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空间位置的描述需要在一个特定系统下采用特定方式进行, 这一特定系统被称为坐标参照系( Coordinate Reference System) , 而描述位置的方式则由坐标系( Coordinate System) 决定。

在测量中, 常用的坐标参照系与地球的几何及物理特性密切相关。例如: 地心系要求其原点与地球质心重合, 大地坐标系的定义基于地球参考椭球, 而地面点高程的定义则通常以地球的大地水准面为依据。

地形面、参考椭球面和大地水准面

 

在全球性的测量应用中, 往往会涉及地形面( Topography) 、大地水准面( Geoid) 和参考椭球面( Reference Ellipsoid) 三个面( 见上图) 。

1、地形面

地形面是以上三个面中最为复杂的一个, 它是地球的自然表面, 包含了地球外部的陆地地形和海底地形, 是一个极度不规则的面。

2、大地水准面

大地水准面是一个物理参考面, 是地球一个重力等位面( Gravimetric Equipotential Sur_x0002_face) 。在大洋部分, 大地水准面与去除了潮汐、洋流和气象学因素等非引力影响后的平均海水面( MSL—Mean Sea Level) 一致。但是, 由于陆地质量的影响, 存在着局部的重力异常, 它们将使大地水准面的形状发生扭曲, 这种扭曲在山区尤为显著。

在地球表面上确定点的位置时,大地水准面的作用非常重要。例如, 测量中常用到的正高就是以大地水准面为参考, 而许多测量仪器( 如全站仪仪) 则利用重力来进行定向。虽然现在人们已经能够建立出精确的大地水准面模型, 但此类模型的形式却非常复杂。

下图为地形面、洋面和大地水准面示意图。

 

3、参考椭球面

参考椭球面则是一个几何或数学参考面, 是一个与大地水准面非常接近的旋转椭球面。

以参考椭球面为基础, 可以采用经度、纬度和大地高来描述地球上点的位置。由于全球各地大地水准面的形状差异很大, 因而参考椭球的选择方法也多种多样, 既可以选择与全球大地水准面符合最好的全球性参考椭球, 也可以选择与局部大地水准面符合最好的局部参考椭球。