大地水准面与大地体的测量基础与实训

经过长期的测量与研究，人们已经了解到地球上最高处为珠穆朗玛峰，中国于2005年测得其海拔高为8 844.43 m；地球上最低处在太平洋西部的马里亚纳海沟，深为11 034 m。地球上这样的高低起伏，同地球的平均半径6 371 km相比，是非常微不足道的。另外，地球上海洋面积约占整个表面积的71%，而陆地仅占29%。因此，可以设想用静止的海水面延伸并穿过陆地表面，形成一个闭合曲面来代替地球的自然表面。

我们知道，地球表面上的任何物体主要受到两种力的作用，一种是地球的万有引力F，另一种是地球自转的离心力F1。这两种力的合力称为重力G，重力作用的方向线便是铅垂线，简称垂线（见图2-1）。铅垂线是测量学中的一条很重要的基准线。测量经纬仪的对中整平，就是为了在操作仪器的过程中，使仪器中心始终与地面控制点在同一条铅垂线上。很明显，在地球上由静止水面形成的曲面有一个特点，就是过曲面上任何一点所作的铅垂线，均在该点与曲面正交。通常，我们称这个静止水面为水准面。根据这一定义，我们随便在某一时刻、某一地点以及该地点的某一高度位置摆上一盆水，这就形成了一个此时、此地、此高度位置的水准面（或叫作这个水准面的一部分）。所以说，地球上水准面的个数是无穷无尽的（水准面随时间、地点与高度位置发生变化）。而我们定义通过平均海水面的水准面为大地水准面；大地水准面包围的曲面形体称为大地体。

值得注意的是，上述的平均海水面，也并不是指整个地球上的平均海水面，整个地球的平均海水面我们是无从知晓、无从获得的，我们往往只在某一确定的地点测定该点的平均海水面，例如我国把在青岛测定的黄海平均海水面作为我国的大地水准面，并以此作为全国的高程基准面。(www.xing528.com)

地球上静止的水面称为水准面。水准面是受地球表面重力场影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，因此它是一个重力场的等位曲面，即物体沿该曲面运动时，重力不会做功，而水在这个曲面上也不会流动。

然而，既然水准面是重力场的等位曲面，其形态必然受重力场分布的控制。重力场分布既受地球内部物质密度场分布（万有引力）及地球自转（离心力）的影响，还受地球以外因素的影响（主要是月球和太阳的引力作用）。由于受月球和太阳的影响，海洋水准面会发生周期性变化，潮汐便是其显著的体现。这样就使得地面上各点受到的重力的大小与方向均不相同，由此引起各点的铅垂线方向产生不规则的变化，从而使大地水准面成为一个有微小起伏不平的不规则曲面（见图2-1）。也就是说，大地水准面虽具有实质性的物理意义，是一个物理曲面，却不是一个数学曲面，无法用一个明确的数学公式来表达。以此推之，由大地水准面包围的大地体也是一个极不规则的曲面形体。