第二節　測量工作的基準面和基準線

在鐵路測量工作中，無論測圖、放樣還是監測，其實質都是測定地面點的空間位置，都是在地球表面上是進行的，所以在學習確定地面點位置的方法之前，應先了解地球的自然表面和測量工作的基準。

一、地球自然表面及水準面

地球的自然表面是極其復雜、不規則的，有高山、峽谷、平原、河流、海洋等。地球上的第一高峰珠穆朗瑪峰高達8844.43m，而位于太平洋西部的馬里亞納海溝深達11022m，雖然起伏如此之大，但與平均半徑約為6371km的地球相比還是微不足道的。由于地球表面上海水面積約占71％，陸地面積約占29％，所以測量中我們可以把地球的形狀看作是一個被海水包圍的形體。并假想將自由靜止的海水面向整個陸地內部延伸，包圍整個地球，形成一個封閉的曲面，這個曲面稱為水準面，如圖1-1所示。

二、鉛垂線和大地水準面

由于地球的自轉運動，地球上任意一點都要受到離心力和地球引力的雙重作用，這兩個力的合力稱為重力，如圖1-2（a）所示。用細繩系一垂球，細繩在垂球重力的作用下形成的下垂線稱為鉛垂線，鉛垂線的方向即為重力方向，如圖1-2（b）所示。

鉛垂線是測量工作的基準線。

水準面上任意一點的鉛垂線垂直于該點的曲面。水準面可以位于不同高度，因而水準面有無數個。由于潮汐波浪的關系，完全處于自由靜止的海水面難以求得，為此，人們在海岸邊設立驗潮站，用驗潮站測得的平均海水面來代替靜止海水面。

平均海水面稱為大地水準面，大地水準面是水準面中的一個特殊水準面，它所包圍的形體稱為大地體，大地體可以近似地代表地球的形狀，如圖1-2（c）所示。

大地水準面是測量工作的基準面。

三、參考橢球體

由于地球內部質量分布不均勻，地球表面起伏不平，所以大地水準面各處鉛垂線的方向是不規則的，致使大地水準面成為一個有微小起伏的、不規則的、很難用數學方程表示的復雜曲面。如果將地球表面上的物體投影到這個復雜的曲面上，計算起來非常困難。為了正確地計算測量成果，測量中選擇一個與大地水準面非常接近的、能用數學方程表示的規則幾何形體來代表地球的形體，如圖1-3（a）所示。這個幾何形體是由橢圓NESW繞其短軸NS旋轉而成的旋轉橢球體，如圖1-3（b）所示。旋轉橢球體又稱參考橢球體，其表面稱參考橢球面。

決定參考橢球面形狀和大小的元素是橢圓的長半軸a、短半軸b。此外，根據a和b還定義了參考橢球體的扁率f。

我國目前采用的參考橢球體的參數值為：a=6378140m，b=6356752m。

f=（a-b）/a=1/298.257　　（1-1）

我國采用過的兩個參考橢球參數值以及GPS測量使用的參考橢球參數值列于表1-1。

由于參考橢球的扁率很小，當測區范圍不大時，在普通測量中可以將地球近似地看作圓球體，其半徑R=（a+a+b）/3≈6371km。