《物理大地测量学》章传银2026科学出版社

       内容提要：物理大地测量学是研究和测定地球形状及外部重力场，研究地球参考系与高程基准的重力场理论，研究利用重力场原理支撑几何物理大地测量协同和解决大地测量学科问题的理论大地测量学，也是一门监测地球系统物质迁移及重力场变化的计量科学。本书系统介绍地球外部重力场理论及其大地测量方法，发展地球参考系和高程基准的重力场理论，阐述地球重力场空间相对论大地测量基本原理和完备算法，进而结合自主研发的地球物理大地测量科学计算平台（PAGravf4.5和ETideLoad4.5），详细讲解地球外部全要素重力场量的地形影响、潮汐效应与负荷形变效应原理算法，多种观测数据重力场逼近与时变监测理论方法，以及局部重力场全要素建模和时变监测方案，介绍统一于地固参考系的垂直基准实现原则与技术措施。

本书以地球重力场理论为核心，以“客观唯一性、精密可测性、时空统一性”为哲学基础，将物理大地测量学从大地测量学科的配套分支，拓展为兼具地球形状、基准理论、大地测量协同、地球系统解析与物质迁移监测功能的精密测地科学，打破重力场、参考系、高程基准、相对论分立现状，构建“四位一体”大地测量学科理论体系，引导大地测量教育加强培养“问题驱动”的系统思维与创新能力。

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  一、学科理念与范式革新

学术思想：以地球重力场理论为核心，以“客观唯一性、精密可测性、时空统一性”为哲学基础，其关键学术理念是，将地球参考系、高程基准与地球空间相对论统一于地球重力场这一客观物理基础之上，从而对物理大地测量学的学科定义、理论方法和应用实践进行系统梳理与重构，全面阐述如何精简强化地球重力场理论，如何改造升级地球参考系与高程基准的重力场理论，如何将相对论大地测量工程化，如何完善多源异质数据重力场逼近方法，如何实现形变地球一体化大地测量参考系统，以重塑现代大地测量学科理论体系，推进大地测量学向“地球系统解析”的范式跃迁，引导大地测量教育由“技术导向”的知识传授，转向培养“问题驱动”的系统思维与创新能力。

1.1 学科定位的革命性升级

传统物理大地测量学，是大地测量学科的一个分支，其主要任务是利用重力测量等手段，研究测定地球的形状、大小及其外部重力场，为测绘提供高程基准，为导航和勘探提供重力场信息。本书将物理大地测量学升级为：研究和测定地球形状及外部重力场，研究地球参考系与高程基准的重力场理论，研究利用重力场原理支撑几何物理大地测量协同和解决大地测量学科问题的理论大地测量学，也是一门监测地球系统物质迁移及重力场变化的计量科学。这一定义蕴含着三重革命性含义：

第一，“理论大地测量学”的强势回归。通过地球重力场、地固参考系、高程基准与地球空间相对论的内在统一，重塑整个大地测量学科的底层逻辑和理论体系，从而科学支撑现代大地测量学的可持续发展。

第二，确立了“计量科学”的哲学核心。这意味着所有大地测量概念、观测量和参数，都必须像物理学中的基本标准一样，具有严格的客观唯一性、精密可测性和时空统一性，摒弃任何模糊的、依赖假设的成分。

第三，拓展了“地球系统解析”功能。这门学科能通过监测重力场的精细时空变化，探究地球形变、内部结构、物质迁移与内外动力学过程，从而直接服务于地球系统演变、全球变化监测、地球环境灾害等重大科学问题。

1.2 重塑大地测量学科的理论根基

传统大地测量学中，地球重力场、地球参考系、高程基准与地球空间相对论长期相对独立发展。受限于地球物理协议和外部约定假设，地球参考系（如ITRS）存在“协议性”与“多解性”根本缺陷；高程基准则由于地壳密度假设和地形归算的不确定性，导致Helmert正高和大地水准面不满足唯一性与可测性要求；而相对论效应主要局限于高精度大地测量的高阶修正，缺乏一套能够适应地球重力场空间的工程化算法体系。

地球重力场是承载地球参考系、高程基准和地球空间相对论的天然、唯一的客观物理实体。本书致力于将后三者科学统一于地球重力场这一共同、自然、客观的物理基础之上，打造出逻辑自洽、解析相容、物理意义明确的“四位一体”大地测量学理论基石，进而通过充实多源异质数据融合与多种异构技术协同的理论基础，创新形变地球一体化大地测量参考系统，重塑现代大地测量学科的理论体系，更夯实大地测量学的底层逻辑和科学理念，为未来大地测量学的健康可持续发展提供坚实的科学支撑。

1.3 学科体系升级的三大哲学原则

为支撑学科定位的革命性升级，本书确立了三大根本性原则。

第一个原则是客观唯一性原则。任何大地测量要素（如重力、坐标、高程等）必须是客观存在的，在给定条件下具有唯一确定值。它不能因采用的计算方法或引用的模型标准不同，出现多个不同解。这一理所当然的原则，却直指传统理论中多个“软肋”，例如，Helmert正高依赖未知地壳密度假设，“真实大地水准面”随地形质量调整方式不同而变化，它们都不满足唯一性原则，因此需要重新审视。

第二个原则是精密可测性原则。它要求任何大地测量要素，都必须能通过某种观测或计算手段，以一定的精度被测定出来，且精度可评估。这要求，理论不能停留于抽象的物理概念或纯粹的数学推导，而必须能够落地，可验证。

第三个原则是时空统一性原则。在形变地球背景下，所有的大地测量要素的时空变化，无论是几何的（坐标、高程）还是物理的（重力位、重力）变化，只是地球系统演变的不同表现形式，它们一定是时空联动的，相互之间关系是协调一致的。这一原则直接催生了本书提出的“形变地球一体化大地测量参考系统”新概念。

这三大原则共同构成了一个严谨的评判体系。所有传统的概念、方法和要素都需经过这三重标准的检验，符合者得以承袭和发展，不符者则被果断修正或淡化。这种思想上深刻“净化”，赋予了现代大地测量学的计量学灵魂，使其转变为逻辑自洽的精密测地科学。

1.4 学科理念与学科体系的改造升级

构建统一自洽的理论根基：系统构建并严密证明了地球重力场、地固参考系与高程基准三者之间内在的解析理论关系，打破长期以来几何大地测量与物理大地测量相对独立发展的局面，实现整个大地测量学科的内在统一，为其打造了严密坚实的理论根基。

优化底层逻辑与认知范式：以三大根本原则为利器，对传统理论中因历史观测或技术条件局限而引入的冗余假设、近似概念和复杂化处理进行了大胆的梳理、批判与扬弃。其目标是“降低不必要的复杂性”，使学科回归到对重力场自身的可测性和数学物理本质的关注上来。

推动学科深远的战略转型：这意味着大地测量学不再仅仅是获取位置、高程和重力数据的服务性学科，而是上升为理解地球系统演变过程、固体地球形变效应、全球水循环与物质迁移、地球内外动力学等重大科学问题的核心解析与计量科学。

学科知识体系的完善升级：通过优化大地测量学科的底层逻辑与科学理念，丰富多源异质数据融合与多种异构技术协同的理论基础，进而从基础理论到现代方法，从公式推导到科学计算，从全球逼近到局部精化，从稳态场全要素解析建模，到时变场多要素协同监测，从多种数据统一处理原则，到算法性能质量控制策略，推进物理大地测量学科体系的全面升级，使其成为地球系统演变、全球变化监测、测绘基准现代化与北斗GNSS深度应用的核心科学支撑。

   二、核心理论的范式突破与颠覆性创新

本书在多个基础理论领域实现了范式级突破，这些创新并非只是对传统理论方法的修修补补，而是对学科底层逻辑与认知范式的重构与升华。

2.1 地球参考系理论：从“协议约定”到“重力场决定”

传统困境：传统国际地球参考系（ITRS），严重依赖诸多外部“协议”和“约定”。例如，ITRS定向的时间演化被赋予“地壳无净旋转”条件，这是一种无法验证的人为协议；IERS参考极（轴向）被约定在1900-1905年的平均自转极附近，这仅考虑历史连续性。ITRS没有与地球本体的物理本质（如质量分布、转动惯量、地球重力场）建立直接、严密的科学联系，因而存在“协议性”和“多解性”根本问题。

原创性突破：彻底摒弃地球物理协议、地球自转运动和外部约定，建立重力场决定的参考系定位定向理论。严密推导并证明：重力位的一阶项唯一确定了地球质心在地固系中的位置；二阶一次项唯一确定了形状极位置（极惯性轴方向）。这样，参考系的原点和z轴就能直接、唯一地从可观测的重力场中测定，从而实现了一个不依赖任何外部协议，与地球自转运动无关，完全由大地测量学自身理论定义、科学自洽的地固参考系。

革命性意义：这一理论的重大学术贡献在于，它为地固参考系的定义提供了基于重力场物理规律的、可直接测量的、唯一的最终理论基础。首先，从哲学上根除了地球参考系“协议性”和“多解性”的百年难题。彻底摒弃了任何地球物理协议假设，与地球自转运动无关，完全由可观测的地球重力场，实现了一个科学自洽的、满足第一性原则的“自然”力学参考系。其次，它明确了地球的形状轴（惯性主轴）与重力位系数的直接关联，既能推动地球时空框架的重塑，也为几何、物理大地测量协同，提供了客观物理自然的理论依据。

2.2 高程基准理论：厘清百年混淆，夯实现代高程基准

传统困局：本书指出传统高程基准理论有三个核心“短板”，它们都因不满足“唯一性与可测性”原则而遭到质疑。

• 缺陷一：经典Helmert正高。其定义依赖于地面点到大地水准面之间地壳的平均密度假设。然而，由于地壳密度未知且空间分布不均匀，直接导致Helmert正高在厘米精度上“不唯一”。

• 缺陷二：所谓的“真实大地水准面”。通过某种方式，将地形质量调整到大地水准面内部，从而得到一个被修改的等位面。但其致命缺陷在于，这个所谓“真实大地水准面”严重依赖地形质量调整方式，不同调整方法会得到不同的结果，差异可达分米级。因此，“真实大地水准面”不具备唯一性和可测性。

• 缺陷三：“似大地水准面”。通过确定地面上的高程异常，间接获得。由于实际测点相对地面的高度具有随机不确定性，用于表达地面的数字高程模型还存在多样性，似大地水准面因此难以唯一表达。

理论革新方案：为解决上述缺陷，本书构建了一个简洁、严密、科学的新体系。首先，从根本上厘清高程基准的几何和物理属性。书中明确，大地水准面重力位W_G是真正唯一不变、无历元无误差概念的高程起算基准常量。大地水准面是“几何量”，只是这个物理基准常量Wɢ在形变地球的几何实现。大地水准面会因地球形变而随时间变化，但其背后的物理基准–重力位Wɢ–永远不变。

解析大地水准面：是通过外部重力场解析延拓定义的等位面，解析正高是其对应的几何高程。这样的解析大地水准面和解析正高，完全由可测的外部重力场决定，从而确保它们的唯一性和可测性。

这些理念创新，使GNSS代替水准具备坚实的理论基础，也为未来统一全球高程基准提供清晰的科学路径。

2.3 相对论大地测量：从抽象概念理论到工程化算法

本书贡献：系统地将广义相对论的后牛顿理论工程化地融入地球重力场空间中。完整给出了地心天球参考系的2PN时空度规，推导了适用于地球环境的原时钟秒长收缩、地球坐标时实现、与之协调的米长膨胀以及重力位差相对论测量公式，实现了相对论大地测量从理论到算法的跨越。

理论与实践的双重价值：理论上，完成了相对论效应与大地测量理论的统一，使时空尺度的定义与实现有了更深层的物理学依据。实践上，为高精度的时间比对、空间测距提供严密的相对论算法，更是为未来光学原子钟直接、远程测定高差，实现前所未有的时空统一精密测量，奠定了完备的理论与算法基础。

2.4 全要素效应处理：创立统一、解析相容的集成框架

传统问题：地形改正、潮汐改正、负荷改正等往往在不同教材、不同软件中孤立处理，算法标准不一，适用性有限，无法适应空天地海全要素大地测量处理的需求。

本书创新：创立适用于所有几何物理大地测量要素（位置、高程、重力、梯度、垂线偏差等）的统一效应处理范式。系统集成了地形影响、固体潮、海洋负荷、大气负荷以及非潮汐负荷形变效应，并特别强调所有算法必须满足解析相容性。

这是多源几何物理大地测量数据深度融合与多种异构大地测量技术协同的基础条件和最低要求。

2.5 重力场逼近方法论：空天地海大数据时代的协同反演

传统局限：经典重力场边值问题积分理论，一般基于单一类型数据（如地面重力）和单一边界面（如大地水准面），难以有效融合卫星重力、卫星测高、GNSS水准、重力梯度、垂线偏差等空天地海多源异质重力场观测数据。

本书发展：解析空域边值问题积分与谱域位系数表示之间的理论关系，发展球面径向基函数逼近方法，创建多源异构观测系统协同逼近理论，以灵活高效地融合极端分布的多源异质数据，通过观测系统分组、法方程规范化与系统权优化，实现对全球重力场反演和局部重力场精化的最强数据融合能力，以极大化地球重力场的直接观测潜力。

2.6 形变地球一体化参考系统：未来测绘基准的科学蓝图

传统视角：坐标基准、高程基准、重力基准通常分开建立和维护，在形变地球下的动态一致性和统一性缺乏科学严密的系统级定义。

本书前瞻：明确定义了以时刻形变着的地球为参考体的形变地球一体化大地测量参考系统。其核心是由地球重力场本质属性决定的九个相互独立、唯一不变的基准常量：平地球质心、平形状极、经度零点、全球大地位W₀、地心引力常数GM和平均地球自转角速度ω。进而按照四位一体大地测量理论体系和时空统一性要求，系统阐述了全球和区域大地测量参考框架（融合坐标、高程、重力、深度）的构建、实现、维持与更新的全套技术方案，为应对全球变化监测时代对现代化测绘基准的需求绘制了科学蓝图。

2.7 精简理论与改进认知：批判性继承与战略性简化传统

本书并非全盘否定传统，而是以三大根本原则为判据，进行“奥卡姆剃刀”式的精简。

例如，通过严格区分地固坐标系与当地坐标系，论证了传统地球重力场逼近理论中的“球近似”误差可以完全避免，既澄清了传统认识误区，又可避免引入椭球大地测量学而带来不必要的数学复杂性；通过引入解析大地水准面，论证了Stokes边值理论足以解决外部重力场逼近问题，从而全面淡化了Molodensky边值理论及其带来的复杂概念体系（似地形面、似大地水准面等）。

科学目的：“降低不必要的复杂性”，让学科回归到对地球重力场自身的可测性和数学物理本质的关注上来，促使物理大地测量学理论体系变得更为简洁、强壮、科学。

   三、自主科研平台支撑：从理论到实践的完整闭环

本书结合作者历时二十年自主研发的“地球物理大地测量科学计算平台”，形成“原创理论-严密算法-自主软件-验证应用”完整创新闭环：

高精度重力场逼近与大地水准面计算系统（PAGravf4.5）：是本理论体系的“重力场引擎”。它实现了全空间、全要素重力场量的地形影响统一计算，具备融合多源异构数据实现稳态大地水准面精化和全要素重力场解析建模的能力。

地球潮汐负荷效应与形变监测计算系统（ETideLoad4.5）：是本理论体系的“形变效应处理器”。它统一计算固体潮、海潮、大气潮及非潮汐负荷引起的形变与重力变化，支持利用GRACE、GNSS、重力、水准、InSAR等协同监测陆地水与地球形变。

这两个科学计算系统使得本书的内容极具实践性，读者可依此将抽象理论转化为解决实际科学与工程问题的能力。

   四、本书总结与推荐对象

本书既是对地球重力场科学历史的全面深刻总结，更是一次面向未来的、勇敢的范式重构。作者试图拨开传统理论中迷雾，重塑学科基石，并为其打开通往“地球系统解析”广阔天地的大门，展现物理大地测量学的理论之美和无尽潜能。

推荐对象：

（1）大地测量学、测绘科学与技术、地球物理学、时空信息、空间科学、地球动力学领域的研究人员与专家学者、高校教师、研究生和高年级本科生。

（2）从事测绘工程、卫星导航、对地观测、地质勘探、地球环境灾害、国防测绘等行业的工程技术专家与管理者。

对于致力于探索地球形状之谜、重力场之秘、时空基准之本，以及渴望理解我们星球如何演变的科学家、工程师和学子而言，本书不仅是知识的载体，更是激发创新思维的灵感源泉。它的出版，有利于推进这门古老而又年轻的学科，进入一个充满生机活力、创造力与无限可能的新时代。