每日一词20190308——大地水准面（geoid）

​说大地水准面（geoid）之前，首先要来说一下水准面的概念。

 

水准面是指静止的水面，当液体处于静止状态时，其表面各处必定与重力方向正交，否则液体就要流动。这个液体静止的表面就成为水准面。它是受地球表面重力场影响而形成的、特别的、一个处处与重力方向垂直的连续曲面，也是一个重力场的等位面。通过不同高度的点都有一个水准面，所以水准面有无穷多个。

设想一个静止的海水面扩展到陆地部分，将静止的海水面延伸到大陆下面，且保持其各处表面与铅垂线正交，形成包围整个地球的封闭水准面，就是大地水准面。因地球表面起伏不平和地球内部质量分布不匀，故大地水准面是一个略有起伏的不规则曲面。大地水准面是唯一的。该面包围的形体近似于一个旋转椭球，称为“大地体”，常用来表示地球的物理形状。

 

大地水准面

 

大地水准面高程

 

大地水准面和参考椭球

用大地体表示地球形状是恰当的，但是由于地球内部质量分布不均匀，引起重力方向的不规则变化，导致大地水准面成为一个复杂的曲面，无法在它上面建立坐标系统来处理测量数据。测量和制图上采用了一个非常接近大地体的旋转椭球作为地球的参考形状，称为地球椭球体(在昨天的每日一词里有介绍)。实际工作中，通常以参考椭球面作为投影计算的基准面。

 

在地球表面选择一点P，假设椭球体和大地体相切，切点P'位于P点的铅垂线方向上，这时椭球面上P'的法线与该点对大地水准面的铅垂线相重合，并使椭球的短轴与地球自转轴平行。这个椭球体就是参考椭球体，P点为大地原点。

 

大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面，也是海拔高程系统的起算面，是大地测量基准之一。确定大地水准面是国家基础测绘中的一项重要工程。它将几何大地测量与物理大地测量科学地结合起来，使人们在确定空间几何位置的同时，还能获得海拔高度和地球引力场关系等重要信息。大地水准面的形状反映了地球内部物质结构、密度和分布等信息，对海洋学、地震学、地球物理学、地质勘探、石油勘探等相关地球科学领域研究和应用具有重要作用。

 

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