0.2 测量工作的基准面和基准线

0.2.1 地球的形状和大小

人们对地球的形状有一个漫长的认识过程。古代人类由于受到生产力水平的限制，视野比较狭窄，所以认为天是圆的地是方的，即所谓的“天圆地方”。

公元前古希腊有人提出地球是一个圆球。1522年，麦哲伦及其伙伴完成绕地球一周以后，才确立了地球为球体的认识。17世纪末，牛顿研究了地区自转对地球形态的影响，从理论上推测地球不是一个很圆的球形，而是一个赤道处略为隆起，两极略为扁平的椭球体。

测量工作是在地球表面进行的，然而这个表面是起伏不平的，有2万m的高度悬殊。其中我国西藏与尼泊尔交界处的珠穆朗玛峰高达8844.43m，而在太平洋西部的马里亚纳海沟深达11022m。尽管有这样大的高度差，但相对于庞大的球体来说仍可以忽略不计。

0.2.2 基准面和基准线

人们经过长期的考察和测量，了解到地球的71%被海洋所覆盖，因此人们把地球总的形状看成是被海水包围的球体。因此可以把球面设想成一个静止的海水面向陆地延伸而形成的一个封闭的曲面。这个处于静止状态的海水面称为水准面，它所包围的形体称为大地体。由于海水有潮汐，所以取其平均的海水面作为地球的形状和大小的标准。在测量上把这个平均海水面称为大地水准面，即测量工作的基准面，测量工作就是在这个面上进行的，如图0.2.1所示。

静止的水准面要受到重力的作用，所以水准面的特性就是处处与铅垂线正交。由于地球内部不同密度物质的分布不均匀，铅垂线的方向是不规则的，因此，大地水准面也是不规则的曲面。测量工作获得铅垂线方向通常是用悬挂垂球的方法，而这个垂线方向即测量工作的基准线。大地水准面是个不规则的曲面，在这个面上是不便于建立坐标系和进行计算的，所以要寻求一个规则的曲面来代替大地水准面。经过长期的测量实践证明，大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分相似，而旋转椭球可以用公式来表达。这个旋转椭球可作为地球的参考形状和大小，故称为地球椭球体，如图0.2.2所示。

图0.2.1 地球自然表面与大地水准面

图0.2.2 地球椭球体

我国目前所采用的参考椭球体为1980年国家大地测量坐标系，其坐标原点在陕西省泾阳县永乐镇，称为国家大地原点。其基本元素是：长半轴a=6378140m，短半轴b=6356755m，扁率c=（a-b）/a=1/298.257。

几个世纪以来，许多学者分别测算出了许多椭球体元素值，表0.2.1列出了几个著名的椭球体。我国的1954年北京坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球，1980国家大地坐标系采用的是1975国际椭球，而全球定位系统（GPS）采用的是WGS-84椭球。

由于参考椭球的扁率很小，在小区域的普通测量中可将地（椭）球看作圆球，其半径R=6371km。

表0.2.1 部分椭球体的参数