国际大地测量标准研究与比较

国际大地测量标准研究与比较

张晓红

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长沙测绘有限公司  湖南  长沙  410000

摘要：国际大地测量标准是全球定位、导航、地图制作等领域的基石。长度、角度和时间测量标准构成了其主要内容，确保全球测量活动的一致性与精确性。这些标准分为国际统一标准、国际参考标准以及具体的实施和监督机制。世界测地系统（WGS-84）被广泛应用于全球定位系统（GPS）中，而国际地球参考系统（ITRS）提供了一个更为动态的参考框架，两者之间存在着精细的转换关系。欧洲地球参考系统（欧洲地球参考系统）主要应用于欧洲地区，提供了与欧洲大陆板块运动同步的稳定参考。其他地区如北美和亚太也发展了自己的地球参考系统以满足区域需求。这些系统之间的比较显示，尽管有差异，但都致力于提高地理空间数据的准确性和互操作性。

关键词：国际大地测量标准；长度测量；角度测量；时间测量

引言

随着全球化的发展和技术的进步，精确可靠的大地测量标准对于科学研究、国际合作以及日常生活中的许多应用至关重要。国际大地测量标准包括长度、角度和时间的测量，它们为地球的定位与测绘提供了一致的方法学。随着不同系统间的比较和协作，国际社会持续努力提高测量的准确性与效率，以及不同系统的兼容性。本文将概述国际大地测量标准的主要内容，探讨各主要标准系统之间的比较，以及它们在全球应用中的实际意义。

1.国际大地测量标准的主要内容

1.1 长度测量标准

长度测量标准是国际大地测量实际工作的中心。这个标准是建立在米（m）这一国际单位体系的基础上的，它的定义是基于光在真空环境中的移动速度。对于测图、地籍测量和基础设施建设等传统领域来说，精确的长度测量是非常关键的，同时它也构成了现代科技，如卫星导航、深海探索和粒子物理实验等高精度工作的基石。全球范围内的测量工程师利用高精度的测量设备，例如电磁波距离测量仪和激光测距仪，以及依赖于卫星技术的测量工具，如全球定位系统，来完成长度的精确测量和校准工作。全球各地的这些技术都给出了统一的测量数据，这主要是因为它们都是基于同样的准则—即在国际单位制下的米。伴随着科学技术的发展，长度测量精确度有了很大提升。例如，利用原子钟同步进行卫星技术可以提供毫米级乃至亚毫米级测量精度。

1.2 角度测量标准

角度测量作为大地测量学的又一关键技术，涉及对地球表面各点按纬度、经度等位置的测量。角度测量标准化从精确了解地球形状开始，也就是说地球并非是个完美球体，它是扁率稍有改变的椭球。基于这样的认识，国际大地测量组织制定了一套标准，这些标准明确了角度测量的方法、测量数据的处理方式以及在不同测量系统间的转换策略。借助经纬网与天文观测技术，并与现代全球卫星导航系统相结合，测量者有能力以空前的精确度来确定角度。角度测量是绘制地图，计划飞行航线，海洋导航和建立地理信息系统的关键。在全球范围内，角度测量的标准已经从传统的光学测量工具，例如经纬仪和全站仪，逐步转向了采用全球导航卫星系统的自动化和数字化测量技术。这些过渡在促进测量效率的同时也减少了人为因素可能引入的错误。

1.3 时间测量标准

时间测量标准是国际大地测量的枢纽。时间的统一与精确测量对同步全球各区域地理数据具有重要意义。国际上时间测量标准是以原子时为标准，以原子或分子电磁过程尤其是铯原子微波信号为基础界定时间尺度。目前，国际原子时与协调世界时被视为全球同步的两个核心时间准则。这些时间标准在多个领域都有着广泛的应用，从确保全球金融交易的时间戳、管理网络通讯的时间协议，到在全球定位系统中同步卫星的时间，都高度依赖于精确的时间测量技术。尤其在大地测量中，准确的时间标准使卫星与地面间距离能够被精确计算出来，然后对地面各点进行精确定位。

2.国际大地测量标准的分类

2.1 国际统一标准

国际大地测量统一标准的目的是为保证资料的一致性和可比性而提供一套世界范围内都能接受的标准。其中包括测量长度，角度，时间等参数，并对地球坐标系统进行了界定。国际统一标准的建立涉及到广泛的专业知识和国际合作，由国际大地测量与地球物理联合会等机构负责领导。在这其中，国际地球参考系被视为一个关键的参考标准，它为我们提供了一个稳定的坐标体系，以准确地表示地球上各个点的具体位置。另外，国际统一标准涵盖测量设备校准程序，数据处理及交换格式等内容，使世界各国研究人员及工程技术人员从事大地测量工作时都能有一个共同遵守的标准。为保证国际统一标准具有连续性和前瞻性，有关专家一直在评价并不断更新这些标准。对这些标准进行维护与修改，体现出科技进步所产生的新手段，新方法。比如说，随着全球卫星导航技术的不断进步，相应的测量准则也需要进行相应的修订，以确保它们能适应最新技术的需求。

2.2 国际参考标准

国际参考标准是大地测量执行过程中的特定参照框架，这些参照框架是指导大地测量实践的一系列特定指标与定义。这些标准是由国际服务组织，例如国际地球自转服务和国际地球参考框架服务等机构，来制定和更新的。国际地球参考框架是国际参考标准中的一个经典示例，它为我们提供了一个坐标系统，用于准确地确定地球上各个点的位置和动态。国际参考标准与最新科研成果及技术发展不断接轨，保证了测量结果具有较高精确性与可靠性。对上述标准进行更新和修订，需要从全球范围内搜集大量观测数据并经专家组分析审议达成共识。这一进程保证国际参考标准具有权威性、科学性，并为全球测量活动的开展提供可信任的参考。国际参考标准的发展与应用在加强各国间科技合作的同时推动了全球测量方法一致性。

2.3 国际标准的实施和监督

执行与监督国际大地测量标准，是保证全球测量数据准确，一致的关键一环。监管机构通常是由如国际大地测量与地球物理联合会和国际标准化组织这样的国际组织组成，它们通过出台指导原则和执行质量控制流程，确保标准得到恰当的执行。这些组织也有责任定期评价测量技术与方法，并在全球范围推动交流知识与信息。监督国际标准也包括审查测量设备及程序，确保其符合国际规定性能要求。监督机构为维持高质量标准的执行而促进一系列认证与认可过程。监督机构可以通过一个国际协作网络及时查明和解决在执行标准时出现的各种问题，以保持全球大地测量数据在质量上和完整性上。

3.主要国际大地测量标准比较

3.1 世界测地系统

3.1.1 WGS-84标准

WGS-84（世界测地系统1984）是美国国防部研发的一种广受欢迎的地理坐标系统，从1984年开始，它已经成为全球定位系统的核心组成部分。与其他大地测量系统，例如欧洲的欧洲地球参考系统和北美的NAD83相比，WGS-84标准在精确度和一致性上展现了其独到之处。WGS-84的覆盖范围是全球性的，即并不是具体针对任何大陆和国家，其他系统也许更加注重提供区域性准确度。比如欧洲地球参考系统旨在为欧洲板块稳定性提供较好的服务，从而可能为欧洲区域局部提供较高精度。WGS-84的一个突出特性是它的动态性，该设计旨在适应地球物理参数的各种变化，例如极移和板块漂移等现象。随着时间的推移，其参数和坐标将会进行更新以适应这些变动。尽管其他地方性系统，如NAD83，也进行了相应的更新，但其更新频率和对全球变化的适应能力可能不如WGS-84。就技术比较而言，WGS-84并非都是最为准确的系统。有些国家或地区可能已发展出本国大地测量系统以更加精确地反映当地独特的地理及地球物理特征。如日本JGD2000、澳大利亚GDA等就是为上述国家提供内部更准确的地理位置数据。当局部使用时，这类系统可能会提供高于WGS-84的准确性。

3.1.2 实施应用

从WGS-84规范的执行应用情况来看，该规范的推广应用范围主导了世界上许多领域，特别是国际航空，海洋导航以及全球卫星定位服务。与其他的大地测量系统相比，WGS-84作为GPS的标准坐标系统，在全球定位服务领域具有不容置疑的优越性。这一系统已经被视为跨国合作和国际数据交流的首选平台，特别是在那些需要全球统一和广泛应用的场合中。从实现层面上看，WGS-84因其应用与支持范围之广、应用软件与工具之丰富而方便于各类用户。然而，对于那些需要高度个性化和特定地理区域精度的应用场景，例如土地测绘或工程建设，地方性或国家性的大地测量系统可能会受到更多的青睐。这些制度可以为调整提供一个参考框架并较好地与当地地理环境保持一致。对需要将全球数据与地方数据相结合的应用而言，为保证全球标准和地方标准无缝连接，有可能开展坐标转换及数据整合。

3.2 国际地球参考系统

3.2.1 ITRS标准

国际地球参考系统代表了对地球坐标参考框架的一个高精度、科学上的定义，其标准化形式为国际地球参考框架。国际地球参考系统利用各种地球物理的观测方法，例如卫星激光测距、甚长基线干涉测量、全球定位系统和多普勒轨道测量系统，为我们提供了高度精确的地球坐标系统。国际地球参考系统对精确科学研究与技术应用具有核心作用，可提供地壳运动，海平面变化，极移等地球动态的详尽框架。相对于WGS-84及其他标准，ITRS具有精确性高、实时性好、能够较好地体现并适应地球动态变化等优点。国际地球参考系统更新频率普遍高于WGS-84，致使二者坐标取值可能相差很小。在一些需要极高的精度，例如板块构造研究，深空导航，以及海洋与气候变化监测等应用场合，国际地球参考系统以其卓越的性能得到了广泛应用。国际地球参考系统在设计上还反映出对未来科学技术进步的预见性，可以将新观测技术与科学发现融合在一起，使之在地球参考系领域中始终保持领先地位。

3.2.2 与WGS-84的关系

对比国际地球参考系统标准和WGS-84标准就会发现两者有着密切却又错综复杂的联系。WGS-84作为全球定位系统所依赖的地球参照标准，而国际地球参考系统则被认为是目前地球物理学研究中使用的最为精确的地球参考标准。在实际应用中，WGS-84经常被视为是国际地球参考系统在特定时期的一个近似实现，这意味着WGS-84的坐标系统是基于国际地球参考系统在历史某一时刻的数据而进行的简化。尽管两者都旨在为全球范围内提供一个坐标参考框架，但它们在实施和更新机制上存在差异。WGS-84的更新频率通常是每隔几年一次，以确保与国际地球参考系统保持一致；不过国际地球参考系统提供了更经常地更新来反映地球上不断发生的物理变动。所以对要求极端精确度的使用者直接使用国际地球参考框架坐标也许更恰当。另外，WGS-84与国际地球参考系统的切换也可以实现，但是要考虑二者在小范围内的差别，这可能影响精密导航与地理信息系统的准确性。这一转化对国际合作项目特别重要，以便保证各国、各机构所用数据之间的精确衔接。WGS-84在日常商业及大众应用方面的普及度及易用性使得它更加受到人们的喜爱，在科学研究及高精度的应用场景下国际地球参考系统以其优异的精确度及动态更新能力成为人们的优先选择。二者关系反映出实用性和精确性的权衡和全球参考框架不同应用领域对其的不同要求。

3.3 欧洲地球参考系统

3.3.1 欧洲地球参考系统标准

欧洲地球参考系统是专为欧洲大陆设计的地理坐标参考系统。欧洲地球参考系统89（欧洲地球参考系统的1989年版本）被普遍看作是欧洲大陆板块稳定的重要地理参照。该系统与国际地球参考系统有着密切的联系，但对于欧洲地区的地壳活动进行了特别的调节。欧洲地球参考系统将坐标定位于欧洲大陆板块上，并考虑了板块运动情况，该设计能够保证坐标随着时间推移处于相对平稳状态。将欧洲地球参考系统同国际地球参考系统或者WGS-84等全球系统进行对比，欧洲地球参考系统具有兼顾区域独特地质及地壳运动因素等优点。这表明，对于那些需要高精度和长期稳定性的地理信息系统、土地勘查和科研项目，欧洲地球参考系统提供了更加可靠的地理坐标参考。但由于欧洲地球参考系统专门针对欧洲，所以它的用途及适用性都比较局限在欧洲大陆。在欧洲的背景下，欧洲地球参考系统与国际地球参考系统之间的数据转换和兼容性是由欧洲大地测量协会进行管理和维护的，以确保欧洲地球参考系统与全球坐标系统的一致性。

3.3.2 应用范围

欧洲地球参考系统的主要应用领域是为欧洲提供一个高度精确且长期稳定的坐标系统。欧洲地球参考系统技术已在多个专业领域得到广泛应用，这些领域包括但不限于土地测绘、工程建设、地理信息系统以及环境监测。尤其在欧洲境内国界划定，交通网络规划及自然资源管理中，精确性与稳定性对欧洲地球参考系统起到了至关重要的作用。与全球性的大地测量标准相比，如WGS-84和国际地球参考系统，欧洲地球参考系统的应用更加专注于欧洲地区，这一点在涉及到高精度地图制作和土地管理时尤为明显。例如，在执行地理相关的法律和政策时，欧洲各国更倾向于采用欧洲地球参考系统，因为它可以为欧洲大陆的板块运动提供更为稳定和同步的坐标参照。但是欧洲地球参考系统存在着不适合全球尺度上使用等限制。就全球定位及国际数据交换而言，欧洲地球参考系统需配合国际地球参考系统或者WGS-84这样的全球标准。在此情景下，需要将欧洲地球参考系统坐标数据经过准确的变换过程对准全球参考系统才能保证国际合作项目数据的一致性。在专业测量，高精度导航等方面，使用欧洲地球参考系统具有重要意义。

结束语

总结而言，各国际大地测量标准的研究、比较与实施揭示了一个不断演进的领域，旨在提高全球大地测量的准确性和效率。WGS-84、ITRS及欧洲地球参考系统等标准体系的比较不仅展示了它们在技术和应用上的独特性，也强调了在全球范围内实现互操作性和数据一致性的重要性。随着技术的发展，预期这些标准将继续演化，以适应新的科学发现和技术需求，为全球的地理信息科学领域提供坚实的测量基础。

参考文献

[1]党亚民, 蒋涛, 杨元喜, 孙和平, 姜卫平, 朱建军, 薛树强, 张小红, 蔚保国, 罗志才, 李星星, 肖云, 章传银, 张宝成, 李子申, 冯伟, 任夏, 王虎. 中国大地测量研究进展（2019—2023）[J]. 测绘学报, 2023, 52 (09): 1419-1436.

[2]姜卫平, 李昭, 魏娜, 刘经南. 大地测量坐标框架建立的进展与思考[J]. 测绘学报, 2022, 51 (07): 1259-1270.

[3]刘新江, 曹解放, 李长会. 美国大地测量基准建设最新进展与启示[J]. 海洋测绘, 2022, 42 (01): 1-5.

[4]卢传芳, 熊超. 全球大地测量地心坐标参考框架的最新发展情况[A] 第十二届中国卫星导航年会论文集——S04 卫星轨道与系统误差处理[C]. 中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心, 中国卫星导航学术年会组委会, 2021: 7.

[5]武汉大地测量国家野外科学观测研究站[J]. 中国科学院院刊, 2021, 36 (02): 224-226+239.

[6]姚宜斌, 杨元喜, 孙和平, 李建成. 大地测量学科发展现状与趋势[J]. 测绘学报, 2020, 49 (10): 1243-1251.