姚宜斌1,楊元喜2,孫和平3,李建成1
1.武漢大學測繪學院, 湖北 武漢 430079;
2.地理信息工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710054;
3.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院, 湖北 武漢 430074
基金項目：國家自然科學基金（41931076；41721003）
摘要：近50年，由于大地測量觀測手段的不斷進步和應用領域的不斷拓展，大地測量學科不斷進化，并與其他學科不斷交叉與融合。本文首先簡述了大地測量學發展的背景和在歷史上發揮的主要作用，梳理了大地測量傳統學科的形成。進一步，分析了大地測量發展現狀，側重從觀測手段的進步描述學科的發展；從應用領域的拓展描述交叉學科的形成；從國家需求和科學發展出發，描述了大地測量學科未來的發展趨勢。最后，綜合各方面因素，提出了大地測量現階段學科分類建議，試圖為大地測量工作者的科研選題、基金申請提供借鑒。
關鍵詞：大地測量學科 觀測手段進步 應用領域拓展 大地測量學科分類建議
添加微信好友, 獲取更多信息
復制微信號
引文格式：姚宜斌, 楊元喜, 孫和平, 等. 大地測量學科發展現狀與趨勢. 測繪學報，2020，49(10)：1243-1251. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20200358.
閱讀全文：http://xb.sinomaps.com/article/2020/1001-1595/20201001.htm
1 大地測量學學科背景
大地測量學是地球科學的一個重要分支，也是地學領域一門十分古老而又蓬勃發展的年輕學科。大地測量的基本目標是測定和研究地球空間點的位置、重力及其隨時間變化，為國民經濟建設和社會發展、國家安全以及地球科學和空間科學研究等提供大地測量基礎設施、信息和技術支持[1-5]。
大地測量學因其觀測手段的進步、研究 *** 的差異和應用領域的拓展，形成了不同的分支學科。盡管各分支學科分類有所差別，但是傳統且被廣泛接受的分類是：實用大地測量學、橢球面大地測量學、物理大地測量學和衛星大地測量學。如果從應用領域的拓展再細分，又可以分為：海洋大地測量學、動力大地測量學以及月球和行星大地測量學等，也可以將應用領域拓展導致的大地測量學分類歸結為前面傳統分類的應用與拓展。
早在2000年前的埃及和我國夏禹治水時期就已經使用到測量原理。公元724年，我國就曾組織過弧度測量。18世紀中葉法國科學院組織了兩支弧度測量隊，一支前往北歐的拉普蘭，另一支前往南美的厄瓜多爾，首次測得地球扁率為1-210，證實了地球非標準球體，同時得到了地球的橢球參數。1743年，法國科學家克萊羅證實了重力與地球橢率的關系，為利用重力研究地球形狀奠定了重要基礎。19世紀與20世紀是大地測量飛速發展的時期，科學家先后發明了擺儀和重力儀，為研究地球形狀和地球重力場提供了大量觀測數據。20世紀40年代，隨著電磁波測距儀的發明，發展了導線測量與三角測量。1956年我國成立國家測繪總局，隨即頒布了大地測量相關的細則規范。20世紀70―90年代，開展了較大規模的重力測量，完成了中國重力標準網建設，在北京等6個點上進行了絕對重力測量，并利用拉科斯特-龍貝格G型重力儀作了相對重力測量。在上述工作的基礎上，于1985年建立了“中國重力標準網”。該網由57個點組成，其中有6個絕對重力點，平均測量精度優于20×10-8 m/s-2。
大地測量觀測技術的進步推動了理論研究的發展，尤其是高精度連續觀測技術促進了靜態大地測量學向動態大地測量學的發展，擴大了應用領域。現代大地測量學為地球動力學、行星學、大氣學、海洋學、板塊運動學和冰川學等提供基準信息，并與地球科學和空間科學的多個分支相互交叉，已成為推動地球科學、空間科學和軍事科學發展的前沿科學之一。現代大地測量學對地球科學的基本貢獻可概括為3個方面：①提供地球動力系統中正在發生的過程所輸出地表力學信號的全球數據和圖像[6-9]；②為地球深部動力學過程和介質參數反演提供邊界條件和約束條件[10-12]；③為新理論、新模型驗證提供大地測量檢驗。
1864年，國際大地測量學協會(IAG)在德國柏林成立，是國際大地測量學界權威的學術團體，旨在通過國際合作，促進大地測量學的發展，協調國際科技合作，推動開展全球大地測量觀測系統建設、地球動力學研究以及其他有重大意義的大地測量科學問題的研究[13-14]。IAG于2003年提出全球大地測量觀測系統(GGOS)[15]，通過整合各種大地測量觀測手段以及各種技術 *** ，在大地測量的3個基本領域(地球表面的幾何形狀和運動狀態、地球定向和自轉、地球重力場及其時變特征)形成新一代大地測量產品，在諸如全球變化、自然災害和災害預報等方面為 *** 決策、經濟發展提供基礎性支持。2012年，IAG重組了機構，形成了包括大地測量參考框架、重力場、地球自轉和地球動力學、定位和應用在內的4個委員會。此外，IAG還成立了研究大地測量理論、模型和 *** 的跨委員會組織。IAG中國委員會聯合國際地球自轉服務(IERS)、國際GNSS服務(IGS)及國內的多家科研機構，建立并完善以GNSS為主的MGEX、iGMAS等計劃[16-17]，為北斗等國家重大工程建設提供科學監測數據，為2020年6月北斗全球組網完成提供時空基準。
1919年大地測量協會與地球物理協會聯合成立了國際大地測量和地球物理學聯合會(International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG)，是國際科學聯合會理事會(ICSU)所屬的20個聯合會中較大的聯合會之一。IUGG致力于研究地球并將研究獲得的知識服務于社會需求。IUGG最初被分成大地測量學學部、地震學學部、氣象學學部、地磁學與地電學學部、物理海洋學學部、火山學學部等6個學部，現有8個國際性協會和3個委員會。
2 大地測量學發展現狀
近些年來，大地測量學向地球科學基礎性研究領域不斷深入發展，空間大地測量在學科發展中起主導作用，主要呈現出如下發展態勢：
(1) 學科快速增長。20世紀80年代以來，由于空間技術、計算機技術和信息技術的飛躍發展，以電磁波測距、衛星測量、甚長基線干涉測量等為代表的新的大地測量技術出現，給傳統大地測量帶來了革命性的變革，形成了現代大地測量學。衛星大地測量的興起，為研究地球形狀和重力場及其隨時間的變化提供了新的更高精度、更高分辨率的觀測手段[18]，主導著大地測量學科的發展和大地測量應用領域的拓展。
大地測量儀器的量子化、智能化、集成化和實用化是未來發展的重要態勢。包括我國北斗三號衛星導航系統在內的GNSS導航衛星系統、衛星測高系統和衛星重力測量系統，以及航空、海洋和地面大地測量技術等已經取得重要進步，將為推進深地、深海和深空“三深探測”提供重要的觀測信息。
自2006年以來，深度學習、人工智能、大數據分析等信息技術的快速發展，給傳統大地測量數據處理與分析帶來了新的途徑[19-20]，也進一步擴展了現代大地測量學的研究范疇。
(2) 應用領域快速拓展。現代大地測量可實現連續、動態觀測，尤其是全球衛星導航系統(GNSS)、衛星激光測距(SLR)、甚長基線干涉測量(VLBI)、衛星多普勒定軌定位(DORIS)系統的發展。近年來，以GNSS為主的衛星導航定位基準站網發展飛速[21-22]。據統計，截至2019年底，國內基準站已申請備案7223站。覆蓋全國的衛星導航定位基準站網，不僅可以更好地服務傳統測繪的應用領域，也為智能駕駛[23]、精準農業[24]等新型應用提供了重要位置信息，為特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通等“新基建”提供了高精度空間基準基礎設施。此外，隨著衛星測高、衛星重力測量等技術的發展，極大提升了大地測量為地球表面、海洋和太空目標點位置和重力場提供連續的時序觀測信息的能力，尤其是InSAR技術的發展[25]，推進了地表形變監測[26-28]、滑坡監測[29]、礦山形變監測[30]、大型水壩監測[31]、城市地下水變化監測[32]以及特殊工程形變監測等技術進步，進而催生了“應用大地測量學”(包括傳統的精密工程測量、城市大地測量等)發展。
此外，隨著數字化、互聯網+、人工智能技術的發展，大地測量應用領域也隨之迅速拓展，如大地測量技術廣泛應用于城市的位置服務[33]、無人機編隊等。
(3) 特色分支學科迅速成長。傳統幾何大地測量和物理大地測量是大地測量最重要的分支學科，而現代大地測量技術的發展，尤其是各類位置感知傳感器的發展，可為各類目標提供連續的、高精度監測信息，這些信息包括幾何大地測量信息和物理大地測量信息。例如，作為現代大地測量學最重要、最活躍的分支學科，衛星大地測量顯著提升了現今大地測量對地觀測的精度、可靠性、分辨率及時效性，已成為精密測定地表幾何位置及變化規律，獲得地球重力場及其時空變化特征，定量研究地球質量分布遷移運動規律，探究地殼運動變形的動力學機制，精密測定空間飛行器的位置及導航等的重要手段，直接推動了現代大地測量學與地震[34-35]、海洋[36]、冰川[37]和水文學[38]等領域的交叉研究。衛星大地測量已經廣泛應用于監測地球旋轉變化、監測行星幾何形狀與重力場[39-40]、反演大氣水含量變化[41]、反演海洋幾何與物理變化(GNSS-R)[42]、反演板塊運動[43]和冰川消融[44]等。這些新的應用，一方面模糊了幾何大地測量與物理大地測量的分界線，另一方面又促進了“動力大地測量學”分支學科的發展。
此外，衛星測高作為空間大地測量技術的應用，是大地測量學、地球物理學和海洋學等學科交叉發展的基本技術之一，在確定海洋大地水準面起伏和重力異常[45-46]、海洋與極地環境監測[47]、有關海洋地球動力學現象監測和解釋等方面[48]發揮了重要作用。衛星重力在恢復地球重力場方面具有全球高覆蓋率、高空間分辨率、高精度和高時間重復率等優點，在地下水儲量變化[49-50]、物質遷移、資源勘探及海底地形反演[51]等方面具有獨特的作用，促進了大地測量和地球物理學科的交叉發展。例如，利用多源大地測量觀測資料為區域地球物理反演提供大地測量約束，建立新的聯合反演模式[52]；利用多源大地測量觀測也可以分析典型活動斷層發震能力及評估地震危險性，并為認識地震孕育規律、發震能力及評估地震危險性等提供豐富的大地測量觀測信息。
(4) 新興學科快速發展。由于衛星測高技術、航空重力測量技術以及海洋重力測量技術的發展，促進了海洋大地水準面、海平面變化等分支學科的發展[53-56]；由于海底定位技術的進步，空、天、海及水下定位技術的發展，以及水下重力和磁力傳感器的進步，促進了水下導航定位理論的發展與技術進步[57]，進而促進了真正的“海洋大地測量學”(海洋物理大地測量和水下導航定位學科)的發展[58]。在國家重大需求牽引下，海洋大地測量與導航已逐漸成為當前戰略性新興學科發展方向。
地震彈性回跳理論的提出推動了大地測量在地震科學研究中的廣泛應用，出現了地震大地測量學。該學科方向側重利用大地測量(特別是空間大地測量)技術和 *** ，結合地震學(尤其是寬頻帶地震觀測)和構造地質成果，研究地球整體運動和地球自轉，并在此基礎上，研究地球的運動和變形[59]。高頻GNSS實時觀測技術的進步，有效彌補了地震學和地質學在時間域和信號頻帶域上的不足。
3 大地測量學的學科發展趨勢
大地測量學科發展的總趨勢是向地球科學縱深發展，其主要任務是監測和研究地球動力學現象，研究地球本體的各種物理場，認識與探索地球內部的各種物理過程并揭示其規律[60]。空間大地測量技術不論在空間尺度還是精度水平方面，已經能夠監測地球動力學過程及其物理場的微小變化，促進動力大地測量學不斷向縱深發展，于是出現了GNSS地震學。
在物理大地測量學向地球物理學滲透和深入的進程中，出現了新興學科分支：物理大地測量學反演問題，即用物理大地測量的基本理論、 *** 研究地球內部[61-62]。例如，依據物理大地測量學所界定的邊界場量，構制和求解地球內部重力場源的賦值模式等。這種交叉研究，一方面為物理大地測量獲取外部重力場結構提供更加有效的等效場源，另一方面為反演真實地球內部結構提供有意義的約束和判據。
地球的自轉運動可以通過歲差、章動、極移及日長變化來描述，上述參數稱為地球定向參數(earth orientation parameter，EOP)。EOP包含了豐富的地球動力學信息，在衛星定軌、宇宙飛船跟蹤、天文動力學、深空探測等領域有著非常重要的應用。受限于復雜的數據處理過程，空間大地測量技術獲取的地球定向參數存在幾小時甚至幾天的滯后，因此地球定向參數的預報研究具有重要的理論和實用價值[64-66]，也是當前大地測量領域的一個研究熱點。
衛星測高、衛星重力等衛星大地測量技術開啟了獲取全球海洋觀測數據的新紀元，促進了海洋學和大地測量的結合，主要研究包括：確定海平面高、海洋重力場、海面地形、海底地形、海洋大地基準，監測海平面變化、海洋環流和海洋潮汐等動力環境參數，為海洋環境監測提供位置及重力場等物理信息，在海洋科學研究和業務化應用有重要作用[62-68]。
地球空間電離層效應是GNSS測量中最復雜的誤差源之一：一方面，電離層效應是制約GNSS技術在現代大地測量、衛星導航、空間工程技術及載人航天等領域研究與應用效能的核心科學技術問題之一；另一方面，日益豐富的高精度GNSS觀測資料及其精密處理策略，是精確模擬和監測局部/區域/全球多尺度地球電離層TEC及電子密度的最有效途徑之一。于是，催生了GNSS電離層監測理論。
此外，空間大地測量受到各種環境要素的影響而產生折射或反射，反過來，這些折射信號或反射信號又可以反映地球物理場結構，于是，GNSS-R成為當前空間大地測量與遙感學交叉研究方向之一。GNSS-R是一種利用全球導航衛星系統反射信號對海洋、陸地或冰川雪地進行被動式遙感探測的技術[69]，可以進行海面測繪、海平面變化監測、潮汐反演、海面風浪場反演、海水鹽度估計等。在陸地遙感方面，由于微波波段對水分敏感，于是可以估計土壤濕度和植物生長量；在冰川雪地遙感方面，充分利用GNSS在時空分辨率上的優勢，可以測量海冰厚度及積雪厚度、密度、粗糙度等。隨著GNSS-R反射測量技術的發展，其應用領域將進一步拓展到海洋重力場反演，火山、地震形變等災害監測中。
重力場是地球基本物理場，是定義高程基準的基礎[70]，而高程基準系統是相關學科及國民經濟建設不可或缺的基礎及基礎設施。傳統的測定重力位 *** 費時費力，難以解決全球高程基準統一問題。基于廣義相對論，利用高精度原子鐘測定重力位屬于全新研究方向[71-72]，國內外學者先后提出了測定重力位和海拔高的時鐘搬運法[73]和重力頻移法，以及利用GNSS信號直接測定重力位和海拔高的新 *** [74]，統稱時頻重力位測量法。基于廣義相對論，利用高精度原子鐘的時頻信號傳遞可測定任意兩點之間的重力位差及高程差，這是目前解決全球高程基準統一的重要途徑，具有重要科學意義和廣泛應用價值。為此，國際大地測量協會成立了專門分會機構，其科學目標之一就是利用高精度原子鐘測定重力位、海拔高與建立全球高程基準系統。
4 大地測量學學科代碼調整的必要性與基本思路
依據基金委2020年項目指南中的國家自然基金申請代碼，地學四組(D04)包括大地測量學、地球物理學、應用地球物理學、空間物理學等4個學科方向，當前共設13個二級學科申請代碼。
大地測量盡管是一門古老而又發展迅速的學科，但是在基金委地球科學領域原來僅設1個二級學科代碼，即“大地測量學”。在大地測量學二級代碼下設了3個三級代碼。2018年增設成2個二級代碼，即增加了“工程測量學”。在基金委的支持下，大地測量學科得到了長足發展，基金申請人數逐年增加。但當前的二、三級代碼共存的設置已難以滿足新時代學科發展的需求，迫切需要改革。
首先，二級學科代碼凸顯出學科布局不平衡。目前大地測量學方向僅包括“D0401大地測量學”和“D0413工程測量學” 2個二級學科代碼，如果不設三級代碼，則很難體現大地測量學科發展，且與其他地球物理學和空間物理學相比極不平衡，而且存在以二級學科代碼代替學科方向的現象。
其次，三級學科代碼分得過細。大地測量學下面包含3個三級學科代碼(D040101物理大地測量學、D040102動力大地測量學、D040103衛星大地測量學(含導航學))，其中，動力大地測量是衛星大地測量和物理大地測量與地球動力學交叉而生成的學科，在學科代碼受限的情況下，可以分解到其他大地測量分支學科。
最后，二級代碼與三級代碼并存導致學科代碼邏輯結構不清晰。從原申請代碼排序來看，很難梳理出全局邏輯性。各個二級學科代碼有的代表是學科方向，有的代表的學科分支方向；各個二級學科代碼邏輯性不強、體量差異大，甚至類別相混，帶來的不僅是代碼名稱、順序問題，更可能帶來基金申請導向偏差，影響學科發展，并影響人才布局，對學科長遠自然發展也極其不利。
對于地學四組大地測量學方向代碼調整，筆者通過集思廣益，廣泛聽取專家、學者的意見，基本形成了共識，認為大地測量學科代碼調整應遵循的原則是：
(1) 學科代碼要體現大地測量觀測手段的發展。
(2) 學科代碼要體現大地測量應用領域的拓展。
(3) 學科代碼要體現大地測量分支學科的演進。
(4) 學科代碼要引領大地測量基礎理論的研究。
主要考慮如下4點：
(1) 基金委的申請代碼是學科布局和知識體系頂層設計的重要內容之一，其核心目標是要能更好地指導科研人員更為便捷、準確地選擇研究領域。
(2) 學科代碼必須緊扣學科的內涵和外延，不僅要能體現自然科學知識體系的創新性、前瞻性和融通過程，同時也要能向科學界釋放基金委和學部資助戰略的導向性信號及頂層設計的精神。
(3) 學科代碼調整從“分支學科”入手，貫徹基金委“二級學科代碼數不增加、不設置三級學科代碼”的精神，以分支學科為主來構建二級學科代碼，化繁為簡，既注重學科傳承，又凸顯學科拓展與創新，把握當前學科主流及國家戰略性新興方向的拓展需求。
(4) 學科代碼框架設計要清晰，申請代碼在表述上要具有高度概括性和嚴謹性，其內容的體系性和結構性較原版代碼均要顯著提高。
遵循上述調整原則，筆者提出了地學四組大地測量學方向代碼調整方案，即取消三級學科代碼，在大地測量學方向下設置3個二級學科代碼。如表 1所示。
表 1 基金委地學四組大地測量學方向學科代碼調整方案
Tab. 1 Adjustment scheme for sub-disciplines of geodetic subject in group 4 of NSFC-Geosciences
表選項
需要說明的是，盡管地震大地測量已經引起大地測量與地震學者的關注，但是獨立成大地測量二級學科條件尚不成熟；此外，相對獨立的海洋大地測量，盡管屬于新的學科增長點，而且測量 *** 、環境要素影響，甚至測量原理都與陸地大地測量不同，可以增設成二級學科代碼，但是，考慮到學科代碼受限，而且海洋大地測量從業人員相對較少，暫時也可以不增設成新的二級學科。
5 結束語
大地測量學是地球科學的基礎學科且發展迅速的學科。由于空間大地測量觀測系統發展迅速，傳統測定地球形狀和重力場為主的大地測量任務逐漸演化成地球形狀與重力場的變化監測，促進了動力大地測量學的發展；由于觀測傳感器的進步，如水下聲吶、衛星激光、衛星雷達等傳感器的發展，海洋重力場、海洋大地測量基準、水下導航等逐漸成為熱點研究主題，促進了海洋大地測量學科的實質性進展；新的觀測手段不僅自身觀測精度得到顯著提升，而且這些新的高精度觀測對觀測環境的敏感度也在上升，進而使得利用現代大地測量觀測反演空間環境要素、海洋環境要素、地球內部物質遷移等成為可能，促進了大地測量學與地球科學的空間物理學、物理海洋學、地球物理學的交叉發展；智慧地球、智慧城市需求以及泛在測繪手段的進步，以城市大地測量、礦山大地測量、精密工程測量、山體滑坡監測等為代表的應用大地測量學得到長足的發展，科學內涵不斷豐富，研究成果不斷豐富，逐漸成為大地測量學者關注的重要領域[75-76]。
盡管學科內外部的交叉融合發展，但是不能將所有的新興研究熱點和學科方向都分別列為國家自然科學基金委的大地測量分支學科。于是，將大地測量整體學科分成衛星大地測量學、物理大地測量學和應用大地測量學，基本能夠包容現有大地測量學科領域，也能適應近期大地測量發展方向。
致謝
在本報告的撰寫過程中，邊少鋒、張勤、李廣云、沈云中、朱建軍、袁運斌、程鵬飛、黨亞民、許才軍、姜衛平、史俊波等人提供了寶貴的意見。
作者簡介
之一作者簡介：姚宜斌(1976―)，男，博士，教授，研究方向為GNSS近地空間環境學。E-mail:ybyao@whu.edu.cn
通信作者：楊元喜, E-mail : yuanxi_yang@163.com
