GNSS测量技术：大地测量的发展概况

大地测量的发展可以追溯到两千多年以前，从人们确认地球是个圆球并实测它的大小开始，其发展大体可分为: 古代大地测量、经典(或传统)大地测量和现代大地测量三个阶段。

1. 古代大地测量

远在公元前四千多年古埃及，在尼罗河泛滥后，农田边界的整理过程中，就产生了较早的测量技术。古埃及人通过天文观测，确定一年为365天，这是古埃及在古王国时期(公元前3000年)通用的历法，他们通过观测北极星来确定方向。公元前340年，古希腊的科学家亚里士多德就用天文测量方法测定地球的形状和大小，在他的《论天》一书中明确提出地球的形状是圆的，并且他通过对在不同纬度上观测北极星，北极星呈现出位置上的差别，推算出地球大圆的周长为4ד斯特迪亚”，“斯特迪亚”是古埃及及希腊通用的长度单位，现在不清楚一个斯特迪亚的长度究竟是多少。

中国是一个文明古国，测绘技术也发展得相当早，相传公元前两千多年夏代的《九鼎》就是原始地图。公元前五至三世纪，我国就已利用磁石制成最早的指南工具“司南”，中国的最古的天文算法著作《周髀算经》发表于公元前一世纪，书中阐述了利用直角三角形的性质，测量和计算高度、距离等方法。公元400年左右，中国发明了计里鼓车，这是用齿轮等机械原理作的测量和确定方位的工具，每走一里，车上木偶击鼓一下，走十里打镯一次，车上的指南针则记录着车子行走的方向。公元720年前后，唐代僧人一行(张遂)等人，根据修改旧历的需要，组织领导了我国古代第一次天文大地测量，这次测量北达现今蒙古的乌兰巴托，南达今湖南省的常德，他们在这些地方，分别测量了冬至，夏至和日影长及北极高度，同时还把测量成果绘制成图，他们实测中得出的子午线的长度，是世界上第一次测量子午线长度，这次测量除了为修改历法提供可靠数据之外，更重要的就是为了求出同一时刻日影差一寸和北极高差一度在地球上的相差距离(大约200里)。宋代沈括，在他的《梦溪笔谈》中记载了磁偏角现象，这在世界上是最早的发现，沈括在地形测量工程测量方面有较大贡献，他主持绘制了《天下州县图》，使用水平尺、罗盘等进行地形测量，制作地形立体模型。元朝大科学家郭守敬用自制的仪器观测天文，发现黄道平面与赤道平面的交角为23°33'05″，而且每年都在变化，如果按现在的理论推算，当时这个角度是23°31'58″，可见郭守敬当时观测精度是相当高的，郭守敬还发明一些精确的内角和检验公式和球面三角计算公式，给大地测量提供了可靠的数学基础，当时，为兴修水利，他还带领队伍在黄河下游进行了大规模的工程测量和地形测量。明代郑和航海图是我国古代测绘技术的又一杰作。该图以南京为起点，最远达非洲东岸的图作蒙巴萨。全图包括亚非两洲，地名500多个，其中我国地名占200多个，其余皆为亚洲诸国地名。所有图幅都采用“写景”画法表示海岛，形象生动，直观易读。在许多关键的地方还标注“牵星”数据，有的还注有一地到另一地的“更”数，以“更”来计量航海距离等。可以说，郑和航海图是我国古代地图史上真正的航海图。

2. 经典大地测量

经典大地测量阶段可以从18世纪中期牛顿、克莱劳确立地球为扁球的理论并从几何和物理两方面来测定地球的大小时算起，到20世纪中期莫洛琴斯基发展斯托克司理论，形成现代地球形状理论基础为止，差不多整整200年(1750—1950)时间。经典大地测量阶段的主要任务是为大规模测绘地图服务。为了提高点位测量的精度和速度，许多科学家在测量仪器、测量方法、椭球计算和数据处理方面做了大量研究工作，并取得了丰硕的成果。例如: 17世纪初斯约尔创造发明的三角测量法，德国数学家、天文学家、物理学家高斯(Carl Friedrich Gauss，1777—1855年)于1794年提出了最小二乘法理论以及重力测量等，这些成果至今仍被广泛应用。其中，重力测量应用最为广泛。(www.xing528.com)

重力测量就是根据不同的目的和要求使用重力仪测定地面点重力加速度的技术和方法。可分为相对重力测量和绝对重力测量，或按用途分为大地重力测量和物理重力测量。这个时期由于全球各大陆广泛布设了天文大地三角网，并发展了重力测量，算出了许多著名的双轴参考椭球几何参数，如后来被推荐为1924年国际椭球的海福特(Hayford)椭球。还有许多正常重力公式，如卡西尼(Kassini)计算的公式被推荐为1930年国际正常重力公式。此外大地测量技术的应用效果也很显著，如法国为了统一长度标准建立国际“米”制，而应用了子午弧长测量的结果等。

3. 现代大地测量

现代大地测量阶段从20世纪中期开始，是在电子技术和空间技术迅猛发展的推动下形成的。电磁波测距、全站仪、电子水准仪、计算机改变了经典测量中的低精度、低效率状况。测量成果精度提高到10－6量级以上，并缩短了作业周期，而且使过去无法实现的严密理论计算得以实行; 特别是以人造地球卫星为代表的空间科学技术的发展，使测量方式产生了革命性的改变，彻底打破了经典大地测量在点位、精度、时间、应用方面的局限性，不必再受地面条件的种种限制; 使建立全球地心大地测量坐标系有了可能; 使研究重力场特别是外部重力场几何图形能够迅速实现; 空间技术的发展使大地测量的功能更为扩大，大地测量的精度和效率已能配合其他学科用于空间、海洋，以及测定地球的各种动力学变化。人造地球卫星技术快速发展，使其在空间科学、气象、遥感、通信、导航、地球科学、地球动力学、天文学、大地测量、资源勘查、灾情预报、环境监测，以及军事科学诸领域中得到了广泛的应用。

现代大地测量以GPS系统为主要标志，GPS全球卫星定位导航系统是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空，进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管理、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等各种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门并开始逐步深入人们的日常生活。概括地说: 经典大地测量是以刚体地球为研究对象，是静态的、局部的、相对的测量; 而现代大地测量则是以可变地球为对象，是动态的、全球的、绝对的测量。