From Theodolite to Satellite
夏林元
（武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室）
当国际测绘期刊Survey Review迎来其创刊75周年之际，测绘科学的发展也经历了一场重大的变革。本着把握历史以展望未来的出发点，我们对这些发展和变革进行了总结和回顾。同时我们不难感受到大地测量中一个重要变化的标志，那就是现代大地测量经历了一场从经纬仪时代到现代卫星时代的重大变化，这其中又包括计算手段、观测工具、大地基准定义及观测对象的演化等一系列的重要发展阶段和技术进步，这些新发展又共同构成了现代大地测量的内涵，为该学科全面走向地球科学和相关科学领域奠定了基础。
测量科学的发展离不开计算技术的发展。在现代化计算技术出现以前，算盘是唯一的计算工具，当时利用算盘对10个控制点组成的小型测量网进行纠正计算，要花费测量队几天甚至一周的时间。1936年发明了第一台可编程式电脑，成本较高，还存在稳定性和安全性问题，而且汇编语言也给测量员带来了诸多的不便。1954年IBM公司发明的第一个高级编程语言——FORTRAN，推进了实用程序的发展。20世纪70年代，可编程计算器的成功发明标志着其在测量领域应用的开始，把人们从复杂的数据计算中解放出来。随着电脑内存的扩大和执行能力的改进，它能脱离较为苛刻的环境要求进行快速工作，从此台式电脑流行起来，随后手提电脑也发展起来。现在即使一个缺乏经验的工作人员甚至是只进行了基本培训的门外汉，只要输入文件，操作菜单和对话框命令，就能完成数据处理工作。
计算技术的发展推进了测量仪器的发展。起初经纬仪是测量员的职业性和权威性工具，但经纬仪的水平和垂直观测受到如地球形变、大气折射等因素的影响。1957年，第一颗人造卫星的成功发射，为人类进入空间技术时期揭开了新篇章。随着1958年海军导航卫星系统（NNSS）的持续发展，出现了全球定位系统（GPS），它无需通视条件，在任何气候下，都能进行全球定位和导航，提供全球参考框架WGS84下的定位成果，而且它灵活的定位模式提供了从厘米级到米级多种类型的服务，如实时定位、大尺度范围精确的时空信息服务等。
目前，全站仪往往和GPS接收机进行集成，这就意味着人们可以在开阔的观测环境下使用卫星定位技术，而在卫星信号被遮挡的环境下能切换到经纬仪观测模式。这显著地提高了外业测量和数据处理的工作效率。随着空间技术和电子技术的发展，GNSS接收机已经变得越来越受欢迎，其功能多样化，价格更合理，涵盖了个人使用的低廉产品到专业高精度产品等范围。经纬仪到卫星的转变不仅意味着相关观测设备的更新，而且蕴涵着由科学和技术进步对大地测量所带来的革新，这一转变随即促进了这一学科的改革和完善，并且提升了该学科的社会和学术地位，成为测量界近100年发展的一个里程碑。
大地基准的演化也是显著的。在卫星大地测量时代之前，一个国家或区域大地基准的建立是大地测量学家的首要任务，作为测绘的核心框架，它的建立包括参考椭球的选择和其定向这两方面的工作；通过大规模数据进行平差处理确定椭球参数和定向参数是一项复杂的过程，而且几乎各个地区或国家都有各自的大地基准，为了建立它们之间的转换关系，需要额外测量来建立各个系统间的基本联系；然而，在给定一些公共点条件下的拼接或转换既不精确，也不具有统一性，难免引起一些混淆和争议。因此在传统条件下，很难完成诸如大尺度范围的形变分析和地学结构分析之类的地球科学任务。GPS有力地促进了全球参考系统的建立和发展，由此建立的全球性参考系统被称之为国际地球参考系统（ITRS），它是通过分布于全球的多个站点构成的国际地球参考框架（ITRF）来实现的。国际天文学联合会（IAU）、国际大地测量协会（IAG）、国际地球自转与服务机构（IERS）和国际GNSS服务组织（IGS）等国际学术机构之间通过密切的合作，采用包括甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星集成的多普勒定轨和无线电定位（DORIS）和激光测月（SLR）在内的多种空间观测手段和GPS进行联合观测和处理，实现了这一全球性的框架基准。
基于这种统一基准以及空间观测的集成处理，大地网避免了以前那样的基准独立或相互分离，它们可以方便地建立和实现互相连接；这也使得通过大地测量会战获取大规模的地壳运动和形变信息的科学研究工作成为可能。此外，这些结果可以精化全球观测站的坐标以及弄清楚它们的变化机理，反过来这些可以对全球参考系统进行改进，它们之间相互促进和获益。
高程基准作为大地测量基准的一个重要组成部分，其建立方法同样也发生了很大的变化。尽管目前建立一个精化的统一高程基准仍是一项艰巨的任务，但随着全球地球重力场模型的精化和大地水准面的精确确定，卫星测高、航空重力测量、卫星跟踪卫星技术（如GRACE等科学工程卫星）的出现，已经有效地促进了对海平面变化的探测和陆地与近海区域的高程基准之间的连接，并且深化了对相关海洋现象的研究。由这些进展我们可以看到：传统大地测量的任务已经转变为采用多种空间观测技术来建立、维持和完善一个动态地球时空参考框架。
另外，卫星定位和导航技术的广泛应用也拓宽了大地测量学科的作用范围发展。较之于常规的以角度和边长为主的小范围静态观测相比，差分GPS、RTK、广域差分GPS、广域增强系统和连续运行基准站阵列等GNSS支撑的基础设施的发展，能够为许多应用提供不同精度的静态和动态形式的空间和时间服务；另外，卫星定位技术与惯导系统、无线通讯网络、地面移动设备、航空飞行器甚至其他多种用途的单元的集成，使得大地测量成功地渗透到许多其他领域，如通信、工程建设、车辆监测和交通管理、水下测量、航空、灾害监测和预防以及外太空探测，这使得当前的大地测量技术大大有别于传统的测绘定位模式。
最后，我们可以看到，现代大地测量科学对其他学科的贡献还可以追溯时间和空间度量尺度定义的演变。1927年，国际米是以铂铱合金标准直尺刻度的定义形式出现的，后来人们通过麦克森干涉仪来确定米的长度，直到1983年，长度单位的定义得到完全的更新，并与时间的单位“秒”建立联系，这种进步使得大地测量摆脱了笨重的因瓦尺时代。随着这种时空度量单位的确定及真空中的光速准确的确定，现代大地测量中的观测已经成功的从传统的基于可见光人工采集方式转变成使用多种电磁波进行自动量测方式。实际上在GPS出现之前，激光测月（LLR）、激光测卫（SLR）和甚长基线干涉测量（VLBI）均是实际例证。用于测距、定位和导航的卫星发射信号携带有其传播路径中的介质结构信息，对接收到的无线信号的处理可以很好的了解这些大气层的结构，采用GPS的地面网和空基网已经验证了其用于大气物理分析和气象研究的可行性；另一方面，对CHAMP和GRACE等科学任务卫星采用GPS进行精密定轨，已经衍生出在海洋学、地球物理和地球重力场等诸多方面的应用，这些均印证了空间卫星技术支撑下的现代大地测量学对其它相关学科的独特贡献。
顾海燕 编译自Survey Review，2006，38（300）；夏林元 审校 |
