[科普中國]-大地水準面

形成

大地水準面是由靜止海水面并向大陸延伸所形成的不規(guī)則的封閉曲面。大地水準面或似大地水準面是獲取地理空間信息的高程基準面1。它是重力等位面，即物體沿該面運動時，重力不做功（如水在這個面上是不會流動的）。大地水準面是描述地球形狀的一個重要物理參考面，也是海拔高程系統(tǒng)的起算面。大地水準面的確定是通過確定它與參考橢球面的間距--大地水準面差距（對于似大地水準面而言，則稱為高程異常）來實現(xiàn)的。大地水準面和海拔高程等參數(shù)和概念在客觀世界中無處不在，在國民經(jīng)濟建設中起著重要的作用。

意義大地水準面是大地測量基準之一，確定大地水準面是國家基礎(chǔ)測繪中的一項重要工程。它將幾何大地測量與物理大地測量科學地結(jié)合起來，使人們在確定空間幾何位置的同時，還能獲得海拔高度和地球引力場關(guān)系等重要信息。大地水準面的形狀反映了地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密度和分布等信息，對海洋學、地震學、地球物理學、地質(zhì)勘探、石油勘探等相關(guān)地球科學領(lǐng)域研究和應用具有重要作用。

隨著大地測量學科的發(fā)展,確定大地水準面的研究已經(jīng)有一個多世紀,特別是近半個世紀來,隨著衛(wèi)星大地測量和相關(guān)地學學科的發(fā)展,這一領(lǐng)域的研究日趨活躍,確定一個高分辨率高精度的全球大地水準面已成為本世紀大地測量學科發(fā)展帶有全局性的戰(zhàn)略目標2。

大地水準面是測繪工作中假想的包圍全球的平靜海洋面，與全球多年平均海水面重合，形狀接近一個旋轉(zhuǎn)橢球體，是地面高程的起算面。

一個假想的、與靜止海水面相重合的重力等位面，以及這個面向大陸底部的延伸面。它是高程測量中正高系統(tǒng)的起算面。

大地水準面同平均地球橢球面或參考橢球面之間的距離（沿著橢球面的法線）都稱為大地水準面差距。前者是絕對的，也是唯一的；后者則是相對的，隨所采用的參考橢球面不同而異。

絕對大地水準面差距 大地水準面到平均地球橢球面間的距離(圖1)。它的數(shù)值最大在 ±100米左右。絕對大地水準面差距可以利用全球重力異常按斯托克斯積分公式進行數(shù)值積分算得（見地球形狀），也可以利用地球重力場模型的位系數(shù)按計算點坐標進行求和算得。原則上可以選取其中任一公式。前者雖然精度較高，但運算復雜；后者由于不能按無窮級數(shù)計算，精度受到限制，但運算方便。因此，在實踐中總是根據(jù)不同的要求，采用其中的一種或綜合兩者優(yōu)點采用一個混合公式計算。

絕對大地水準面差距除了用上述方法確定之外，還可以利用衛(wèi)星測高儀方法確定（見衛(wèi)星大地測量學）。

相對大地水準面差距 大地水準面到某一參考橢球的距離。因為參考橢球的大小、形狀及在地球內(nèi)部的位置不是唯一的，所以相對大地水準面差距具有相對意義。每一點的相對大地水準面差距,可以由大地原點開始,按天文水準或天文重力水準的方法計算出各點之間相對大地水準面差距之差，然后逐段遞推出來。

方法天文水準一種只采用天文大地測量數(shù)據(jù)來計算相對大地水準面差距的方法。由于AB方向上的相對垂線偏差分量θ是表示大地水準面在AB方向上的傾斜（圖2）。顯然，只要相對垂線偏差分量在A、B之間成線性變化，那么將A、B兩點上的相對垂線偏差θ的平均值乘以兩點之間的距離S,就可以求得兩點的大地水準面差距之差。

因為兩點間的相對垂線偏差只有在短距離內(nèi)才呈線性變化，所以天文水準要求有很密的天文點，在山區(qū)更是如此。

天文重力水準一種綜合利用天文大地測量和重力測量數(shù)據(jù)計算相對大地水準面差距的方法。它是在兩已知天文大地點A、B相距較遠(例如幾十公里到百余公里)的情況下，利用此兩點周圍一定區(qū)域內(nèi)的大地水準面上的重力異常數(shù)據(jù)，去改正天文水準中相對垂線偏差不成線性變化的影響。用公式表示為：

，

式中ΔNg是用重力異常計算的重力改正項。這樣在計算相對大地水準面差距之差時，只要很稀疏的天文點就可以進行,因此可以只利用國家大地網(wǎng)中已有的天文點,減少了天文測量的工作量，而代之以一定范圍內(nèi)的重力測量工作。

1937年，M.C.莫洛堅斯基曾提出用橢圓雙曲坐標系模板按點的重力異常計算天文重力水準中的重力改正項ΔNg。1958年，中國大地測量學者方俊提出用直角坐標系按平均重力異常計算這一重力改正項的模板。目前此項工作采用電子計算機進行計算。

從1958年開始，中國沿一等三角鎖布設了天文水準和天文重力水準線路，組成了幾個閉合環(huán)。為了避免誤差積累，將它分為一等（高精度）和二等（低精度）兩個等級。這樣，從中國大地原點開始，沿天文水準和天文重力水準線路遞推到最遠點的高程異常誤差將不超過±3米，以此滿足天文大地網(wǎng)歸算起始邊長的要求。