(1)铅垂线与大地水准面

地球上的任意一点，都同时受到两个力的作用：地球自转的离心力和地心引力，它们的合力称为重力，重力的方向即为铅垂线方向（见下图）。

处于静止状态的水面，例如平静的湖泊水面，即表示一个水准面。水准面必然处处与重力方向（即铅垂线方向）垂直，否则水就要流动，处于运动状态。在地球引力起作用的空间范围内，通过任何高度的点都有一个水准面。

观测水平角时，置平经纬仪就是使仪器的纵轴位于铅垂线方向，从而使水平度盘位于通过度盘中心的水准面的切平面上。因此，所测的水平角实际上就是视准线在水准面上的投影线之间的夹角。此外，用水准测量所求出的两点间的高差，就是过这两点的水准面间的垂直距离。对于边长的观测值，也存在化算到哪个高程水准面上的问题。

上述3类地面观测值，除水平角外，都同水准面的选取有关，特别是水准测量的结果，更是直接取决于水准面的选择。于是，为了使不同测量部门所得出的观测结果能够互相比较、互相统一、互相利用，有必要选择一个最有代表性的水准面作为外业成果的统一基准。

我们知道，海洋面积约占地球总面积的71%，从总体上来说，海水面是地球上最广大的天然水准面。设想把平均海水面扩展，延伸到大陆下面，形成一个包围整个地球的曲面，则称这个水准面为大地水准面，它所包围的形体称为大地体。由于大地水准面的形状和大地体的大小均接近地球自然表面的形状和大小，并且它的位置是比较稳定的，因此，我们选取大地水准面作为测量外业的基准面，而与其相垂直的铅垂线则是外业的基准线。

(2)参考椭球与总地球椭球

如上所述，虽然大地水准面最适合于作为测量外业的基准面，但是控制测量的最终目的是精确确定控制点在地球表面上的位置，为此必须确知所依据的基准面的形状。也就是说，基准面的形状要能用数学公式准确地表达出来。大地水准面是否能满足这一要求呢？研究表明，大地水准面是略有起伏的不规则的表面，无法用数学公式把它精确地表达出来，因而也就不确知其形状。这是由于地表起伏以及地层内部密度的变化造成质量分布不均匀的缘故。例如下图中，高山的右侧是一片谷地，且山体下部有重金属矿体，因而造成左、右两侧局部质量分布的较大差异，以致左侧引力增加，铅垂线向左偏斜，大地水准面稍微隆起，如虚线所示，呈现出不规则的变化。

随着科学技术的发展，人类逐渐认识到地球的形状极近于一个两极略扁的旋转椭球（一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体）。对于这个椭球的表面，可用简单的数学公式将它准确地表达出来，因而世界各国通常都采用旋转椭球代表地球。它的形状和大小与椭球的长短半径、有关，也可用和这两个量有关的其他量来表示。

选好一定形状和大小的椭球后，还不能直接在它上面计算点位坐标，这是因为我们的测量成果不是以这个表面为根据的，而应该首先将以大地水准面为基准的野外观测成果化算到这个表面上。要做到这一点只选定椭球面的形状和大小是不够的，还必须将它与大地水准面在位置上的关系确定下来，这个工作称为椭球定位。

综合以上所述，我们把形状和大小与大地体相近并且两者之间的相对位置确定的旋转椭球称为参考椭球。参考椭球面是测量计算的基准面。世界各国都根据本国的地面测量成果选择一种适合本国要求的参考椭球，因而参考椭球有许多个。这样确定的参考椭球在一般情况下和各国领域内的局部大地水准面最为接近，对该国的常规测绘工作较为方便。然而当我们将各国的测量成果联系起来进行国际间的合作时，则参考椭球的不同又带来了不便，因此，从全球着眼，必须寻求一个和整个大地体最为接近的参考椭球，称为总地球椭球。

总地球椭球的确定，必须以全球范围的大地测量和重力测量资料为根据才有可能。然而由于地球上海洋面积约占地球总面积的71%，因而过去只根据占少数的陆地测量成果推算总地球椭球是不可能的。近年来，由于人造卫星大地测量技术的发展，已根据人造卫星和陆地大地测量的成果求出一些总地球椭球的近似数据供使用。人们最终将使用总地球椭球。

(3)垂线偏差和大地水准面差距

如上所述，无论是参考椭球还是总地球椭球，其表面都不可能与大地水准面处处重合，因而在同一点上所作的这两个面的法线，即大地水准面的铅垂线与椭球面的法线也必然不会重合（见下图），两者之间的夹角μ称为垂线偏差。在子午线和卯酉线上的投影分量通常分别以ξ和η表示。大地水准面与椭球面在某一点上的高差称为大地水准面差距，用N表示。当前者高于后者时，N>0；反之，N<0。

内容源于网络，旨在分享，如有侵权，请联系删除

相关资料推荐：

市政工程测量的基准面定位点和误差概述

https://ziliao.co188.com/p63458581.html

知识点：控制测量的基准面和基准线