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2019-10-23 23:17 来源:中青网

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大地水准面 (大地测量学)

作为地球的理想形态而设想的一个贯穿大陆又包括海洋的静止海面,称大地水准面。与平均海水面重合并延伸到大陆内部的水准面。是一个连续闭曲面。由大地水准面所包围的形体叫“地球体”或“大地体”。通常用于代表地球的物理形状。

中文名称
大地水准面
外文名称
Geoid
基本概念
设想处于静止平衡状态的海洋面向大陆下面延伸,所形成的封闭曲面称为大地水准面
提出人
李斯廷(Listing,J.B.)
提出时间
1973年

1基本概念

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流体静平衡状态的海洋面重合并延伸到大陆以下的水准面。是个没有趋纹和棱角的、连续的封闭曲面。由于地球表面起伏不平,地球内部物质分布不均匀,大地水准面的形状和重力场都是不规则的,用简单的几何形状和数学公式无法表达。由大地水准面所包围的形体称为“大地体”。通常用大地水准面表示地球的物理形状,接近旋转椭球面。

与一个不受风浪和潮汐等外界因素影响、处于完全静止和平衡状态的平均海平面相重合并延伸到大陆内部的重力位水准面。大地水准面上各点间的重力位处处相等,并于该点的铅垂线方向保持正交。由于地球实际表面的起伏和内部质量分布不均匀,因此大地水准面是一个形状不规则的连续的闭合曲面,其重力场也不规则。通常用大地水准面来表示地球的形状。

大地测量学中所研究的地球形体主要是指大地水准面的形状。

2提出背景

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地球是不规则的球体,其表面凹凸不平,形态极为复杂,不能用数学公式来表达和计算,不能作为测量与制图的基准面。因此,需要寻求一种与地球自然表面充分接近的规则曲面,来代替地球自然表面。人们假想海洋在无风、无浪、无潮汐的静止状态下穿透大陆,形成封闭的曲面,这个封闭的曲面被称为大地水准面,被它所包围的球体成为大地体。

根据地球重力场理论研究地球形状的一个基本概念。重力位等于常数的所有空间点形成的连续曲面称为重力等位面,通常称为水准面。处于静止状态的水面是一个水准面。大地水准面是无穷个水准面中的一个代表地球整体自然形状的特定水准面。

全球性的理想平均海面,在这样的海面上,没有波浪起伏和潮汐涨落,是一个静止的海面,并且以某种假想的方式将其延伸到陆地底下,形成一个包围全球的封闭曲面,这是一个重力等位面。在这个面上,物体从一个位置移动到另一个位置不需要作功。

李斯廷(Listing,J.B.)1973年首先提出这一概念,设想处于静止平衡状态的海洋面向大陆下面延伸,所形成的封闭曲面称为大地水准面(这是大地水准面的经典定义)。在大地测量中,用验潮站长期观测所确定的平均海面(代替理想的静止海面)定义大地水准面上的一个点,并作为海拔高程的零点,因此,大地水准面又称水准基面

现代海洋学结合卫星测高技术已证实,平均海水面并不是一个重力等位面。

事实上,即使排除了日月引力的潮汐影响,由于海面大气压力、温度和盐度的分布差异以及海洋上的面流作用,使平均海面不是只受重力场作用的重力平衡的自由表面,这样一个表面在物理上不是等位面设想一个“最接近”平均海水面的重力等位面,平均海水面相对于这个等位面的高程称为海面地形,其值可达12m。在理论上,将对应的海面地形全球积分平均值为零的等位面作为大地水准面,这是大地水准面现代定义的基本涵义但是由于在实践上根据全球海面地形确定一个能普遍用于海洋学和大地测量学的大地水准面还存在困难,因此,目前还没有一个公认的统一定义.

3具体计算

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大地水准面大地水准面
大地水准面在大地测量上用作海拔高度的起始面。由于地表的起伏和地球内部物质分布不均,大地水准面的形状是不规则的,不能用一个简单的几何体或数学公式来表达。因此,为了具体地表示大地水准面的不规则性,人们设想了一个参考扁球体。它具有扁球体严格的几何规律性,而其大小和形状又最接近大地水准面, 它代表了基本的地球形状。这样,地球的真实形状,便可以用各地的大地水准面对于参考扁球体的偏离来表示。

大体上说,北半球的高纬度地区和南半球的低纬度地区,大地水准面略高出参考扁球体;而南半球的高纬度地区和北半球的低纬度地区,大地水准面稍低于参考扁球体。大地水准面对于参考扁球体的偏离,给人们以地球的形状像梨的印象。因此,此图一出,梨形地球的说法风靡一时。其实,该图只是用来说明,大地水准面对于参考扁球体的偏离,因南北半球而不同,而不能表示地球的真实形状。这是因为:

①它为了突出表示这种偏离,忽略了参考扁球体的扁,抹去地球的赤道半径与极半径之间的21公里的巨大差异,以正球代替了扁球;

②它又过分地夸大了大地水准面对参考扁球体的微小偏离。图中表示南北两极间40米差值的比例尺,比表示地球半径的比例尺扩大了近6万倍。

事实上,大地水准面对参考扁球体的40米的偏离,对于长半径为 6 378. 140公里,扁率为1/298. 257的地球来,是微不足道的,它只是使地面各部分的曲率产生微小的差异。大地水准面的任何部分都是凸面,没有凹陷,更不会有棱角。

天文水准

一种只采用天文大地测量数据来计算相对大地水准面差距的方法。由于方向上的相对垂线偏差分量是表示大地水准面在方向上的倾斜。显然,只要相对垂线偏差分量在、之间成线性变化,那么将、两点上的相对垂线偏差的平均值乘以两点之间的距离,就可以求得两点的大地水准面差距之差。

因为两点间的相对垂线偏差只有在短距离内才呈线性变化,所以天文水准要求有很密的天文点,在山区更是如此。

天文重力水准

一种综合利用天文大地测量和重力测量数据计算相对大地水准面差距的方法。它是在两已知天文大地点AB相距较远(例如几十公里到百余公里)的情况下,利用此两点周围一定区域内的大地水准面上的重力异常数据,去改正天文水准中相对垂线偏差不成线性变化的影响。

1937年,M.C.莫洛坚斯基曾提出用椭圆双曲坐标系模板按点的重力异常计算天文重力水准中的重力改正项ΔNg1958年,中国大地测量学者方俊提出用直角坐标系按平均重力异常计算这一重力改正项的模板。目前此项工作采用电子计算机进行计算。

1958年开始,中国沿一等三角锁布设了天文水准和天文重力水准线路,组成了几个闭合环。为了避免误差积累,将它分为一等(高精度)和二等(低精度)两个等级。这样,从中国大地原点开始,沿天文水准和天文重力水准线路递推到最远点的高程异常误差将不超过±3米,以此满足天文大地网归算起始边长的要求。

4重要意义

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1)大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距——大地水准面差距(对于似大地水准面而言,则称为高程异常)来实现的。大地水准面和海拔高程等参数和概念在客观世界中无处不在,在国民经济建设中起着重要的作用。

2)大地水准面是大地测量基准之一,确定大地水准面是国家基础测绘中的一项重要工程。它将几何大地测量与物理大地测量科学地结合起来,使人们在确定空间几何位置的同时,还能获得海拔高度和地球引力场关系等重要信息。

3)大地水准面的形状反映了地球内部物质结构、密度和分布等信息,对海洋学、地震学、地球物理学、地质勘探、石油勘探等相关地球科学领域研究和应用具有重要作用。

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参考资料

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[1].赤峰网:大地水准面定义
百度 本书作者穷尽了美国国家档案馆和美国国会图书馆的相关主题所有影像资料,计276小时、达830余部历史视频资料,可以说是一场前所未有的知识考古,这是一场浩繁珍贵的资料发掘。

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