来认识认识地球这几个不为人知的几个“面”

原创： 蔡贇

虽然我们每天生活在地球，但是对地球本身很少有一个直观整体的感受，我们所见过的最多的地球全景图也许是微信登录界面吧。

说出来你们可能不信，小编的微信登录界面就是酱紫的。

当然，大部分正常人的正经微信登录界面是这样的。

更当然，小部分人甚至都不知道背景中的蓝色星球正是我们的地球，事实上，这颗蓝色弹珠是阿波罗17号里的宇航员拍到的我们的地球。

（阿波罗17号宇航员拍摄画面）

相信看过小编之前文章的小可爱们应该知道，小编在很多文章中插过大地水准面的图。

THE EARTH'S GRAVITY FIELD (GEOID) AS IT WILL BE SEEN BY GOCE

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2004/10/The_Earth_s_gravity_field_geoid_as_it_will_be_seen_by_GOCE

这样的地球看起来像一个凹凸不平的马铃薯。为什么同样是地球，给人的直观感受如此不同呢，这就要说到地球的几个“面”了。

在小编刚读大学的时候，专业课老师就一直跟我们讲大地水准面、参考椭球面、大地基准面什么巴拉巴拉巴啦啦小魔仙，一直都没能搞明白这几个面是干嘛的。今天就跟着小编梳理梳理，来认识认识地球这几个不为人知的几个“面”。

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规则正球体：

众所周知，地球并不是一个正球体，而是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体，正如上图所示（小编个人认为图中为了突出真实形状夸大了变化尺度）。地球的平均半径6371千米 ，最大周长约4万千米。为了简化地球形状，我们用一个圆心在球心上的规则正球体来模拟地球，就可以得到最简洁的地球形状，当然也是最粗糙的。

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旋转椭球体：

接下来我们进一步精细化，我们知道赤道要比两极要“鼓”，因此用椭球体能更真实地模拟地球，一般采用旋转椭球体，近似地代表地球大小和形状的数学曲面。其大小和形状常用长半径a和扁率α表示。如下图所示。

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参考椭球体：

当我们已知地球表面重力，可以推导出地球表面理论公式，即与地球表面最接近的重力等位面方程——参考椭球面。也即一个国家和地区为处理测量成果而采用的一种与地球大小、形状最接近并具有一定参数的地球椭球。

旋转椭球体有无数个，确定好参数之后，参考椭球体只有一个。

（1980年中国国家大地坐标系采用国际大地测量学与地球物理学联合会第十六届大会推荐的1975年椭球参考值：a=6378140，α=1∶298257。）

我们平常所说的地球半径，粗略一点可以用正球体的半径来表示，也可以用椭球体的长径、短径和扁率表示。参考椭球体非常接近大地水准面，并且可以用数学模型表达的几何形体来代替地球的几何形状，其表面可以作为测量计算工作的基准面。

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水准面：

那么什么是水准面呢？我们假设有一个自由的、静止的水面向陆地内延伸，包围整个地球形成一个闭合的曲面，在这个平面的每一个地方都与重力方向垂直，并且这是一个重力场等位面，与这个面相切的面叫做水平面。

换句话说，在水准面上移动物体（比如篮球）是不做功的。

水准面可高可低，因此水准面有无数个。

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大地水准面：

在水准面中，我们选取一个与平均海水面相吻合并向大陆岛屿等内部延伸的闭合曲面，称为大地水准面。大地水准面同样具有水准面的特性，同一个面上重力位相同并且与铅垂线垂直。

由于地球引力大小和其内部质量分布有关，而地球内部质量的分布又不均匀，从而引起地面点的铅垂线产生了不规则的变化，因此大地水准面实际上是一个有一定起伏且不规则的曲面。

如果在这个复杂曲面上进行数据处理，是非常困难的。因此这个时候参考椭球面就能发挥其作用。

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大地基准面：

大地基准面（Geodetic datum），设计用为最密合部分或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的大地基准面。

抛开那些晦涩难懂的定义和概念，小编用最通俗的话来解释。我们把地球比作“马铃薯”，表面凸凹不平。

而地球椭球体就好比一个“鸡蛋”，表面光滑。

那么按照我们前面的定义，基准面就定义了怎样拿这个“鸡蛋”去逼近“马铃薯”某一个区域的表面，X、Y、Z轴进行一定的偏移，并各自旋转一定的角度，大小不适当的时候就缩放一下“鸡蛋”，那么通过如上的处理必定可以达到很好地逼近地球某一区域的表面。

因此，从这一点上也可以很好地理解，每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基（Krassovsky）椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG75）建立了我国新的大地坐标系——西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。

关于地球的这几个“面”，现在你了解了吗？