一、海拔高、大地高

　　高程是地理學(xué)和測(cè)量學(xué)中對(duì)地物高度的一種表達(dá)。英文的表達(dá)是elevation。與高程相關(guān)的兩個(gè)概念——大地高與海拔高，在實(shí)踐上有差異，但很容易混淆。

王慧麟等編著的《測(cè)量與地圖學(xué)》（南大出版社，2004年）中對(duì)這兩個(gè)概念有明確表述：

點(diǎn)位沿橢球面的法線至橢球面的高度稱“大地高”；

點(diǎn)位沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的高度稱海拔高，也稱作“正高”。

在實(shí)踐中，地形圖上標(biāo)出的高度是海拔高，GPS讀出的高度是大地高。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大地水準(zhǔn)面與旋轉(zhuǎn)橢球體

大地高和海拔高的定義中隱含了兩個(gè)關(guān)于地球形狀概念——大地水準(zhǔn)面和參考橢球面（體）。

地球不規(guī)則，這是眾所周知的。怎么刻畫地球的形狀呢?首先需要確定的是“大地水準(zhǔn)面”。他是在地球重力作用下，假設(shè)靜止的海面向陸地和島嶼延伸，形成一個(gè)封閉的面。這個(gè)面就是大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是一個(gè)重力等位面。可以認(rèn)為物體如果在這個(gè)面上運(yùn)動(dòng)、發(fā)生位移，重力是不做功的。顯然大地水準(zhǔn)面所包裹的空間也并非一個(gè)規(guī)則的球體（見上圖）。有的書上還描述說，大地水準(zhǔn)面所包裹的球體像一個(gè)梨。雖然不盡準(zhǔn)確，但是可以由此聯(lián)想，這個(gè)球體肯定是凹凸不平的。

為了地圖制圖的方便，人們?cè)O(shè)計(jì)出“旋轉(zhuǎn)橢球體”這個(gè)概念來擬合大地水準(zhǔn)面所包圍的不規(guī)則球體（聯(lián)想一下地球儀）。旋轉(zhuǎn)橢球體由長(zhǎng)半軸、短半軸、扁率共同定義。截至目前人們已經(jīng)發(fā)展了多個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)橢球體。比如克拉索夫斯基橢球體、1975年IUGG推薦的橢球體、美國WGS84橢球體等。數(shù)學(xué)法則定義的橢球體通常是整體上對(duì)地球大地水準(zhǔn)面擬合較好。實(shí)際應(yīng)用中還有一個(gè)放置的問題，即各國可能考慮讓這個(gè)橢球體處于一個(gè)特定位置而實(shí)現(xiàn)對(duì)該國范圍內(nèi)的地表面擬合最優(yōu)。比如上圖中，紅色虛線是大地水準(zhǔn)面，紫色實(shí)線是橢球面。這個(gè)橢球面在全球、以及圖中“法線”二字對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域擬合都很好，但是對(duì)“大地水準(zhǔn)面”5個(gè)字所在區(qū)域擬合就不好。目前美國人似乎很有點(diǎn)世界情懷，他們所使用的WGS84大地坐標(biāo)系，力圖讓其WGS84橢球體在全球范圍內(nèi)整體擬合最優(yōu)。而我們國家此前的1980西安大地坐標(biāo)系（我國現(xiàn)行的地形圖主要是這個(gè)坐標(biāo)系），還是盡量讓橢球體對(duì)我國大陸地區(qū)地表擬合最優(yōu)。畢竟我們國家陸地區(qū)域起伏太大。

回到最開始的問題——高度怎么刻畫的？美國人研發(fā)的全球定位系統(tǒng)GPS對(duì)空間坐標(biāo)的描述，仍然采用WGS1984大地坐標(biāo)系，他的高程為目標(biāo)地物距離WGS84橢球體表面的法線距離。而我國的地形圖上的高程，標(biāo)定的是目標(biāo)地物距離大地水準(zhǔn)面的鉛錘距離。

如前所訴，即便我們忽略法線距離與鉛錘距離的差異，我們也會(huì)看到，這兩個(gè)距離的起算基準(zhǔn)可能不是同一個(gè)面。這就是為什么同一個(gè)位置，我們用GPS測(cè)出來的高程與地形圖上讀出來的高程數(shù)值可能（通常）不一致。

還說說海拔或海拔高。為什么叫海拔？你可以設(shè)想它相當(dāng)于一個(gè)目標(biāo)地物距離海平面的高差。這個(gè)名字本來也是這么來的。問題是，全世界的海平面并非在一個(gè)高度上。即便是在局部海面，海水幾時(shí)靜止呢？所以大地水準(zhǔn)面（標(biāo)準(zhǔn)海面）的位置也需要人為予以規(guī)定。比如我們國家曾經(jīng)采用過的“黃海高程”，就是利用1950-1956年在青島驗(yàn)潮站觀測(cè)的黃海平均海水面作為0點(diǎn)高程，即起算點(diǎn)。而解放以前還先后出現(xiàn)過廢黃河高程、吳淞口高程等。這些不同的高程系統(tǒng)，盡管都是大地水準(zhǔn)面高程系統(tǒng)，但起算基準(zhǔn)不同，測(cè)量同一個(gè)不變目標(biāo)所得的高程值也是有差異的（見下表）。

解放前的各種高程系統(tǒng)與黃海高程的換算

高程起算面	改正數(shù)（m）	高程起算面	改正數(shù)(m)
1954年黃海平均海水面	+0.083	羅星塔零點(diǎn)	-2.179
坎門平均海水面	+0.237	吳淞零點(diǎn)	-1.807
吳淞平均海水面	+0.056	廢黃河零點(diǎn)(新)	-0.063
大沽平均海水面	+0.005	大沽零點(diǎn)	-1.296
大連平均海水面	-0.026	珠江基面	+0.596

　　一位教師要給學(xué)生做學(xué)術(shù)講座，題目叫“海拔變化和****”，從副標(biāo)題來看，大致是討論高度變化對(duì)****的影響，或者****隨高度存在什么變化。這是地理學(xué)尤其是自然地理研究中常做的事。地理學(xué)中能稱得上定律或者規(guī)律的，就有一條“垂直地帶性”，討論的就是這類問題。

　　問題在于，我們這里的表達(dá)，用高度、還是用海拔更好？本質(zhì)上，我們討論的是事物或現(xiàn)象隨高度變化所呈現(xiàn)的規(guī)律和特征；實(shí)踐上，現(xiàn)在野外工作多采用GPS測(cè)定高度。GPS直接測(cè)定的是大地高，非海拔高。而一般的GPS似乎不能很理想地轉(zhuǎn)化為海拔高，除非用控制點(diǎn)和已知參數(shù)做差分測(cè)量。那么，顯然，用“高度”比用“海拔”更合適。當(dāng)然，從效用的角度看，局部高度的變化，在大地高和海拔高的數(shù)值上，可能是相同的規(guī)律。

二、高程異常與大地水準(zhǔn)面差距

　　大地水準(zhǔn)面差距（geoid undulation）是從大地水準(zhǔn)面上的點(diǎn)沿地球橢球法線到地球橢球的距離。

　　高程異常ξ是似大地水準(zhǔn)面與參考橢球面之間的高差。

　　地球表面上某點(diǎn)沿鉛錘方向到大地水準(zhǔn)面上的高程叫做正高。沿鉛錘方向到似大地水準(zhǔn)面的高度叫做正常高，我國目前采用的法定高程系統(tǒng)就是正常高系統(tǒng)。

　　精確求定高程異常ξ，就是對(duì)似大地水準(zhǔn)面的精化，按一定的分辨率精確求定高程異常ξ值。高程異常值可在國家測(cè)繪部門存有的高程異常圖中查取。公式：ξ=H-h， 其中H是大地高，h是正常高。

　　大地水準(zhǔn)面是最接近地球整體形狀的重力位水準(zhǔn)面，也是正高系統(tǒng)的高程基準(zhǔn)面。

　　似大地水準(zhǔn)面（quasi-geoid）是正常高的起算面，指從地面點(diǎn)沿正常重力線按正常高相反方向量取到正常高端點(diǎn)所構(gòu)成的曲面。是前蘇聯(lián)地球物理學(xué)家、測(cè)量學(xué)家莫洛金斯基研究地球形狀理論時(shí)，為避免大地水準(zhǔn)面無法精確確定而引進(jìn)的輔助面，為一與大地水準(zhǔn)面十分接近、在海洋上兩者完全重合、而在大陸上有2~4米的微小差異的曲面。由于正高與大地水準(zhǔn)面的確定涉及到地球內(nèi)部密度的假定，在理論上存在著不嚴(yán)密性，莫洛金斯理論作為現(xiàn)代大地測(cè)量里程碑，可以應(yīng)用地面測(cè)量數(shù)據(jù)直接確定地球表面形狀而不需要對(duì)地球密度作任何假設(shè)，在這一理論體系中所構(gòu)建的正常高系統(tǒng)，習(xí)慣上將所謂的似大地水準(zhǔn)面稱為該系統(tǒng)的高程起算面。然而，似大地水準(zhǔn)面只是通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)應(yīng)于地面的一個(gè)幾何曲面，它既不是具有物理意義的水準(zhǔn)面，也不是對(duì)于所有空間各點(diǎn)都為唯一的高程起算面。

　　ξ求定方法

　　傳統(tǒng)求定高程異常ξ值的方法是外業(yè)獲取的大地測(cè)量工作者沿著一等三角鎖段布設(shè)天文重力水準(zhǔn)路線，利用天文重力水準(zhǔn)的方法計(jì)算出高程異常ξ，再利用水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)三角點(diǎn)，求出三角點(diǎn)的正常高h(yuǎn)_正常高，依據(jù)公式H=h_正常高+ξ，求出各三角點(diǎn)的大地高。因此，求取三角點(diǎn)的大地高付出的代價(jià)是巨大的。

　　現(xiàn)代GPS 定位技術(shù)，點(diǎn)位大地高與坐標(biāo)可直接求出，只要在一個(gè)區(qū)域內(nèi)聯(lián)測(cè)國家水準(zhǔn)點(diǎn)和三角點(diǎn)，精確確定高程異常ξ，就可以求出正常高h(yuǎn)_正常高。具體的方法歸納為幾何法、重力法和重力與幾何聯(lián)合法。目前是GPS 水準(zhǔn)確定的高精度但分辨率較低的幾何大地水準(zhǔn)面作為控制，將重力學(xué)方法確定的高分辨率但精度較低的重力大地水準(zhǔn)面與之?dāng)M合，精化局部大地水準(zhǔn)面，求定高程異常ξ,它主要是改正高程異常的中長(zhǎng)波段部分。亦可通過地形改正的算法改正高程異常的短波部分，提高GPS 轉(zhuǎn)換精度。對(duì)于西南山區(qū)，考慮地形起伏的影響，先建立山區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），以它作為基礎(chǔ)計(jì)算高程異常的短波分量，精確計(jì)算高程異常ξ值，從而提高GPS 高程轉(zhuǎn)換精度。

　　　　

參考文章

陳奐生， 高度、海拔和大地高

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的正常高、大地高、海拔高的测绘概念的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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