铅垂线(英語:Plumb line),又称垂线或力线[1]:29,在大地测量学中指重力作用的方向线[2]:142[3]:8。铅垂线与与重力矢量的方向处处相切,该方向又被称为铅垂方向,有时也直接以铅垂线代称。[4]:48-50在重力场中,铅垂线通常是曲线而非直线,彼此互不平行,与其经过的重力等位面正交。[4]:50铅垂线与参考椭球面的法线之间的方向偏差被称为垂线偏差。[4]:83
曲率
由于在重力场中,除轴线外,同一直线上各点的重力矢量方向通常各不相同。因此,铅垂线通常是一条具有曲率的曲线。通过计算铅垂线的曲率,可以将地形表面上进行的天文测量数据归算到大地水准面上。[4]:53铅垂线在某点处的曲率 可以通过该点处的重力矢量的大小 及其一阶微分 、 得到:[4]:54
推导过程
设铅垂线的线元矢量为 ,重力矢量为 ,两者间仅相差一个比例因子:[4]:53
根据微分几何中曲率的计算公式,铅垂线投影在 平面上的曲率 为
取沿向上的铅垂方向为 轴正向,建立局部坐标框架。此时重力位 在 平面的微分为零,即
将上式代入曲率 的计算公式,得:
其中,重力位沿 轴方向的微分 . 其中 为重力矢量的大小,即 . 则重力位的微分可替换为重力矢量大小的微分:[4]:54
同理可证,铅垂线投影在 平面上的曲率 为
由于铅垂线与 轴在上述定义的局部坐标框架中相切,即铅垂线投影在 平面上的曲率为零,再由总曲率的计算公式可以得到:[4]:54
参考文献
- ^ 孔祥元; 郭际明; 刘宗泉. 大地测量学基础. 武汉大学出版社. 2001. ISBN 978-7-30-707562-7.
- ^ Lu, Zhiping; Qu, Yunying; Qiao, Shubo. Geodesy: Introduction to Geodetic Datum and Geodetic Systems. Springer. 2014-05-23 [2020-04-05]. ISBN 978-3-642-41245-5. (原始内容存档于2020-06-12) (英语).
- ^ 3.0 3.1 现代普通测量学. 清华大学出版社有限公司. 2001: 8 [2020-04-05]. ISBN 978-7-302-04717-9. (原始内容存档于2020-06-12) (中文).
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- ^ 潘正风; 程效军; 成枢; 王腾军; 翟翊. 数字地形测量学. 武汉大学出版社. 2015-07-01. ISBN 978-7-307-15677-7.