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空間位置的描述需要在一個特定系統(tǒng)下采用特定方式進行, 這一特定系統(tǒng)被稱為坐標(biāo)參照系( Coordinate Reference System) , 而描述位置的方式則由坐標(biāo)系( Coordinate System) 決定。

在測量中, 常用的坐標(biāo)參照系與地球的幾何及物理特性密切相關(guān)。例如: 地心系要求其原點與地球質(zhì)心重合, 大地坐標(biāo)系的定義基于地球參考橢球, 而地面點高程的定義則通常以地球的大地水準(zhǔn)面為依據(jù)。

地形面、參考橢球面和大地水準(zhǔn)面

在全球性的測量應(yīng)用中, 往往會涉及地形面( Topography) 、大地水準(zhǔn)面( Geoid) 和參考橢球面( Reference Ellipsoid) 三個面( 見上圖) 。

1、地形面

地形面是以上三個面中最為復(fù)雜的一個, 它是地球的自然表面, 包含了地球外部的陸地地形和海底地形, 是一個極度不規(guī)則的面。

2、大地水準(zhǔn)面

大地水準(zhǔn)面是一個物理參考面, 是地球一個重力等位面( Gravimetric Equipotential Sur_x0002_face) 。在大洋部分, 大地水準(zhǔn)面與去除了潮汐、洋流和氣象學(xué)因素等非引力影響后的平均海水面( MSL—Mean Sea Level) 一致。但是, 由于陸地質(zhì)量的影響, 存在著局部的重力異常, 它們將使大地水準(zhǔn)面的形狀發(fā)生扭曲, 這種扭曲在山區(qū)尤為顯著。

在地球表面上確定點的位置時,大地水準(zhǔn)面的作用非常重要。例如, 測量中常用到的正高就是以大地水準(zhǔn)面為參考, 而許多測量儀器( 如全站儀儀) 則利用重力來進行定向。雖然現(xiàn)在人們已經(jīng)能夠建立出精確的大地水準(zhǔn)面模型, 但此類模型的形式卻非常復(fù)雜。

下圖為地形面、洋面和大地水準(zhǔn)面示意圖。

3、參考橢球面

參考橢球面則是一個幾何或數(shù)學(xué)參考面, 是一個與大地水準(zhǔn)面非常接近的旋轉(zhuǎn)橢球面。

以參考橢球面為基礎(chǔ), 可以采用經(jīng)度、緯度和大地高來描述地球上點的位置。由于全球各地大地水準(zhǔn)面的形狀差異很大, 因而參考橢球的選擇方法也多種多樣, 既可以選擇與全球大地水準(zhǔn)面符合最好的全球性參考橢球, 也可以選擇與局部大地水準(zhǔn)面符合最好的局部參考橢球。