0.2 測量工作的基準面和基準線

0.2.1 地球的形狀和大小

人們對地球的形狀有一個漫長的認識過程。古代人類由于受到生產力水平的限制，視野比較狹窄，所以認為天是圓的地是方的，即所謂的“天圓地方”。

公元前古希臘有人提出地球是一個圓球。1522年，麥哲倫及其伙伴完成繞地球一周以后，才確立了地球為球體的認識。17世紀末，牛頓研究了地區自轉對地球形態的影響，從理論上推測地球不是一個很圓的球形，而是一個赤道處略為隆起，兩極略為扁平的橢球體。

測量工作是在地球表面進行的，然而這個表面是起伏不平的，有2萬m的高度懸殊。其中我國西藏與尼泊爾交界處的珠穆朗瑪峰高達8844.43m，而在太平洋西部的馬里亞納海溝深達11022m。盡管有這樣大的高度差，但相對于龐大的球體來說仍可以忽略不計。

0.2.2 基準面和基準線

人們經過長期的考察和測量，了解到地球的71%被海洋所覆蓋，因此人們把地球總的形狀看成是被海水包圍的球體。因此可以把球面設想成一個靜止的海水面向陸地延伸而形成的一個封閉的曲面。這個處于靜止狀態的海水面稱為水準面，它所包圍的形體稱為大地體。由于海水有潮汐，所以取其平均的海水面作為地球的形狀和大小的標準。在測量上把這個平均海水面稱為大地水準面，即測量工作的基準面，測量工作就是在這個面上進行的，如圖0.2.1所示。

靜止的水準面要受到重力的作用，所以水準面的特性就是處處與鉛垂線正交。由于地球內部不同密度物質的分布不均勻，鉛垂線的方向是不規則的，因此，大地水準面也是不規則的曲面。測量工作獲得鉛垂線方向通常是用懸掛垂球的方法，而這個垂線方向即測量工作的基準線。大地水準面是個不規則的曲面，在這個面上是不便于建立坐標系和進行計算的，所以要尋求一個規則的曲面來代替大地水準面。經過長期的測量實踐證明，大地體與一個以橢圓的短軸為旋轉軸的旋轉橢球的形狀十分相似，而旋轉橢球可以用公式來表達。這個旋轉橢球可作為地球的參考形狀和大小，故稱為地球橢球體，如圖0.2.2所示。

我國目前所采用的參考橢球體為1980年國家大地測量坐標系，其坐標原點在陜西省涇陽縣永樂鎮，稱為國家大地原點。其基本元素是：長半軸a=6378140m，短半軸b=6356755m，扁率c=（a-b）/a=1/298.257。

幾個世紀以來，許多學者分別測算出了許多橢球體元素值，表0.2.1列出了幾個著名的橢球體。我國的1954年北京坐標系采用的是克拉索夫斯基橢球，1980國家大地坐標系采用的是1975國際橢球，而全球定位系統（GPS）采用的是WGS-84橢球。

由于參考橢球的扁率很小，在小區域的普通測量中可將地（橢）球看作圓球，其半徑R=6371km。