[科普中国]-物理大地测量学

简介

物理大地测量学也称理论大地测量学，是大地测量学的主要分支之一。研究用物理方法测定地球形状及其外部重力场的学科，又称大地重力学，是根据几何大地测量和重力测量结果研究地球形状的重力学的一个分支学科。

发展简史18世纪中叶以前，人们是单纯采用几何大地测量方法测定地球形状的。

1743年法国的A.C.克莱洛在其著作《地球形状理论》中，认为地球的外表面应是一个水准椭球，即椭球表面上各点的重力位相等，从而论证了重力值（物理量）和地球扁率（几何量）之间的数学关系，这一论证称为克莱洛定理。这一定理奠定了用物理方法研究地球形状的理论基础，形成了物理大地测量学的核心内容。

19世纪初，法国的P.S.拉普拉斯和德国的C.F.高斯、F.W.贝塞尔等都认识到椭球面不足以代表地球表面。1849年，英国的Sir G.G.斯托克斯提出在地球的外重力位水准面上给定重力和重力位，已知地球离心力位，可以求出这个外重力位水准面的形状和外部重力位，无须对地球内部物质分布作任何假设。但为了求得唯一解，水准面外部不能有质量存在。

1945年，苏联的M.C.莫洛坚斯基提出了用地面重力观测来确定地球形状的理论，从而回避了长期无法解决的归算问题。但是仍然存在资料（重力数据）不足的矛盾。困难在于莫洛坚斯基理论虽然严密，但在高山地区所需要的数据众多，目前条件下很难满足。

1964年瑞典的布耶哈默尔(A.Bjerhammer)应用重力延拓方法，1969年丹麦的克拉鲁普(T.Krarup)和1973年奥地利的莫里茨(H.Moritz)应用最小二乘法的拟合推估的方法进行解算，初步解决了上述的困难。

人造地球卫星出现后，人们可以根据卫星轨道摄动理论，利用卫星观测资料，或综合利用地面重力测量资料和卫星观测资料来确定全球性的地球形状及其外部重力场，从而又丰富了物理大地测量学的内容

研究内容物理大地测量学是用物理方法（重力测量）确定地球形状及其外部重力场。地面上进行的所有几何大地测量和天文测量的定向依据都是各观测点的重力方向,因为地面上各点重力方向的空间指向杂乱无章,所以地面点的几何大地测量结果(天文经、纬度,正高)都在局部坐标架内；亦即根据地面点的这三个坐标,无法定出该点在地球上的准确位置。随着对地面点在地面上定位精度要求的提高,需要建立全球坐标系,因而需要知道地面上观测点的重力方向在地球上的定向。研究如何从以重力方向为依据的局部坐标架内的大地天文测量结果向全球坐标系的转换是物理大地测量学的主要内容。1

应用举例现代打的测量学推进了地震预报的进步。主要体现在提供了空间全景，时间全过程，高度精确的丰富的基础信息；证实了地壳动力学的基本状态不是“SOC”，而是“SO”；打通了通过“图像动力学”以场寻源的预报地震的途径；应变仪，蠕变仪和连续GPS对“暂态形变”的精密观测，连接了大地测量学和地震学之间的频率缺失区。2

理论分支重力位理论它是利用重力以及同重力有关的卫星观测资料确定地球形状及其外部重力场的理论基础，主要研究重力位函数的数学特性和物理特性。

地球形状及其外部重力场的基本理论它主要是研究解算位理论边值问题，例如按斯托克斯理论或莫洛坚斯基理论或布耶哈默尔理论等解算，以此推求大地水准面形状或真正地球形状和地球外部重力场。

全球性地球形状利用全球重力以及同重力有关的卫星观测资料，按确定地球形状及其外部重力场的基本理论，推求以地球质心为中心的平均地球椭球的参数，以此建立全球大地坐标系，并在此基础上推求全球大地水准面差距、重力异常和重线偏差等。

区域性地球形状按确定地球形状及其外部重力场的基本理论，采用局部地区的天文、大地和重力资料，将含有地球重力场影响的地面各种大地测量数据（如天文经纬度、方位角、水平角、高度角、距离和水准测量结果）归算到局部大地坐标系中，以此建立国家大地网和国家水准网。

发展趋势物理大地测量学沿用传统的天文、大地和重力测量方法的观测手段和观测结果，已不能满足研究地球形状和外部重力场的全球结构的需要。采用新的卫星观测方法，例如卫星雷达测高法,卫星-卫星跟踪技术，以及卫星重力梯度测量等，则可以提供更多的观测资料，弥补地面观测资料的不足。另外，由于地球并非刚体，而是带有一定粘滞性的弹性体，它在各种内力和外力的作用下处于运动状态，因此只有研究和探测地球外部重力场随时间的变化，才能为研究地球的动力效应提供必要的观测数据。物理大地测量学的研究同卫星大地测量学、动态大地测量的关系日益密切。