大地体与参考椭球区别

在大地测量学和相关领域中，这些概念常常会被一起提及，但它们所代表的含义并不相同。下面依次对它们进行简要辨析，并说明“大地体”与“参考椭球”之间的差异。

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1. 水准面

• 定义
  水准面（Level Surface）是指在地球重力场中，具有相同重力位能（等位能）的连续封闭曲面。它与重力方向（铅垂线）正交。
• 特点
  1. 等位面：在同一个水准面上，各点的重力势（引力势加离心势）相同。
  2. 无限延伸：一个水准面可以在地球内部、地表以及上空延伸，只要它满足等位面条件。
  3. 无数个水准面：在地球重力场中理论上存在无数个水准面，它们相互之间不相交，且一般在地球表面附近的几何形状相似但并不平行。

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2. 水平面

• 定义
  水平面（Horizontal Plane）通常是指在观测点处，与该处铅垂线正交的一个平面。它可以看作是某一“局部位置”上的“水准面”在该点的切平面。
• 特点
  1. 局部概念：水平面是一个局部概念，通常只在观测点附近定义。
  2. 测量中的基准：在地面测量时，往往把仪器安置于该处的水平面上，保证测量的“水平”基准。

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3. 大地水准面

• 定义
  大地水准面（Geoid）是地球重力场中与**平均海水面（延伸到陆地以下）**最为接近的那个水准面。它是一个特殊的水准面，常用来作为测量学中高程的参考面。
• 特点
  1. 与平均海水面重合：大地水准面与全球平均海平面在整体上高度吻合，可视为把平均海水面向大陆下方延伸而得到的封闭曲面。
  2. 形状起伏不平：大地水准面受到地球内部质量分布不均的影响，会出现起伏。它并不是一个几何上规则的曲面。
  3. 测量意义：地面高程（正高）一般定义为地面某点到大地水准面的铅垂线距离。

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4. 大地体

• 定义
  “大地体”是一个比较广义的说法，一般指“真实的地球”在考虑其物理（重力、质量分布等）特性后所呈现出来的形体。从严格的测量学角度来看，它往往可以指地球真实形状在重力场作用下所形成的“地球体”。
• 特点
  1. 真实的地球形状：大地体并不是一个规则的几何曲面，而是反映了地球真实的、不规则的形状。
  2. 包含质量分布影响：地球内部质量分布并不均匀，导致地球外部重力场和地表形状都存在起伏。
  3. 与大地水准面、参考椭球的关系：大地体是一个更为物理和真实的概念，而“大地水准面”和“参考椭球”更多是从测量或数学意义上对地球外形的近似或假设面。

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5. 大地体与参考椭球有何不同？

• 参考椭球（Reference Ellipsoid）

  1. 数学模型：参考椭球是用旋转椭球的形式来近似地球形状的数学模型，具有规则的几何形状。
  2. 测量/制图基准：在大比例尺测量、地图投影等过程中，往往选用与该地区（或全球）最适宜的椭球参数（长半轴、扁率等）来作为计算与坐标转换的基准。
  3. 不考虑局部起伏：参考椭球忽略了地球在局部区域因质量异常所产生的微小起伏。

• 大地体（Earth Body）

  1. 真实的物理地球：大地体考虑了地球的真实质量分布和重力场，形状非常复杂。
  2. 不可精确用简单几何描述：大地体形状难以用单一的几何曲面描述，需要通过物理测量或重力观测来逼近。
  3. 与大地水准面更接近：大地水准面某种程度上可以看作是大地体外部的一个重力等位面，而参考椭球则是为了计算和绘图方便而建立的理想数学面。

小结

• 参考椭球：规则的椭球模型，便于坐标计算、制图、数据处理等（数学基准）。
• 大地体：真实地球的物理形态，内部质量分布不均，外形复杂（物理实体）。

二者的根本区别在于：参考椭球是人为设定的、数学上的近似和理想化模型，而大地体则是地球本身在重力场作用下的真实形状。参考椭球会根据地区或全球范围的观测数据选取不同的椭球参数来尽量贴近真实地球，但永远无法精确描述大地体的全部细节。