物理大地测量学——简史、内容与发展趋势（转载）
 physical geodesy
来源：百科全书
所属分类：固体地球物理学 测绘学 空间科学   作者：方俊　许厚泽　管泽霖　宁津生

内容提要： 
 
　　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。 
　　物理大地测量学同空间技术、地球物理学和地质学等学科有着密切的联系。它为计算人造地球卫星和远程弹道导弹等空间飞行器的运行轨道，提供精确的地球形状及其外部重力场的数据；还为地球物理学和地质学提供有关地球内部构造和局部特征的信息。 
　　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，假设地球内部处于静力平衡状态，地球的质量密度分布是从地球质心向外，随距离的增加而减小的。在这种假定下，他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。 
　　随着大地测量观测精度的提高，发现一些弧度测量的平差结果之间的矛盾远远超过了观测误差。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。斯托克斯这个理论是克莱洛定理的进一步发展。1873年，利斯廷(J.B.Listing)提出用大地水准面代表地球形状，由此可将斯托克斯理论用于研究大地水准面形状。但实际上由于大地水准面外部存在大陆，所以必须通过重力观测值的归算移去这些物质。这将使大地水准面发生形变。并且，要进行正确归算，必须知道归算范围内岩层密度分布的数据，这是一个十分复杂而难以解决的问题。所以归算问题一直成为经典的斯托克斯理论的障碍。 
　　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。在平原或丘陵地区应用经典方法，虽然归算在理论上不严密，但不足以影响大地水准面的计算精度。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(见地球形状)。 
　　由于人造地球卫星的出现，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。 
　　总之，物理大地测量学研究地球形状的主要任务是应用地面和卫星大地测量所求得的数据，推出与整个地球相适应的椭球面（即地球椭球面），以及以这个椭球面为参考的地面点位置。 
　　内容 　物理大地测量学主要研究以下几个方面的问题： 
　　①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。 
　　②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。 
　　③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。 
　　④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。 
　　此外，还有外部重力场的延拓问题。 
　　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。 
　　参考书目 　方俊：《重力测量与地球形状学》，上、下册，科学出版社，北京，1965、1975。
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博主附记：
上文作者：方俊、许厚泽、宁津生、管泽霖，前三位为中国科学院或工程院院士。
约30年前的参考文献，仍然有价值。
对于发展趋势的预测，经受了实践的考验。现在卫星雷达测高法，卫星-卫星跟踪技术，以及卫星重力梯度测量等技术已经在物理大地测量学中得到了广泛应用或者深入研究。


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