大地水准面
| 英文 | Geoid |
|---|---|
| 定义 | 与全球平均海平面重合的重力等位面 |
| 别称 | 大地水准面、地球体 |
| 作用 | 高程系统的基准面 |
大地水准面（Geoid）是地球重力场中一个特殊的重力等位面，它与全球范围内处于静止状态的平均海水面相重合，并无限延伸穿过大陆和岛屿。它是一个形状极其复杂、不规则的封闭曲面。
大地水准面是物理大地测量学中一个至关重要的概念，是国家高程系统的起算面。
特性
大地水准面与高程系统
正高
我们日常生活中所说的海拔，其严谨的科学定义是正高（Orthometric Height）。正高是指地面上任意一点沿着该点的铅垂线到大地水准面的距离。
正高系统是各国普遍采用的高程系统，因为它具有明确的物理意义——水往低处流，即水总是从正高较高的地方流向正高较低的地方。
大地水准面差距 (N)
大地水准面是一个物理表面，而参考椭球是一个规则的数学表面。在同一点上，大地水准面与参考椭球通常是不重合的，两者之间的垂直距离被称为大地水准面差距（Geoid Undulation），通常用 N 表示。
这三个量之间存在一个基本关系：
- h ≈ H + N
其中：
这个公式揭示了如何利用GNSS测量技术来获取精确的海拔高程：只要精确知道某地的大地高（h）和大地水准面差距（N），就能计算出该地的正高（H）。
大地水准面与似大地水准面
与大地水准面和正高系统密切相关的是似大地水准面（Quasi-geoid）和正常高（Normal Height）系统。
- 似大地水准面：是一个辅助面，它与大地水准面非常接近，但在数学上处理更方便。
- 正常高：是地面点沿正常重力场的铅垂线到似大地水准面的距离。
正常高与大地高（h）和高程异常（ζ）的关系为：
- h = H* + ζ
由于确定正常高所需要的正常重力场模型比确定正高所需要的真实重力场模型更简单，因此许多国家采用正常高系统作为国家高程基准。
大地水准面的确定
精确确定大地水准面的形状和位置是大地测量的核心任务之一。主要方法包括：
- 天文大地水准法：结合天文测量和水准测量，确定大地水准面的局部形态。
- 重力水准法：利用地面重力测量数据，通过斯托克斯积分等方法计算大地水准面差距。
- 卫星测高法：利用搭载在卫星上的雷达高度计直接测量海面相对于参考椭球的高度，从而确定海洋上的大地水准面。
- 联合解算法：结合卫星重力（如GRACE、GOCE任务）、卫星测高、地面重力、GPS水准等多种数据，建立全球或区域性的高精度大地水准面模型（如EGM2008）。