準高程基面有大連、大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等基面。(2)假定基面。為計算測站水位或高程而暫時假定的水準基面。常在水文測站附近沒有國家水準點，而一時不具備接測條件的情況下使用。 (3)測站基面。是水文測站專用的一種假定的固定基面。一般選為低於歷年最低水位或河床最低點以下0.5m～1.0m。 (4)凍結基面。也是水文測站專用的一種固定基面。一般測站將第一次使用的基面凍結下來，作為凍結基面。

二、常用高程系統

高程系統的換算是令人困擾的一個重要問題。我國歷史上形成了多個高程系統，不同部門不同時期往往都有所區別。可以查到的資料相當匱乏。先收集整理如下。

(1) 波羅的海高程

波羅的海高程十0．374米=1956年黃海高程 中國新疆境內尚有部分水文站一直還在使用「波羅的海高程」。

(2) 黃海高程

系以青島驗潮站1950—1956年驗潮資料算得的平均海面為零的高程系統。原點設在青島市觀象山。該原點以「1956年黃海高程系」計算的高程為72．289米。

(3) 1985國家高程基準

由於計算這個基面所依據的青島驗潮站的資料系列（1950年～1956年）較短等原因，中國測繪主管部門決定重新計算黃海平均海面，以青島驗潮站1952年～1979年的潮汐觀測資料為計算依據，並用精密水準測量接測位於青島的中華人民共和國水準原點，得出1985年國家高程基準高程和1956年黃海高程的關係為： 1985年國家高程基準高程=1956年黃海高程-0.029m。 1985年國家高程基準已於1987年5月開始啟用，1956年黃海高程系同時廢止。

(4) 廣州高程及珠江高程

廣州高程 = 1985國家高程系 + 4.26（米）

廣州高程 = 黃海高程系 + 4.41（米）

廣州高程 = 珠江高程基準 + 5.00（米）

(5)大連零點

入侵中國東北期間，在大連港碼頭倉庫區內設立驗潮站，並以多年驗潮資料求得的平均海面為零起算，稱為「大連零點」。該高程系的基點設在遼寧省大連市的大連港原一號碼頭東轉角處，該基點在大連零點高程系中的高程為3.765米。原點設在吉林省長春市的人民廣場內，已被毀壞。該系統於1959年以前在中國東北地區曾廣泛使用。1959年中國東北地區精密水準網在山海關與中國東南部水準網連接平差後，改用1956年黃海高程系統。大連基點高程在1956年黃海高程系的高程為3.790米。

(6) 廢黃河零點

江淮水利測量局，以民國元年11月11日下午5時廢黃河口的潮水位為零，作為起算高程，稱「廢黃河口零點」。後該局又用多年潮位觀測的平均潮水位確定新零點，其大多數高程測量均以新零點起算。「廢黃河口零點」高程系的原點，已湮沒無存，原點處新舊零點的高差和換用時間尚無資料查考。在「廢黃河口零點」系統內，存在「江淮水利局惠濟閘留點」和「蔣壩船塢西江淮水利局水準標」兩個並列引據水準點。

(7)坎門零點

民國期間，軍令部陸地測量局根據浙江玉環縣坎門驗潮站多年驗潮資料，以該站高潮位的平均值為零起算，稱「坎門零點」。在坎門驗潮站設有基點252號，其高程為6.959米。該高程系曾接測到浙江杭州市、蘇南、皖北等地，在軍事測繪方面應用較廣。

原黃河流域採用的高程系統

黃河流域高程系統較為紊亂，目前使用的高程系統有9種之多(大沽、黃海、假定、凍結、1985國家高程基準、引據點III、導渭、坎門中潮值、大連葫蘆島)。目前已經全部統一為1985國家高程基準2. 吳凇（口）高程系統該高程系統比較混亂，不同地區採用數值不一，如採用，需要仔細核對。

寧波:「1985國家高程基準」註記點=「吳淞高程系統」註記點-1.87

嘉興::「1985國家高程基準」註記點=「吳淞高程系統」註記點-1.828