地球形状与尺寸的探秘

建筑测量工作是在地球表面上进行的，其基本任务是地面点位置的确定。点是地球表面上形成地物和地貌最基本的单元，合理地选择一些地面点，对其进行测量，就能将地物和地貌准确地表现出来，因此，在测量工作中最基本的工作就是地面点位的确定。

为了确定地面点位，就需要相应的基准面和基准线作为依据，测量工作是在地球表面进行的，则测量工作的基准面和基准线就与地球的形状及大小有关。

地球的自然表面是很不规则的，其上有高山、深谷、丘陵、平原、江湖和海洋等，最高的珠峰高出海平面8844m，最深的太平洋马里亚纳海沟低于海平面11022m，其相对高差约20km，与地球的平均半径6371km 相比，是微不足道的，就整个地球表面而言，陆地面积仅占29%，而海洋面积占了71%。因此，可以设想地球的整体形状是被海水所包围的球体，即设想将静止的海水向整个陆地延伸，用所形成的封闭曲面来代替地球表面，如图1-1所示，此封闭曲面称为大地水准面。通常用大地体代表地球的真实形状和大小。研究地球形状和大小，就是研究大地水准面的形状和大地体的大小。

水准面的特性是处处与铅垂线相垂直。水准面和铅垂线就是实际测量工作所依据的基准面和基准线。

因为地球内部质量分布不均匀，致使地面上各点的铅垂线方向产生不规则变化，所以，大地水准面是一个不规则的无法用数学式表述的曲面，在这样的面上是无法进行测量数据的计算及处理的。因此，人们进一步设想，用一个与大地体非常接近的又能用数学式表述的规则球体，即旋转椭球体代表地球的形状，如图1-2所示。它是由椭圆NESW 绕短轴NS旋转而成的。旋转椭球体的形状和大小由椭球基本元素确定，即椭圆的长半轴a、短半轴b 及扁率α，其关系式为

图1-1　地球自然表面

图1-2　旋转椭球体

某一国家或地区为处理测量成果而采用与大地体的形状、大小最接近，又适合本国或本地区要求的旋转椭球体，这样的椭球体称为参考椭球体。确定参考椭球体与大地体之间的相对位置关系，称为椭球体定位。参考椭球体面只具有几何意义而无物理意义，它是严格意义上的测量计算基准面。(www.xing528.com)

1954年北京坐标系（P54）采用的是克拉索夫斯基椭球，1980国家大地坐标系（C80）采用的是1975国际椭球，而全球定位系统（GPS）采用的是WGS-84椭球。我国2008年7月1日启用的地心坐标系——2000国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System2000，英文缩写为CGCS2000，其地球椭球体的参数值：a=6378137 m，b=6356752.31414 m，α=1∶298.257222101。

由于参考椭球的扁率很小，故在小区域的普通测量中可以将地（椭）球看作圆球，其半径R=（a＋a＋b）/3=6371km。当测区范围更小时，还可以将地球看作是平面，使计算工作更为简单。

（1）水准面和水平面。人们设想以一个静止不动的海水面延伸穿越陆地，形成一个闭合的曲面包围了整个地球，这个闭合曲面称为水准面。水准面的特点是水准面上任意一点的铅垂线都垂直于该点的曲面。与水准面相切的平面称为水平面。

（2）大地水准面。水准面有无数个，其中与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面。其是测量工作的基准面。由大地水准面所包围的形体称为大地体。

（3）铅垂线。重力的方向线称为铅垂线。其是测量工作的基准线。在测量工作中，取得铅垂线的方法如图1-3所示。

图1-3　铅垂线（地球重力线）

提　示

大地水准面、水平面、铅垂线是外业测量工作的基准面和基准线。

测量工作的坐标系建立在参考椭球面上，参考椭球面是测量内业计算工作的基准面。在建筑施工场地区域不太大的范围内，以参考椭球面与以大地水准面为基准面建立的坐标系，其对水平距离及水平角度的影响小到可以忽略不计。另外，测绘仪器很容易得到大地水准面的铅垂线，所以，将铅垂线作为测量工作的基准线（以其作为安置的依据），进而将大地水准面（或水平面）作为测量工作的基准面。