科普-海平面高、GPS高、基准面高的区别和定义

从业这么久了，很多很多（包括行业内）人，根本搞不清楚海平面高、GPS 高、基准面高的区别，这里翻译和补充说明一下。

声明

原文出自https://www.esri.com/news/arcuser/0703/geoid1of3.html，我只是进行了翻译和针对国内情况的补充。原文作者：Witold Fraczek, Esri Applications Prototype Lab。以下正文：

通常，研究和技术的努力会带来意外的积极成果。当欧洲探险家开始寻找通向印度的捷径时，他们发现了新世界。当葡萄球菌细菌培养物被普通霉菌错误地污染时，霉菌和细菌菌落之间的空白区域会得出结论，即霉菌青霉素会产生抑制细菌生长的化合物。这一偶然发现促进了青霉素的发展。

众所周知，地球上没有完美的几何形状，大地水准面用来描述地球独特且不规则的形状。但是，直到最近（原文发表时间：2003 年 7 月）才观察到由全球平均海平面（MSL：the global mean sea level）造成的海面有更明显的不规则性。这些不规则性比专家的预测高出一个数量级。受地球引力的控制，这些不规则现象形成了非常平缓但又庞大的“丘陵”和“山谷”。这一惊人发现是通过使用 GPS 来实现的，GPS 是美国国防部设计的一项技术，旨在彻底改变美国海军和空军的导航技术。GPS 已经做到了，而且还能做到更多。

什么是平均海平面？

几代人以来，表达地形或测深标高的唯一方法是将其与海平面相关联。大地测量学家曾经认为，海洋与地球的重力平衡，并形成了完美的规则图形。MSL 通常被描述为潮汐数据，它是在特定的 19 年周期内观察到的每小时水位升高的算术平均值。该定义将月球和太阳引力变化影响引起的潮汐高潮和低潮进行平均。

MSL 定义为局部区域的零海拔。高程引用的零表面称为垂直基准。对于地图制作者来说不幸的是，海平面并不是一个简单的表面。由于海面符合地球的重力场，因此 MSL 的丘陵和山谷与陆地表面相似，但更平滑。但是，西班牙定义的零海拔与加拿大定义的零海拔不同，这就是为什么本地定义的垂直基准彼此不同的原因。

MSL 表面处于重力平衡状态。它可以看作是在各大洲下延伸，是大地水准面的近似值。根据定义，大地水准面描述了地球的不规则形状，并且是用于测量高程的真正零表面。由于无法直接观察到大地水准面，因此无法直接测量大地水准面上方或下方的高度，并且无法通过进行重力测量和对表面进行数学建模来推断。以前，无法精确测量大地水准面，因此 MSL 可以粗略地估算它。尽管出于实际目的，假定在海岸线处的大地水准面和 MSL 表面基本相同，但在某些地点，大地水准面实际上可能与 MSL 相差几米。

不同的测量值

GPS 改变了任何地点的高度测量方式。GPS 在其水平和垂直基准面上均使用椭球坐标系，椭球体或扁平的球体用于表示地球的几何模型。

从概念上讲，这种精确计算的椭球体（称为扁圆椭球体）旨在复制 MSL 作为主要的大地测量参考或垂直基准。如果使用此椭球垂直基准，则椭球上方的高度将与 MSL 不同，并且大多数位置的直接高程读数都将很尴尬。造成这种情况的部分原因是，GPS 的海拔高度定义不涉及 MSL，而是涉及称为参考椭球的重力表面。由于参考椭球旨在紧密接近 MSL，因此当两个数字相差很大时，令人惊讶。

TOPEX / POSEIDON 卫星于 1992 年发射，专门设计用于执行非常精确的高空观测。这些测量结果表明，人为误差和 GPS 错误都不是造成椭球和 MSL 测量值之间有时存在重大差异的原因。实际上，由地球海平面产生的三维表面在几何上是不正确的，并且无法通过数学方法计算出其明显的不规则性。这解释了基于椭球的 GPS 高程读数与精确地形图上显示的高程之间的区别。

对加利福尼亚州雷德兰兹市 Esri 总部的海拔读数进行了简短检查，就证明了这些差异。坎普斯高程显示在地形四边形地图和高分辨率数字高程模型（DEM）上，该区域位于 MSL 上方约 400 米处。但是，对于相同位置的精确测量后，未经调整的 GPS 读数通常显示海拔为 368 米。

为什么相距 32 米？GPS 接收器使用由世界大地测量系统（WGS84）椭球估计的理论海平面，它并不完全遵循理论 MSL。用椭圆形近似的 MSL 与重力或地球的质心有关。WGS84 椭球和大地水准面之间的差异随位置而异。继续此示例，尤卡帕（Yucaipa）（位于雷德兰兹以东不到 10 英里的城市）的海拔读数相差 31.5 米。

（补充）中国国内根据目前的经验值来看，这个差异也在 30 米左右。

大地水准面和椭球体随着大地水准面的波动起伏相交。波动起伏是由几种现象引起的，其中最重要的是地球非均质性引起的重力异常的存在。地壳中的岩浆密度分布不 ​​ 均匀。在密度较大的区域，它可能会更高，因此会变凉。密度较小的区域相应地较低且较热。稠密的岩浆施加更强的拉力，导致水团的堆积。对于这些卷是否移动或移动速度知之甚少。如果这些位置确实移动，它们的移动将与其他地质事件的移动速度相同（即非常缓慢）。

从太空获得的精确测量值将应用于 GPS 读数。这些测量基于椭球表面，该椭球表面是从三维笛卡尔坐标系获得的数学上生成的地球模型。GPS 接收器只能提供椭圆（几何）高度。

但是，大多数用户期望与 MSL 相关的准确的海拔读数。因此，较新的 GPS 设备基于使用地理坐标作为输入的公式，表格和矩阵的组合，将“正交”（地理）高度测量结果输出为“幕后”计算结果。提供了从粗糙或精细 DEM 矩阵中获取的地理位置的适当高度，而不是 z 值（或高度）的实际测量值。一些接收器使用大地水准面高度的近似值，以根据椭球高度估算正高。还有一些单位，使用较旧的技术作业，提供基于椭球体的 z 值改正读数。

全球大地水准面定义-Geoid99

GPS 需要一个全球定义的大地水准面，以便 GPS 接收器可以计算所需的正确 z 值作为全局垂直基准的参考面。（美国）国家大地测量局（National Geodetic Survey）开发了 Geoid99，这是一种具有亚米级精度的模型。它被用作零表面以在全球范围内建立一致且准确的高程。但是，尽管达到了令人印象深刻的准确性水平，但由于重力效应，Geoid99 的某些部分仍偏离了 MSL。

由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心，美国国家影像和制图局（NIMA）和俄亥俄州立大学合作开发的地球大地测量模型（EGM96）已用于计算精确度优于一米的大地水准面波动（除缺乏准确的表面重力数据的区域）。该表面的值显示每个位置的 MSL 与用作 GPS 高程读数参考的椭圆形之间的差值。换句话说，EGM96 显示出海洋表面的引力确实是多么不均匀。大地水准面相对于 WGS84 椭球的最大起伏范围为 192 米。最大的异常现象是在印度东南部发现的，该大地水准面位于椭球以下 105 米，并且在印度尼西亚东部发现了最大的膨胀。

“如何”模拟

如果没有重力异常，大陆海岸线将如何变化？简短的答案是，它们看起来就像地球是椭球一样。最大的起伏集中在印度洋北部和印度尼西亚群岛内。因此，将出现目前在澳大利亚北部的阿拉法拉海和卡彭特里亚湾所覆盖的地区。相反，其他地区，如恒河和雅鲁藏布江等南亚主要河流三角洲形成的低地，以及印度河，伊洛瓦底江和湄公河的三角洲，也将下沉。

作为一项智力练习，请想象一下地球是一个椭球体和一个椭球体的几何完美形状。为了可视化这些“假设”场景，使用表示距地球中心的距离的栅格生成了计算机模拟，并使用 ArcGIS Spatial Analyst 扩展程序中的栅格计算器生成了该模拟。通过删除 EGM96 识别出的重力异常来修改地球仪的标准数字高程模型。椭球和椭球的这些几何上正确的表示被用于生成称为 SPHEROID DEM 和 ELLIPSOID DEM 的 GIS 模拟。随附的插图显示了这些形状以及其他场景对陆地和海洋分布的影响。

SPHEROID DEM（球形 DEM）

SPHEROID DEM 是基于以下假设创建的：地球的形状，或更准确地说，以 MSL 表示的地球表面的形状是球形。换句话说，连接质心和假设的等势引力表面的地球半径在地球上各处都相同。半径设置为 6,367,473 米，这是从纬度为 45 度的椭圆参考面到地球中心的距离。

这种几何形状改变为重力改变后的椭球形会导致全球海洋发生变化。极地带距离地球中心相对较远，而这些新的更高的海拔高度将迫使海水流向赤道。同样，赤道区域将相对更靠近地球中心，并且会受到重力的强烈影响。赤道带重力的增加会把海水拉向赤道，形成一个全球性的赤道海洋。

ELLIPSOID DEM（椭球 DEM）

ELLIPSOID DEM 将地球描述为椭球。尽管沿着每个纬度从椭球表面到地球中心的距离都是相同的，但是每个纬度都有其自己的唯一值，即从每个极点到赤道逐渐增加。为了从另一个角度看待这个椭圆形的地球（其物理形状以表面上任何点到地球质量中心的距离为特征），使用 WGS84 基准定义生成了一个网格。每个网格单元值代表从表面到地球质心的距离（以米为单位）。应用了三角函数的复杂组合来创建椭球的表示形式。然后将代表地球当前浮雕的 DEM 添加到椭圆形栅格中。

WGS84 椭球的长轴和短轴之间的差为 42,770 米。赤道半径与两极之一的半径长度之差为 21,385 米-仅占半径的 0.33％。从几何学上讲，地球的“扁平化”相对来说微不足道，但是就地理而言，它具有巨大的影响。

如果地球静止不动

如果地球停止自转并且离心作用不再迫使海洋在赤道周围积聚，将会发生什么？看来世界海洋将分裂为两个极地海洋，而赤道区域将完全干燥。为了对此假设建模，指定了 6,371,146 米的值（距地球中心的距离表示参考椭球上的海平面的近似高度），以将水与土地分开。对于此“假设假设”模拟，海平面的升高是基于这样的假设，即海水量将与今天的水平大致相同。

冰川融化

回到地球的大地水准面表示法，再进行一次模拟，模拟所有冰川融化的地球。如果全球变暖导致南极和格陵兰的大型冰川（目前覆盖所有土地的大约 10％）融化，那么该模拟可能会预测未来只有几百年的距离。如果这些冰川中的水全部释放，MSL 将比当前水位上升约 80 米。

结论

GIS 使探索地球形状的不同概念化的影响以及对各种全球条件进行建模成为可能。

理论结论

GPS 高=椭球高=大地高：点到椭球面的距离。
大地水准面高=正高：点到大地水准面的距离，大地水准面=重力等位面，无法全部测量。
似大地水准面高=正常高：点到似大地水准面的距离，由于大地水准面无法测量，只能尽可能多的选点进行测量，生成似大地水准面。在海面上可以认为似大地水准面和大地水准面重合，而越是起伏大的地区，地球质量越不均匀，差异就越大，需要更多的控制点校正。

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