一、海拔高、大地高

　　高程是地理學和測量學中對地物高度的一種表達。英文的表達是elevation。與高程相關的兩個概念——大地高與海拔高，在實踐上有差異，但很容易混淆。

王慧麟等編著的《測量與地圖學》（南大出版社，2004年）中對這兩個概念有明確表述：

點位沿橢球面的法線至橢球面的高度稱“大地高”；

點位沿鉛垂線至大地水準面的高度稱海拔高，也稱作“正高”。

在實踐中，地形圖上標出的高度是海拔高，GPS讀出的高度是大地高。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大地水準面與旋轉橢球體

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

地球不規則，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“大地水準面”。他是在地球重力作用下，假設靜止的海面向陸地和島嶼延伸，形成一個封閉的面。這個面就是大地水準面。大地水準面是一個重力等位面。可以認為物體如果在這個面上運動、發生位移，重力是不做功的。顯然大地水準面所包裹的空間也并非一個規則的球體（見上圖）。有的書上還描述說，大地水準面所包裹的球體像一個梨。雖然不盡準確，但是可以由此聯想，這個球體肯定是凹凸不平的。

為了地圖制圖的方便，人們設計出“旋轉橢球體”這個概念來擬合大地水準面所包圍的不規則球體（聯想一下地球儀）。旋轉橢球體由長半軸、短半軸、扁率共同定義。截至目前人們已經發展了多個不同的旋轉橢球體。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。數學法則定義的橢球體通常是整體上對地球大地水準面擬合較好。實際應用中還有一個放置的問題，即各國可能考慮讓這個橢球體處于一個特定位置而實現對該國范圍內的地表面擬合最優。比如上圖中，紅色虛線是大地水準面，紫色實線是橢球面。這個橢球面在全球、以及圖中“法線”二字對應的局部區域擬合都很好，但是對“大地水準面”5個字所在區域擬合就不好。目前美國人似乎很有點世界情懷，他們所使用的WGS84大地坐標系，力圖讓其WGS84橢球體在全球范圍內整體擬合最優。而我們國家此前的1980西安大地坐標系（我國現行的地形圖主要是這個坐標系），還是盡量讓橢球體對我國大陸地區地表擬合最優。畢竟我們國家陸地區域起伏太大。

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

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

還說說海拔或海拔高。為什么叫海拔？你可以設想它相當于一個目標地物距離海平面的高差。這個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高度上。即便是在局部海面，海水幾時靜止呢？所以大地水準面（標準海面）的位置也需要人為予以規定。比如我們國家曾經采用過的“黃海高程”，就是利用1950-1956年在青島驗潮站觀測的黃海平均海水面作為0點高程，即起算點。而解放以前還先后出現過廢黃河高程、吳淞口高程等。這些不同的高程系統，盡管都是大地水準面高程系統，但起算基準不同，測量同一個不變目標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與黃海高程的換算

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

　　一位教師要給學生做學術講座，題目叫“海拔變化和****”，從副標題來看，大致是討論高度變化對****的影響，或者****隨高度存在什么變化。這是地理學尤其是自然地理研究中常做的事。地理學中能稱得上定律或者規律的，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，用高度、還是用海拔更好？本質上，我們討論的是事物或現象隨高度變化所呈現的規律和特征；實踐上，現在野外工作多采用GPS測定高度。GPS直接測定的是大地高，非海拔高。而一般的GPS似乎不能很理想地轉化為海拔高，除非用控制點和已知參數做差分測量。那么，顯然，用“高度”比用“海拔”更合適。當然，從效用的角度看，局部高度的變化，在大地高和海拔高的數值上，可能是相同的規律。

二、高程異常與大地水準面差距

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

　　高程異常ξ是似大地水準面與參考橢球面之間的高差。

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

　　精確求定高程異常ξ，就是對似大地水準面的精化，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。

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

　　似大地水準面（quasi-geoid）是正常高的起算面，指從地面點沿正常重力線按正常高相反方向量取到正常高端點所構成的曲面。是前蘇聯地球物理學家、測量學家莫洛金斯基研究地球形狀理論時，為避免大地水準面無法精確確定而引進的輔助面，為一與大地水準面十分接近、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面的確定涉及到地球內部密度的假定，在理論上存在著不嚴密性，莫洛金斯理論作為現代大地測量里程碑，可以應用地面測量數據直接確定地球表面形狀而不需要對地球密度作任何假設，在這一理論體系中所構建的正常高系統，習慣上將所謂的似大地水準面稱為該系統的高程起算面。然而，似大地水準面只是通過一定的數學關系對應于地面的一個幾何曲面，它既不是具有物理意義的水準面，也不是對于所有空間各點都為唯一的高程起算面。

　　ξ求定方法

　　傳統求定高程異常ξ值的方法是外業獲取的大地測量工作者沿著一等三角鎖段布設天文重力水準路線，利用天文重力水準的方法計算出高程異常ξ，再利用水準聯測三角點，求出三角點的正常高h_正常高，依據公式H=h_正常高+ξ，求出各三角點的大地高。因此，求取三角點的大地高付出的代價是巨大的。

　　現代GPS 定位技術，點位大地高與坐標可直接求出，只要在一個區域內聯測國家水準點和三角點，精確確定高程異常ξ，就可以求出正常高h_正常高。具體的方法歸納為幾何法、重力法和重力與幾何聯合法。目前是GPS 水準確定的高精度但分辨率較低的幾何大地水準面作為控制，將重力學方法確定的高分辨率但精度較低的重力大地水準面與之擬合，精化局部大地水準面，求定高程異常ξ,它主要是改正高程異常的中長波段部分。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 轉換精度。對于西南山區，考慮地形起伏的影響，先建立山區數字高程模型（DEM），以它作為基礎計算高程異常的短波分量，精確計算高程異常ξ值，從而提高GPS 高程轉換精度。

　　　　

參考文章

陳奐生， 高度、海拔和大地高

總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。