《理解地球坐标系与高程概念》课件

理解地球坐标系与高程概念本课程将带您深入探索地球坐标系统与高程概念的基础理论与应用实践我们将从地球的三维空间结构开始，逐步解析各类坐标系统的定义、转换与实际应用，以及不同高程系统的概念、区别与选择标准这些知识对于地理信息系统、导航定位、测绘工程、城市规划等领域具有重要的基础作用无论您是相关专业的学生，还是工程技术人员，掌握这些概念将有助于您更准确地处理空间数据，理解位置信息的本质让我们一起踏上这段探索地球空间参考框架的旅程，了解人类如何精确定位地球表面的每一个点什么是地球坐标系？地球坐标系是一种用于确定地球表面上任意点位置的三维定位系统它提供了一个精确描述地球表面和近地空间位置的数学框架，使我们能够以数值化的方式表达地球上的任何位置作为定位与导航的基础，地球坐标系让我们能够准确地定义位置、测量距离、计算方向，并在全球范围内建立统一的空间参考系统这些坐标系统支持着我们日常使用的导航设备、地图服务以及各类地理信息系统实际上，当您使用手机导航或查看地图时，背后正是这套复杂而精确的坐标系统在发挥作用，将抽象的数学模型转化为实用的位置信息服务三维定位系统全球统一标准提供地球表面及其周围空间中建立全球通用的位置参考框架任意点的精确位置导航定位基础支持各类导航、测量和地图制作应用地球三维空间结构地球实际上并非完美的球体，而是一个两极略扁、赤道略鼓的类椭球体，这种形状被称为旋转椭球体由于地球表面的不规则性和内部质量分布的不均匀，其真实形状更接近于大地水准面，即平均海平面向陆地延伸的理想表面为了进行测量计算，科学家们建立了多种地球参考模型最常用的是椭球体模型，它用数学参数精确描述地球的大致形状在某些应用中，为了简化计算，也会采用球体近似，特别是在小尺度区域或需要快速概算的场合理解地球的三维空间结构是建立坐标系统的基础，不同的地球模型会导致不同的坐标参考系统，进而影响位置测量的精确度椭球体近似球体近似真实地球形状数学上用旋转椭球体描述地球形状，具将地球简化为完美球体，便于计算和理实际的地球形状称为大地水准面，是有精确的数学参数，适用于高精度测量解在小区域测量或教学演示中常用，一个不规则的曲面，受地球内部质量分与科学计算不同国家或地区可能采用但存在一定误差对于需要高精度的应布影响，通过重力测量确定它比数学参数略有差异的椭球体模型用场景不适用模型更准确反映地球真实形状地理坐标系基础概念地理坐标系是描述地球表面位置的基本参考系统，最常用的表达方式是经纬度在这个系统中，地球表面的每一个点都可以通过一对角度值（经度和纬度）来唯一确定经纬度实际上是从地心到地表点的连线与参考平面的夹角纬度是指地球表面某点与赤道平面的夹角，北纬为正值，南纬为负值，范围为-90°至+90°经度则是地球表面某点所在的子午面与本初子午面（通过英国格林威治天文台的子午线）之间的夹角，东经为正值，西经为负值，范围为-180°至+180°地理坐标系是曲面坐标系，不便于平面距离计算，因此在实际应用中常需要通过各种投影方式将其转换为平面坐标系，这就是地图投影的基本原理经度概念地球表面点所在子午面与本初子午面的夹角•东经0°-180°，西经0°-180°•格林威治线为0°纬度概念投影基础地球表面点与赤道平面的夹角将球面坐标转换为平面坐标的数学方法•北纬0°-90°，南纬0°-90°•保角、保距、保面积等不同投影特性•赤道为0°，北极点为90°N•实现地图绘制与平面计算经纬度详解经度是指地球表面上某点所在的子午面与本初子午面之间的夹角本初子午面通过英国伦敦郊外的格林威治天文台，被定义为经线向东为东经，向西为西经，各至，共0°180°环绕地球一周经度常用符号（）表示360°λlambda纬度是地球表面上某点与地心的连线和赤道平面的夹角赤道被定义为纬线，向北为北纬，向南为南纬，各至纬度常用符号（）表示纬度也可以用余角表达，即地0°90°φphi心到地表点的连线与地轴的夹角，称为地心纬度在实际应用中，经纬度通常表示为度（）、分（）、秒（）的组合，例如北纬，东经现代和地图应用也常使用十进制度表示，如°′″39°54′27″116°23′17″GPS N

39.9075°,E

116.3881°经度定义纬度定义角度表示法经度线是连接南北两极的半圆弧，所有经线长度相等地纬度线是与赤道平行的圆环，随着向两极移动，纬度圈逐经纬度可以用度分秒（）表示，如，也DMS39°54′27″N球上的任何位置都位于某条经线上，经度值表示该位置所渐变小赤道是最大的纬度圈，被定义为纬线，南北两可用十进制度表示，如前者在传统地图和测0°

39.9075°N在经线与本初子午线的角度差极点的纬度分别为和量中常用，后者在数字系统中更为便捷90°S90°N地心直角坐标系地心直角坐标系是一种以地球质量中心为原点的三维笛卡尔坐标系在这个坐标系中，地球表面及其周围空间中的任何点都可以用一组三维坐标来精确表示，这比X,Y,Z经纬度表达在某些计算中更为直接和便捷通常，轴沿地球自转轴指向北极，轴指向本初子午面与赤道的交点（即经度、纬度处），轴则按右手定则确定，与轴和轴构成正交坐标系这种坐标系提供了地Z X0°0°Y XZ球空间位置的绝对表示方法地心直角坐标系在卫星导航、空间测量和轨道计算等领域有广泛应用，也是地理坐标与投影坐标相互转换的中间桥梁当需要进行复杂的空间几何计算时，地心直角坐标系往往是首选三维笛卡尔空间完整表达地球及近地空间位置坐标轴定义轴指北极，轴指本初子午线与赤道交点Z X原点定义以地球质量中心为坐标原点地心直角坐标系与经纬度坐标系可以相互转换从经纬度转换到地心直角坐标的过程，需要考虑地球椭球体参数反之，从地心直角坐标反算经纬度则需要λ,φ,h X,Y,Z通过迭代计算完成这种转换在现代测绘和导航软件中已经实现自动化处理地球椭球参数地球椭球是描述地球形状的数学模型，它由一系列关键参数定义最基本的两个参数是长半轴（赤道半a径）和短半轴（极半径），前者表示从地心到赤道的距离，后者表示从地心到极点的距离对于地球来b说，约为公里，约为公里，两者差距约公里a6378b635721除了长短半轴外，椭球体还可以用扁率或第一偏心率来表征其扁平程度不同的椭f=a-b/a e=√a²-b²/a球模型会采用略有差异的参数值，以更好地拟合地球在不同区域的实际形状这些微小的差异对高精度测量和定位至关重要椭球参数的选择直接影响坐标计算的精确度，因此在测绘和导航中必须明确使用哪一套椭球参数，否则可能导致定位误差不同国家和地区历史上曾采用不同的椭球参数，造成坐标系统的差异参数名称符号含义典型值（）WGS-84长半轴赤道半径米a

6378137.0短半轴极半径米b

6356752.3142扁率f a-b/a1/

298.257223563第一偏心率e√a²-b²/a

0.0818191908426第二偏心率e√a²-b²/b

0.0820944379496常见地球椭球体全球广泛使用的椭球体（世界大地测量系统）是全球定位系统的基础参考椭球它的长半轴为WGS-841984GPS米，短半轴约为米，扁率为作为国际标准，被用于全球导航、航

6378137.

06356752.31/

298.257223563WGS-84空、海洋等领域，是目前使用最广泛的地球参考椭球中国国家大地坐标系（）采用的椭球体参数与非常接近，其长半轴同为米，但2000CGCS2000WGS-

846378137.0扁率为，两者差异极小自年起正式实施，逐步替代了我国之前使用的北京1/

298.257222101CGCS200020081954坐标系和西安坐标系，成为中国国家测绘基准1980不同椭球体之间的微小差异在日常应用中可能不明显，但在高精度测量和科学研究中却至关重要使用统一的椭球体标准有助于国内数据的一致性以及与国际数据的兼容互通椭球体椭球体WGS-84CGCS2000系统基础参考椭球中国国家测绘标准•GPS•长半轴米长半轴米•a=

6378137.0•a=

6378137.0扁率扁率•f=1/

298.257223563•f=1/

298.257222101国际航空、航海导航标准与差异极小••WGS-84其他历史椭球体克拉索夫斯基椭球体（北京）•54年国际椭球（西安）•197580椭球（国际大地测量参考系统）•GRS80区域性椭球体（如贝塞尔椭球等）•地理坐标与投影坐标地理坐标系统使用经度（λ）和纬度（φ）表示地球表面位置，这是一种基于角度的曲面坐标系统地理坐标直观地反映了地球上的位置关系，但由于地球的曲面性质，使用经纬度难以直接计算平面距离和面积，也不便于在平面地图上展示投影坐标系统则将地球表面投影到平面上，使用直角坐标（X、Y）表示位置这种投影过程不可避免地会产生变形，但能够使距离、面积或角度中的某些特性得到保持投影坐标便于在平面上进行距离计算、面积测量和方向判断，是制图和空间分析的基础在实际应用中，我们常需要在地理坐标和投影坐标之间进行转换例如，GPS设备获取的是地理坐标，而GIS软件中的分析和可视化则常基于投影坐标理解两种坐标系统的区别和联系，对于正确处理空间数据至关重要地理坐标特点投影坐标特点基于经纬度的球面坐标基于X、Y的平面坐标•直观表示全球位置•便于距离和面积计算•不便于平面距离计算•适合平面地图展示•GNSS设备原始数据格式•GIS分析常用格式123坐标转换过程通过投影算法实现转换•基于特定投影方式•需考虑椭球体参数•有特定适用范围投影坐标系种类高斯-克吕格投影（Gauss-Krüger）是我国测绘中最常用的投影方式，它将椭球面投影到横切椭圆柱面上，再展开成平面这种投影在中央经线附近变形最小，随着远离中央经线而逐渐增大为控制变形，通常将区域划分为带状，每带跨经度3°或6°，各带分别建立坐标系统墨卡托投影（Mercator）是一种保角正轴圆柱投影，广泛应用于航海和Web地图服务该投影保持角度和形状不变，但在高纬度地区面积变形严重通用横轴墨卡托投影（UTM）则是对墨卡托投影的改进，将圆柱横切于地球，全球划分为60个投影带，每带宽6°此外还有兰伯特等角投影（保持角度）、阿尔伯斯等积投影（保持面积）、方位投影（保持方向）等多种类型，每种投影都有特定的应用场景和优缺点选择合适的投影方式对于地图制作和空间数据分析至关重要圆柱投影圆锥投影方位投影包括正轴、横轴和斜轴圆柱投将地球表面投影到与地球相切将地球表面投影到与地球相切影，如墨卡托投影、UTM投影或相割的圆锥面上，如兰伯特的平面上，如极射赤平投影和高斯-克吕格投影适合赤道等角圆锥投影适合中纬度地适合极地区域或特定中心点周附近或特定经线附近区域，常区，常用于航空图和区域地围区域，常用于极地地图和星用于导航和国家测绘图空图伪投影不基于几何投影而是通过数学变换得到，如罗宾森投影、温克尔三重投影等适合世界地图，平衡变形以获得视觉美观效果地理坐标与投影互转地理坐标与投影坐标的互相转换是地理信息处理中的基础操作从地理坐标（经纬度）转换到投影坐标（X,Y）的过程，涉及特定的数学投影算法，如高斯-克吕格投影或通用横轴墨卡托投影等转换时需要指定投影类型、椭球体参数、中央经线、投影带号等关键参数反向转换则是从平面投影坐标反算得到对应的经纬度值这两种转换通常需要复杂的数学计算，但现代GIS软件和测绘工具已经内置了这些转换功能，使用者只需选择正确的参数即可需要注意的是，不同的投影类型和参数会导致转换结果存在差异在实际应用中，坐标转换的意义在于连接不同的数据源和工具例如，从GPS获取的经纬度数据需要转换为投影坐标才能在CAD或GIS中进行工程设计；而地形图上读取的投影坐标需要转换为经纬度才能输入到导航设备中使用地理坐标输入经度λ、纬度φ、高程h投影参数设置椭球体、投影类型、中央经线投影算法计算应用数学转换公式投影坐标输出平面坐标X、Y、高程H空间直角坐标与经纬度关系空间直角坐标X,Y,Z与经纬度λ,φ,h之间存在明确的数学关系，两者可以通过坐标变换公式相互转换从经纬度转换到空间直角坐标的公式相对直观X=N+hcosφcosλ，Y=N+hcosφsinλ，Z=[N1-e²+h]sinφ，其中N为卯酉圈曲率半径，e为椭球第一偏心率反向从空间直角坐标计算经纬度则稍复杂，通常需要迭代计算，但原理是确定的这种转换在卫星导航系统中尤为重要，因为GNSS接收机首先获取的是卫星位置和距离信息，通过空间几何关系计算出接收机的空间直角坐标，然后再转换为更直观的经纬度表示在三维立体空间中，空间直角坐标系提供了更为直接的几何表达，便于进行向量计算、距离测量和空间分析而经纬度表达则更符合人类对地球表面位置的认知习惯，便于交流和理解两种表达方式各有优势，在不同场景下灵活应用地球坐标系的实际应用全球导航卫星系统（）是地球坐标系最广泛的应用之一（美国）、北斗（中国）、（俄罗斯）和伽利略（欧洲）等系统都基于精确的地球坐标系统工作GNSS GPSGLONASS GNSS卫星发射的信号包含精确的时间和位置信息，接收机通过测量信号传播时间计算与多颗卫星的距离，从而确定自身的三维坐标地图制图是另一个重要应用领域从传统纸质地图到现代电子地图，都需要将地球表面投影到平面上，这依赖于地球坐标系和投影系统不同尺度和用途的地图选择不同的投影方式，以最大限度地保持所关注区域的几何特性例如，导航地图注重角度保持，而资源规划图则注重面积准确此外，地理信息系统（）、遥感图像处理、土地调查、工程测量、海洋导航、军事定位等众多领域都离不开地球坐标系的支持精确的坐标系统为现代社会的空间信息应用提供了基GIS础保障工程建设与城市规划导航与位置服务工程测量、城市规划、土地管理等领域需要精确的坐标基基础测绘与地形图从车载导航到手机地图，从航空导航到海上定位，各类导航准大型工程项目通常建立统一的坐标系统，确保各部分设国家基本比例尺地形图和专题图的制作依赖统一的坐标系系统都基于坐标系统提供实时位置信息和路径规划不同的计和施工的协调一致统大比例尺测图（如1:500-1:10000）常用高斯-克吕格投应用场景可能使用不同的坐标显示方式影，中小比例尺全国性地图则可能采用兰伯特等角投影等高程的基本概念高程是表示地面点相对于某一基准面高低的数值，是地球表面三维位置描述中垂直方向的度量在日常生活中，我们常说的海拔就是一种高程表示，指地面点高出平均海平面的垂直距离高程信息对于工程建设、防洪规划、航空导航等领域至关重要高程测量需要选择一个参考基准面作为起算点，不同的基准面会导致不同的高程值最常用的基准面包括平均海平面（大地水准面）、似大地水准面和椭球面等由于地球重力场的不均匀性，这些基准面都不是规则的数学曲面，而是具有复杂形状的物理曲面在实际应用中，高程系统的选择取决于具体需求工程测量和水利建设常使用正常高系统（基于似大地水准面），而GPS测量得到的则是大地高（基于椭球面）不同高程系统之间存在差异，需要进行适当的转换才能相互对比使用高程的重要性高程与海拔•确定地面点的垂直位置•海拔指相对于平均海平面的高度•提供地形起伏信息•高程是更广义的垂直距离概念•支持水流方向分析•可以基于不同基准面计算•指导工程设计与施工•通常以米为单位表示高程测量方法•水准测量（最精确）•三角高程测量•GNSS高程测量•气压高度计测量高程基准面定义大地水准面是一个与平均海平面大致吻合并延伸至陆地下方的等位面，它在每一点都与当地的铅垂线垂直这是一个受地球重力场影响的物理曲面，由于地球内部质量分布不均匀，大地水准面呈现出波状起伏传统上，海拔高程以大地水准面为基准面测量似大地水准面是对大地水准面的数学近似，通过重力测量和计算得到它是一个更为光滑的曲面，便于实际应用中国采用的国家高程基准就是基于似大地水准面建立的正1985常高系统，这在工程测量和水利建设中广泛使用椭球面是描述地球形状的数学模型，是一个光滑规则的回转椭球面与大地水准面不同，椭球面不考虑重力场变化，纯粹是几何定义的测量得到的高程通常是椭球高，即GNSS地面点到椭球面的距离，需要通过大地水准面差值（大地水准面高）转换为正常高（海拔）大地水准面似大地水准面物理定义的等重力位面，与平均海平面近似一致大地水准面的数学近似，便于实际应用大地水准面差值椭球面椭球面与大地水准面之间的高度差数学定义的规则曲面，便于计算和测量高程系统的类型高程系统是描述地面点垂直位置的理论体系，根据基准面和测量方法的不同，分为多种类型正高系统直接基于大地水准面，测量地面点到大地水准面沿铅垂线的距离这种高程概念最为直观，但由于大地水准面难以精确确定，实际应用受限正常高系统是目前国际上最广泛采用的高程系统，它基于似大地水准面，考虑了重力场的影响但又避免了直接测定大地水准面的困难中国的国家高程基准即采用正常高系统，通过1985全国水准网络实现高程传递和统一力高系统（也称动力高）与地球重力场的势能直接相关，表示点位的重力位能大地高程系统则是基于数学椭球体的几何高程，即地面点到椭球面沿椭球面法线的距离测量直接GNSS得到的就是大地高程，常需转换为正常高才能与传统测量数据比较正高系统基于大地水准面，最为直观正常高系统基于似大地水准面，实用性强力高系统3基于重力位能，理论意义明确大地高程系统基于椭球面，卫星测量直接获取正高介绍正高是指从地面点沿铅垂线到大地水准面的距离这种高程最符合我们的直观认识，表示点位相对于平均海平面的垂直距离由于铅垂线方向受到地球重力场的影响，正高的方向并不完全指向地心，而是与当地水平面垂直在水准测量中，我们实际测得的是点与点之间的高差，但这种高差并不等于正高差，需要进行重力改正理论上，将水准测量的高差累加并进行适当的重力改正，就可以得到正高然而，由于大地水准面难以精确确定，实际应用中很少直接使用纯粹的正高系统正高的物理意义非常明确，它直接反映了水流的方向性和点位的势能高低，对水利工程、防洪排涝等工作具有重要意义在一些特殊的地球物理研究中，如研究地球重力场变化、地壳形变等，正高仍然是一个重要的理论概念

18720.01首次提出年份高精度米正高概念由德国测量学家赫尔默特首次提出现代一等水准测量可达厘米级精度100%物理相关性与水流方向完全一致，表示真实高低正常高介绍正常高是目前国际上使用最广泛的高程系统，它以似大地水准面为基准，考虑了重力场影响但避免了直接测定大地水准面的困难正常高可以通过水准测量结合正常重力场计算得到，其值与实际点位到平均海平面的距离非常接近，具有良好的实用性中国国家高程基准采用的就是正常高系统通过全国水准点网络，将青岛验潮站确定的起算点高程传递到各地，形成统一的高程控制网络这为各类工程建设、国土测1985绘和科学研究提供了可靠的高程基准相比正高，正常高的优势在于可以更便捷地测算，不需要获知地下密度分布等难以测量的参数正常高与正高的差异通常很小，在平原地区可能只有几厘米，但在山区可能达到几十厘米在大多数工程应用中，这种差异可以忽略不计力高简介力高（也称动力高）是一种从重力位能角度定义的高程系统，它表示地面点的重力位能与参考面（通常为大地水准面）重力位能的差值，除以某一参考点（如赤道面）的重力加速度力高反映了点位的势能状态，在地球物理研究中具有重要意义力高系统的特点是完全基于物理定义，与水流方向有直接关系，理论上任何两点间的力高差决定了水的流动方向然而，力高不是一个几何高度，无法直接测量，需要通过重力测量和理论计算获得由于计算复杂且难以直观理解，力高系统在工程实践中较少使用在严密的大地测量和地球物理研究中，力高仍然是一个重要概念特别是在研究地球重力场、大地水准面确定等领域，力高是连接观测数据与理论模型的桥梁国际上有些高精度科学研究项目会应用力高系统进行分析和计算力高定义力高特点力高应用力高是点位的重力位能与参考面重力位能的力高完全基于物理定义，与地球重力场直接力高主要应用于地球物理研究、重力场研究差值，除以参考重力加速度其数学表达式相关它反映了水流的实际方向，任何两点和大地水准面确定等科学研究领域在需要为，其中是参考面的重间的力高差决定了水的流动趋势然而，力严格考虑重力场影响的高精度大地测量工作H=W₀-W/g₀W₀力位，是点位的重力位，是参考重力加高不是几何意义上的高度，更多反映能量差中，力高也有重要应用，但在一般工程测量W g₀速度异中较少直接使用大地高程大地高程（椭球高）是指地面点沿椭球面法线到参考椭球面的距离与正常高和正高不同，大地高程是一个纯几何概念，不考虑重力场影响，完全基于数学椭球体定义这使得大地高程在计算上相对简单，特别适合与卫星定位系统配合使用GNSS接收机（如GPS、北斗等）测量得到的高程值即为大地高程这是因为卫星定位系统直接测量的是接收机天线相对于参考椭球面的三维坐标在许多GNSS应用中，例如导航、定位和测绘，原始数据都是基于大地高程的然而，大地高程并不反映实际的水流方向和地形高低，与我们常用的海拔（正常高）存在差异这种差异被称为大地水准面差值（N值），在平原地区可能为十几米，在山区可能达到几十米因此，在工程应用中使用GNSS测量高程时，通常需要将大地高程转换为正常高GNSS测量卫星导航系统直接获取椭球高几何定义点到椭球面的法线距离转换计算需应用水准面差值转为正常高应用场景航空导航、测绘基准、大地测量高程系统的选择与适用范围在实际工作中，高程系统的选择应根据具体应用需求和技术条件确定对于地面工程测量、水利建设、城市规划等领域，正常高系统（基于似大地水准面）通常是首选，因为它既考虑了重力场影响，又便于实际操作中国的国家高程基准即采用正常高系统，全国大部分工程建设和测绘工作都参照此系统1985对于卫星测量、航空航天和全球定位导航等应用，大地高程系统（椭球高）则更为适用这是因为设备直接提供椭球高数据，使用统一的全球椭球模型便于世界范围内的位置一致性特别GNSS是在跨国界的应用中，如国际航线导航、全球地理信息系统等，椭球高具有明显优势在科学研究领域，特别是地球物理学和大地测量学研究中，根据研究目的可能会使用正高或力高系统当研究地球重力场或大地水准面时，这些与物理意义更直接相关的高程系统具有不可替代的作用不同高程系统可以通过已知的转换关系进行换算，满足不同应用的需求高程系统基准面主要特点适用领域正常高似大地水准面考虑重力影响，便于实际测量工程建设、水利、测绘大地高参考椭球面几何定义，计算简便定位、航空导航GNSS正高大地水准面物理意义明确，与水流方向一致水文分析、海岸工程力高等位面系统完全基于重力位能地球物理研究、理论分析高程参考零点与基准点高程系统的建立需要选择一个起算面（零点），作为高程测量的基准国际上，多数国家选择平均海平面作为高程零点，通过长期验潮观测确定这种选择具有自然的物理意义，因为平均海平面近似于一个等位面，反映了地球重力场的等势面特性在中国，我国1985国家高程基准的起算点位于山东青岛，通过长期潮位观测确定位于青岛市内的国家高程基准点是一个重要的测量标志，其绝对高程值为

72.260米从这一基准点出发，通过全国

一、二等水准网络，将高程值传递到全国各地，形成统一的高程控制网高程基准点的稳定性和精确性对整个国家的测绘系统至关重要为保证基准点的可靠性，通常会建立周密的监测网，定期复测检查基准点的稳定性此外，随着科学技术的发展和测量精度的提高，高程基准也会进行更新和完善，以适应现代测绘和工程建设的需要历史演变中国历史上先后采用过黄海高程系统、1956年黄海系统和1985国家高程系统，逐步提高了精度和覆盖范围基准点建设国家高程基准点采用特殊材料建造，有严格的保护措施，并建有永久性标志和保护设施高程网络通过全国水准网络，将基准点高程传递至各省市，形成覆盖全国的高程控制体系维护更新定期进行全国性水准测量复测，检验和维护高程网络的精度和可靠性国家高程基准19851985国家高程基准是中国目前使用的官方高程系统，它以青岛验潮站1952-1979年平均海平面作为基准面，采用正常高系统该系统的起算点位于山东青岛，绝对高程值为

72.260米，这一高程值是通过长期验潮观测并与历史水准测量成果综合平差计算得出的1985国家高程基准的建立经历了大规模的全国水准测量工作，形成了覆盖全国的高精度水准网该网络由一等、二等、三等和四等水准路线组成，一等水准网构成全国高程控制的骨架，测量精度达到±

2.0mm√L（L为公里数）这一严密的控制网保证了全国测绘和工程建设使用统一的高程基准自1985年正式实施以来，这一高程系统在全国范围内广泛应用于测绘、水利、交通、城建等各个领域所有涉及高程的工程设计和建设都必须采用或换算至1985国家高程系统，以确保工程的协调一致和安全可靠定期的复测和维护工作保证了高程网络的长期稳定性和可靠性1985建立年份国务院批准实施的全国统一高程基准

72.26基准点高程米青岛基准点的绝对高程值±

2.0精度毫米/公里一等水准测量的标准误差80000控制点数量个全国水准点网络的规模珠江基面说明珠江基面是中国南方地区特别是广东省早期使用的区域性高程基准系统它以珠江口的平均海平面作为基准面，主要服务于珠江三角洲及周边地区的测绘和工程建设这一区域性高程系统在历史上对南方地区的城市建设和水利工程发挥了重要作用与1985国家高程基准相比，珠江基面是一个独立的区域性高程系统，两者之间存在系统性差异具体而言，珠江基面的高程值一般比1985国家高程基准的高程值约低

0.20米左右，这一差异在工程转换中需要特别注意随着全国高程统一工作的推进，珠江基面已逐步过渡到1985国家高程系统然而，在历史遗留的工程资料、老地图和部分早期建设的基础设施中，仍可能使用珠江基面的高程数据因此，在南方地区特别是广东省的工程建设和测绘工作中，需要明确所用高程数据的基准系统，必要时进行转换，以避免混用不同高程系统带来的工程安全隐患历史背景基准特点转换关系珠江基面是广东地区早期使用的区域性以珠江口平均海平面为基准面，与全国在工程中需要注意新旧高程系统的转高程基准，建立于20世纪50年代，主要统一的1985高程系统存在约

0.20米的系换，一般可使用转换公式H1985=H服务于珠江三角洲地区的水利和城市建统性差异，珠江基面的高程值较低珠江+ΔH，其中ΔH为当地的系统改正设工程数过渡状态随着全国高程统一工作的推进，珠江基面已逐步被1985国家高程系统取代，但在老旧工程资料中仍有使用海拔与大地高的本质区别海拔（正常高）和大地高（椭球高）是两种不同的高程表示方法，其本质区别在于参考基准面的不同海拔是地面点到似大地水准面（近似于平均海平面）的距离，它反映了地面相对于平均海平面的真实高低，与水流方向和重力场有直接关系我们日常生活中所说的海拔高度就是指正常高大地高则是地面点沿椭球面法线到参考椭球面的距离，它是一个纯几何概念，不考虑重力场的影响接收机（如、北斗等）测量得到的高程即为大地高GNSS GPS由于参考椭球面与大地水准面不重合，且二者之间的差异在全球范围内并不均匀，因此海拔和大地高之间存在差异这种差异被称为大地水准面差值（值或大地水准面高），它的大小因地理位置而异，在中国大陆地区一般为米至米不等例如，如果某地的大地水准面差值N-30+80为米，则该地的大地高比海拔高约米在实际应用中，需要根据当地的大地水准面模型将测得的大地高转换为海拔高度4040GNSS海拔（正常高）大地高（椭球高）两者关系参考基准面似大地水准面（平均海平面的延伸）参考基准面数学定义的椭球面转换公式大地高海拔大地水准面差值=+物理意义反映地面相对于平均海平面的高低，与物理意义纯几何高度，不反映实际地形高低差异大小全球范围内从米到米不等-100+80水流方向一致测量方法通过卫星定位系统直接获得差异分布具有区域性特征，需要通过模型计算GNSS测量方法主要通过水准测量获得应用领域卫星导航、航空飞行、大地测量精度影响忽略差异可能导致严重高程误差应用领域工程建设、水利规划、地形图制作测高解读GPSGPS（全球定位系统）等GNSS系统测量高程的原理是基于卫星定位，接收机通过接收多颗卫星的信号，计算出接收点的三维空间坐标需要特别注意的是，GPS直接测得的高程是大地高（椭球高），即接收点到WGS-84参考椭球面的距离，而非我们常说的海拔高度（正常高）GPS测高的精度通常低于平面定位精度，这是由卫星几何分布造成的由于我们只能接收到上半球的卫星信号，导致高程方向的精度较差，一般单点定位的高程精度在10-20米左右使用差分GPS或RTK技术可以显著提高测高精度，差分GPS可达亚米级，RTK可达厘米级将GPS测得的大地高转换为海拔高度，需要应用大地水准面模型转换公式为海拔高度=大地高-大地水准面差值现代GPS接收机和导航设备通常内置了大地水准面模型，可以自动进行这种转换，但转换精度取决于所用模型的精确度在高精度测量中，往往需要使用更加精细的区域性大地水准面模型来提高转换精度、的关系H H大地高（）与海拔正常高（）之间存在明确的数学关系，可以通过公式表示为，其中是大地水准面差值（或称大地水准面高），表示似大地水准面到椭球面的H/H H=H+N N距离这一关系是理解和应用不同高程系统的关键大地水准面差值在全球范围内分布不均，它反映了地球重力场的不规则性在中国大陆地区，值大致在米至米之间变化例如，在我国西部青藏高原地区，值可能高N N-30+80N达米至米，这意味着同一地点的大地高要比海拔高出米而在东部沿海地区，值相对较小，约为米至米+40+8040-80N-20+20准确获取当地的值对于高程转换至关重要目前已有多种方法可以获取值通过全球或区域性大地水准面模型计算；通过已知点的高程对比推算；或通过特定地区的值格网直N NN接插值获取随着测量技术的发展和重力场模型的改进，值的精度也在不断提高，为更准确的高程转换提供了保障N转换公式1大地高=海拔+大地水准面差值模型计算通过重力场模型确定值N区域分布值在全球呈现不规则分布N精度要求4高精度工程需高精度值N重力等位面概念重力等位面是地球重力场中势能相等的曲面，它在每一点都与当地的铅垂线（重力方向）垂直最为重要的等位面是大地水准面，它近似于全球平均海平面，如果海水仅受重力作用且静止不动，它将形成一个完美的等位面重力等位面是理解正常高和正高物理意义的基础概念由于地球内部质量分布不均匀，重力等位面呈现出不规则的波状起伏，而非规则的椭球形这种不规则性直接影响了高程系统的建立和应用正常高系统基于一系列假想的等位面，通过将实际测量的高差进行重力改正，得到点位在等位面系统中的位置重力等位面的物理意义在于，它直接关联水流方向和势能分布水总是从高位能流向低位能，因此沿等位面水不会流动，而垂直于等位面的方向是水流最陡峭的方向这一特性使得基于等位面的高程系统（如正常高系统）在水利工程、防洪规划等领域具有实际应用价值水文意义物理本质重力等位面决定了水流方向，水总是垂直于重力等位面是重力势能相等的曲面，在地球等位面流动，从高位能流向低位能区域水重力场中呈现不规则分布这种不规则性源利工程中的水流计算和预测依赖于对重力等于地球内部质量分布不均和地表形态差异位面的准确理解测量影响传统水准测量需要考虑重力场影响，通过重力改正将观测高差转换为正常高差现代精密水准测量同时进行重力观测，以提高高程测定精度实际高程转换流程在实际工程应用中，经常需要进行高程系统之间的转换，特别是将GPS测得的大地高转换为工程中使用的正常高（海拔）这一转换流程通常包括以下步骤首先，使用GPS/GNSS设备获取测点的大地高（椭球高）；其次，确定该点的大地水准面差值N，可通过查询现有的大地水准面模型或利用已知高程点进行内插；最后，应用公式H=H-N计算得到正常高在一些高精度工程中，为提高转换精度，常建立局部拟合模型这需要在工程区域内选取一定数量的控制点，同时测定其大地高和正常高，计算实际N值，然后建立适合该区域的拟合模型，如平面拟合或曲面拟合这种局部拟合模型可以显著提高区域内高程转换的精度，达到厘米甚至毫米级不同高程系统之间的转换也是常见需求例如，将历史资料中使用的旧高程系统（如北京54高程系统）转换到现行的1985国家高程系统，通常需要应用系统性改正数这些改正数可通过比对两个系统中的已知点高程差异获得，或从官方发布的转换参数中查询随着测绘技术的发展，高程转换工具和软件也日益完善，使得这一过程更加便捷可靠GPS数据获取使用GPS/GNSS接收机获取测点的WGS-84坐标和椭球高根据需要，可能需要进行坐标系统转换，如从WGS-84转换到CGCS2000精度要求较高时，应采用静态测量或RTK测量方式大地水准面模型选择根据工程区域和精度需求，选择合适的大地水准面模型可使用全球模型（如EGM2008）或区域模型（如中国大地水准面2000）特殊工程可能需要建立局部精化模型N值计算与校核利用选定的模型计算测点的N值如果区域内有已知的高程控制点，应通过这些点校核N值的准确性，必要时进行调整大型工程通常需要建立区域内的N值格网正常高计算与检验应用公式H=H-N计算得到正常高通过与已知水准点比对，检验转换结果的精度对于成果点，应明确标注高程系统和转换方法，确保数据的可靠性和可追溯性坐标与高程系统的结合现代地理空间信息应用通常需要同时处理平面坐标和高程数据，形成完整的三维空间定位体系一个完整的空间参考系统包含水平坐标系统（如CGCS2000地理坐标系或高斯-克吕格投影坐标系）和垂直坐标系统（如1985国家高程系统）在实际应用中，这两个系统需要协调统一，共同支持三维空间数据的获取、处理和表达在地理信息系统（GIS）中，空间数据通常包含X、Y、Z三个坐标分量，其中X和Y表示平面位置，Z表示高程不同类型的GIS数据对高程属性有不同要求数字高程模型（DEM）直接表示地表高程；三维建筑模型需要建筑物的绝对高程和相对高度；而三维管线数据则需要精确的埋深和高程信息以支持地下空间规划随着三维GIS技术的发展，高程数据的重要性日益凸显精确的三维空间数据能够支持更复杂的空间分析，如视域分析、洪水模拟、噪声传播模拟等特别是在智慧城市建设中，融合平面坐标和高程信息的三维城市模型成为基础数据设施，支持城市规划、应急管理、环境监测等多种应用国内标准坐标系举例中国2000国家大地坐标系（CGCS2000）是我国现行的国家大地坐标系，于2008年正式实施它采用与ITRF97一致的地心坐标系和与GRS80基本相同的参考椭球，长半轴为6378137米，扁率为1/

298.257222101CGCS2000与国际通用的WGS-84坐标系非常接近，在一般应用中可视为相等，这极大地方便了国际数据交换和合作1980西安坐标系是CGCS2000之前的国家坐标系，采用1975年国际椭球体，以西安为原点建立了相对独立的坐标系统北京54坐标系则更早，以北京为原点，采用克拉索夫斯基椭球体这些历史坐标系的数据在国内仍有大量存在，许多历史地图和工程资料都基于这些旧坐标系，因此了解它们与CGCS2000的转换关系至关重要在实际应用中，CGCS2000地理坐标常通过高斯-克吕格投影转换为平面直角坐标，全国划分为3度带和6度带两种投影带系统此外，一些特定工程或城市建设可能采用独立坐标系（如城市独立坐标系），这些局部坐标系通常建立了与国家坐标系的转换关系，确保数据的互通性CGCS2000坐标系1980西安坐标系•2008年正式实施的国家标准•1980-2008年间的国家标准•与国际ITRF和WGS-84接近•采用1975年国际椭球•参考椭球长半轴6378137米，扁率•以西安为大地原点1/

298.257222101•与CGCS2000存在系统性偏差•适用于全国各类测绘和工程建设北京54坐标系•1954-1980年间的国家标准•采用克拉索夫斯基椭球•以北京为大地原点•仍在部分历史资料中使用国际通用坐标系WGS-84（世界大地测量系统1984）是目前国际上使用最广泛的坐标系统，特别是在全球导航和定位领域它由美国国防部建立并维护，作为GPS系统的基础参考系统WGS-84采用地心坐标系，其参考椭球的长半轴为6378137米，扁率为1/

298.257223563由于GPS的普及，WGS-84已成为国际地理数据交换的事实标准在全球地图制作和GIS应用中，通用横轴墨卡托投影（UTM）系统被广泛采用UTM将地球划分为60个投影带，每带宽6度经度每个投影带使用横轴墨卡托投影，中央经线的比例因子设为

0.9996，以控制整个带内的变形UTM坐标通常用带号+北坐标+东坐标表示，如50N2500000500000，便于全球范围内的位置表达和计算除WGS-84外，还有其他国际地心坐标系，如国际地球参考框架（ITRF）和欧洲地球参考框架（ETRF）等这些坐标系之间存在微小差异，主要是由于建立时间、观测数据和处理方法的不同在高精度应用中，需要考虑这些差异以及地球板块运动导致的坐标变化，而在一般应用中，这些差异通常可以忽略本地化坐标系统案例在特定区域或工程项目中，往往会建立本地化坐标系统，以适应特定需求并简化计算城市独立坐标系是典型的本地化坐标系统，它通常以城市中心或重要地标为原点，建立平面直角坐标系统例如，上海市曾采用独立坐标系，以上海市中心为原点，X轴指向正北，Y轴指向正东，形成简单直观的平面坐标系统不同地区可能采用不同的本初子午线作为经度计算的起点虽然国际上通用格林威治子午线（0°经线），但历史上一些国家和地区使用过本国的重要地点作为本初子午线，如巴黎子午线、华盛顿子午线等此外，一些特殊工程如隧道、桥梁、矿区等可能采用与工程走向一致的坐标轴，建立工程坐标系，以便于施工放样和管理本地坐标系与国家标准坐标系之间通常建立严格的转换关系，确保数据互通这种转换可能包括平移、旋转、缩放等几何变换，具体参数通过控制点测量确定随着国家统一大地坐标系的推广，许多地区已逐步放弃独立坐标系，转而直接采用国家坐标系，但了解这些本地坐标系仍对处理历史数据和特殊工程有重要意义1城市独立坐标系以城市中心为原点的平面直角坐标系，简化城市测量和规划工作•便于城市内部位置表达•多数已过渡至国家坐标系2工程专用坐标系根据工程特点建立的临时坐标系统•轴向通常与工程走向一致•简化施工放样和监测计算3矿区坐标系用于矿产资源勘探与开发的专用坐标系•考虑地下空间特点•与地表坐标系统建立联系坐标系统转换实例坐标系统之间的转换是测绘和GIS工作中的常见任务，涉及不同类型的坐标变换最基本的是地理坐标（经纬度）与投影坐标（平面直角坐标）之间的转换，这涉及特定的投影算法，如高斯-克吕格投影例如，将北京天安门的地理坐标（

39.90°N,

116.39°E）转换为3度带高斯投影坐标，需要确定带号（39带），然后应用投影公式计算X、Y值空间直角坐标与地理坐标之间的转换是三维应用中的关键步骤从地理坐标（λ,φ,h）到空间直角坐标（X,Y,Z）的转换相对直接，但反向转换则需要迭代计算例如，GPS接收机获取的原始数据是卫星和接收机的空间直角坐标，需要转换为地理坐标才能在地图上显示位置不同坐标系统之间的转换，如从WGS-84到CGCS2000，或从旧的北京54坐标系到现行国家坐标系，通常采用七参数或布尔莎模型进行这些转换需要已知的控制点在两个坐标系中的坐标，通过最小二乘拟合计算转换参数现代GIS软件和测量工具通常内置了这些转换功能，使用户只需选择适当的参数即可完成转换地理坐标→投影坐标将经纬度通过特定投影算法转换为平面直角坐标高斯-克吕格投影是中国常用的投影方式，计算过程涉及椭球参数、中央经线和投影带宽等参数空间直角坐标→地理坐标将地心坐标系中的X,Y,Z值转换为椭球面上的经纬度和高程这一过程在GNSS定位中至关重要，通常需要迭代计算以获得精确结果坐标系统间转换不同坐标系之间通常通过七参数变换实现，包括三个平移量、三个旋转角和一个尺度因子这种转换适用于从旧坐标系到新坐标系的数据迁移高程系统的国际差异全球各国使用的高程系统存在显著差异，主要体现在参考面选择和测量原点上美国采用北美垂直基准面（），以魁北克附近的一个固定点为起算点，而非直接使用海平面欧洲则建立了欧洲垂直参考系统NAVD88（），采用阿姆斯特丹潮位站的平均海平面作为基准这些系统之间的高程差异可能达到几十厘米甚至更EVRS多高程系统的国际差异对跨国界工程和数据共享带来挑战例如，在国际边界地区的水利工程、跨国铁路或桥梁建设中，必须明确各国使用的高程系统，并进行适当的转换否则，可能导致工程接口不匹配或防洪标准不一致等问题在国际航空和航海导航中，则需要统一的高程基准以确保安全为促进国际高程数据的互通与共享，国际大地测量协会正推动建立全球高程参考框架该框架基于地球IAG IHRF重力场模型，旨在提供全球统一的高程参考系统虽然这一工作仍在进行中，但已有一些区域性的高程统一项目，如欧洲的欧洲垂直网络和北美的国际大地水准面统一项目等，为未来全球高程一体化奠定了基础EUVN国家地区高程系统名称基准面起算点/中国国家高程基准黄海平均海面青岛验潮站1985美国北美垂直基准面重力等位面魁北克Father PointNAVD88欧洲欧洲垂直参考系统阿姆斯特丹标准阿姆斯特丹验潮站NAP EVRS日本日本高程基准东京湾平均海面东京湾验潮站俄罗斯波罗的海高程系统波罗的海平均海面克朗施塔特验潮站数据融合时高程一致性处理在地理信息系统和空间分析中，经常需要融合来自不同来源的空间数据，如卫星影像、航空摄影、激光雷达和实地测量等这些数据可能采用不同的高程系统，导致直接叠加使用时出现高程不一致问题例如，卫星影像可能基于椭球高，而地面测量数据则使用国家高程基准的正常高不处理这些差异将导致分析结果失真WGS-841985确保高程一致性的关键步骤包括首先明确各数据源的高程系统类型和参数；其次，选择一个目标高程系统，通常是项目区域内最常用的系统；然后，使用适当的转换模型和参数将所有数据转换到统一高程系统对于重要工程，还应进行实地检核，通过已知高程控制点验证转换的准确性，必要时进行局部调整优化在处理历史数据或来源不明确的数据时，高程系统判断可能面临困难这时可采用间接方法与已知高程的地形图或数字高程模型比对；利用区域内的水系特征（水流总是从高处流向低处）进行逻辑判断；或通过与周边已知高程点的对比分析，推断数据可能采用的高程系统，为后续转换提供依据数据高程系统识别统一目标系统选择确定各数据源的高程基准和类型选定项目使用的统一高程系统一致性检验与优化高程转换计算通过控制点验证并局部优化应用适当模型和参数进行转换地球坐标与高程在应用GIS在地理信息系统GIS中，地球坐标系统和高程信息是空间数据的基础数字高程模型DEM是表示地表高程的栅格数据集，它记录了规则格网点的高程值，通常基于特定的高程系统DEM是许多空间分析的基础，如坡度分析、坡向计算、可视域分析、流域划分和洪水模拟等不同分辨率和精度的DEM适用于不同尺度的分析，从全球地形研究到精细的城市规划空间分析结果的准确性与所使用的高程数据密切相关例如，在洪水风险分析中，高程误差可能导致淹没范围预测的显著差异；在选线工程中，高程精度直接影响路线设计和工程量计算因此，GIS分析前需要评估高程数据的来源、精度和适用性，确保分析结果的可靠性现代GIS软件提供了丰富的工具支持高程数据处理和分析这些工具可以生成等高线、计算体积、创建剖面图、进行可视化渲染等随着三维GIS技术的发展，高程数据的应用范围进一步扩大，支持了城市三维建模、景观规划、虚拟现实和增强现实等新兴应用，为决策提供了更直观的空间信息支持30m全球DEM分辨率SRTM提供的全球中等精度DEM5m区域DEM精度一般地形图生成的DEM精度

0.5m城市DEM精度激光雷达等技术获取的高精度DEM90%应用覆盖率需要高程数据的GIS分析比例三维地理信息系统三维地理信息系统将传统二维扩展到三维空间，实现了坐标与高程的完全耦合在三维中，空间数据不再是简单的平面图层叠加，而是构建了真实的三维空间模型，包括GIS GIS地形表面、建筑物、植被、地下管线等要素，每个要素都有精确的三维坐标属性这种完整的空间表达使得空间分析和可视化更加直观和准确三维地形可视化是三维的基础功能，它通过数字高程模型和纹理贴图技术，生成逼真的地形模型结合高程着色、坡度坡向分析、三维等高线等表达方式，可以直观展GIS DEM示地形起伏特征高级的三维地形可视化还可以模拟光照效果、渲染植被覆盖、添加水体动态效果等，创造出接近真实世界的虚拟环境三维在城市规划、灾害管理、环境监测等领域有广泛应用例如，在城市规划中，三维模型可以评估新建筑物对城市天际线和视觉廊道的影响；在灾害管理中，可以模拟洪水GIS淹没范围和疏散路线；在环境监测中，可以分析污染物扩散和噪声传播随着虚拟现实和增强现实技术的融合，三维正向更沉浸式的体验方向发展GIS地形可视化城市三维建模三维分析与模拟通过高程数据和纹理贴图技术创建的逼真地形模型，可模结合建筑物高度、形状和纹理信息的精细城市模型，用于基于三维空间数据的高级分析功能，如洪水模拟、污染扩拟不同时间的光照效果，直观展示地形特征，支持虚拟飞城市规划、景观设计和视觉影响评估，支持阴影分析和可散、噪声传播等，为决策提供直观的可视化支持，增强对行和漫游视域计算复杂现象的理解卫星定位高程误差分析卫星定位系统（如GPS、北斗等）测量的大地高与实际使用的正常高之间存在系统性偏差，这主要源于参考面的不同卫星测量基于椭球面，而工程应用通常基于似大地水准面这种偏差在不同地区差异明显，从几米到几十米不等例如，在我国西部山区，大地高可能比正常高高出70-80米，而在东部沿海地区，这一差值则小得多，可能只有几米除了系统性偏差外，GNSS高程测量还受多种误差源影响，导致其高程精度通常低于平面精度主要误差来源包括卫星几何分布不佳（仅能接收上半球卫星信号）；大气延迟（特别是电离层和对流层延迟对高程影响更大）；多路径效应（地面反射信号干扰）；天线相位中心变化等这些因素综合作用，使得单点定位的高程精度一般只有10-20米提高GNSS高程精度的方法包括采用差分技术或RTK技术，可将高程精度提高到厘米级；进行长时间的静态观测，通过数据累积减少随机误差；使用精确的大地水准面模型进行高程转换；在重要工程中，结合水准测量进行高程约束和校正此外，多系统联合解算（如GPS+北斗+GLONASS）也能有效提高高程测定的可靠性和精度卫星几何分布仅上半球可见卫星导致垂直精度降低大气延迟影响电离层和对流层延迟对高程影响更大多路径效应地物反射信号造成接收干扰转换模型误差大地水准面模型精度影响转换结果高程基准的维护与复核高程基准系统的长期稳定性对国家测绘和工程建设至关重要，因此需要建立完善的维护和复核机制国家水准网是高程控制的骨架，包括不同等级的水准点，从一等到四等，精度逐级降低但覆盖更广高程基准维护首先是对这些水准点进行定期复测，检查其稳定性和可靠性，特别是一等水准点，通常每10-15年进行一次全面复测地面沉降是影响高程基准稳定性的主要因素，特别是在地下水过度开采、矿产资源开发和软土地基区域例如，我国华北平原和长江三角洲等地区存在明显的区域性沉降，某些城市地区年沉降率可达厘米级此外，地震活动、构造运动和冻土融化等因素也会导致地面高程变化针对这些变化，需要建立动态监测系统，及时发现异常并更新高程控制网现代技术为高程基准维护提供了新手段连续运行的GNSS参考站网络可以实时监测区域地壳运动；水准与GNSS相结合的混合观测提高了效率和覆盖范围；新型高精度重力仪和干涉测量技术增强了大地水准面模型的精度这些技术的应用使高程基准维护更加高效和精确，为国家空间数据基础设施提供可靠保障水准网复测定期对国家水准网进行复测，检验水准点稳定性并更新高程值一等水准测量精度要求±2mm√L，复测周期通常为10-15年地面变形监测在地面沉降区建立专门的监测网，采用水准测量、GNSS观测和InSAR等技术进行连续监测，及时掌握高程变化趋势高程基准更新根据监测结果和科学研究成果，适时更新国家高程基准参数和控制点高程值，确保高程系统的现势性和可靠性数据管理与服务建立高程控制点数据库和在线服务系统，方便用户查询和使用最新的高程数据，支持各类工程和科研需求我国高程系统发展历程我国高程系统的现代化发展始于世纪年代年代初，以青岛为起算点的黄海高程系统开始建立，这是新中国成立后第一个全国性高程基准系统由于当时测量条件有限，这一系20501950统覆盖范围有限，主要在东部和中部地区使用，且精度相对较低年，我国重新调整并确定了以青岛验潮站年平均海平面为基准的黄海高程系统，同时开始大规模的全国水准测量工作这一系统扩大了覆盖范围，提高了测量精19561950-19561956度，但仍有完善空间到了年代，随着国家经济建设和测绘技术的发展，对高程系统的精度和覆盖提出了更高要求1980年，国务院批准实施了国家高程基准，采用青岛验潮站年的长期平均海平面作为基准面，建立了覆盖全国的高精度水准网这标志着我国高程系统进入现代化阶198519851952-1979段近年来，随着卫星测量技术的发展和对全球变化的关注，我国正在建设新一代高程基准网络，整合传统水准测量与重力测量技术，提高高程系统的精度和时空分辨率GNSS/初创阶段（）1950s建立最早的黄海高程系统发展阶段（）1956-1985形成黄海高程系统，扩大覆盖1956现代阶段（）1985-20103实施国家高程基准，全国统一1985创新阶段（至今）2010建设新一代高程基准网络典型案例分析青藏高原测高青藏高原以其极端的高海拔和复杂的地形地貌，为高程测量带来了独特挑战该地区大地水准面变化显著，大地水准面差值（值）高达米，这意味着卫星测得的大地高与实际海拔N40-80高度存在较大差异同时，由于青藏高原的地壳活动活跃，地形起伏剧烈，传统水准测量面临极大困难，测量效率低且成本高针对这些挑战，科学家们采用了多种技术手段相结合的方法首先，建立了区域性的高精度大地水准面模型，通过卫星重力测量和地面重力观测相结合，提高值的精确度；其次，开展N与水准联合观测，在交通条件允许的区域设立控制点网络，提供高程基准约束；最后，利用航空摄影测量、激光雷达和等遥感技术，扩展高程测量的覆盖范围GNSS InSAR珠穆朗玛峰的高程测定是青藏高原测高的典型案例年中国对珠峰高程进行了重新测量，采用了接收机、重力仪、雪深雷达等多种设备，结合了卫星定位、精密水准、重力测2020GNSS量和雪深探测等多种技术，最终确定珠峰高度为米这一成果体现了现代高程测量技术的综合应用，也为青藏高原其他地区的高程测定提供了宝贵经验

8848.86现代高精度测绘技术应用现代高精度测绘工作通常采用多种技术手段的综合解算方法，实现最优成果GNSS卫星定位技术提供了高效的三维坐标测量能力，特别适合大范围、快速的测量工作然而，GNSS测得的高程是椭球高，需要结合大地水准面模型转换为正常高在高精度工程中，通常将GNSS与传统水准测量结合，GNSS提供平面位置和初步高程，水准测量提供精确高程控制重力测量是现代高程系统的重要组成部分通过测定地球重力场变化，可以精确确定大地水准面形状，从而提高椭球高到正常高转换的精度高精度相对重力仪可测量不同点位间的重力差异，而绝对重力仪则提供重力值的绝对测量卫星重力测量（如GRACE和GOCE卫星）则提供了全球范围的重力场数据，为大地水准面模型的构建提供了基础不同测量技术的优势互补是现代测绘的特点例如，在高精度工程测量中，可能同时采用GNSS建立控制网、水准仪测定高程、全站仪进行细部测量、三维激光扫描获取复杂地形，并结合重力数据进行综合平差这种多源数据融合技术大大提高了测量效率和精度，也为复杂地形条件下的高精度测绘提供了解决方案GNSS技术优势水准测量特点•全天候、全球覆盖的定位能力•高程测量的黄金标准•高效率的三维坐标测量•可达毫米级的垂直精度•可实现厘米级甚至毫米级精度•不受大地水准面模型影响•适合大范围控制测量和动态监测•测量过程相对耗时重力测量作用•确定大地水准面形状•提高高程转换精度•探测地下质量分布•监测地壳垂直运动坐标与高程在城市规划城市规划是坐标系统与高程概念的重要应用领域三维城市模型以精确的坐标系统为基础，结合高程数据，真实再现城市空间形态这种模型不仅包含建筑物的平面位置，还包括其高度、体量和形状，能直观展示城市立体空间格局三维城市模型支持视线分析、日照分析、景观评估等规划工作，为决策提供直观依据精确的坐标与高程信息构成城市基础地理信息框架，是各类规划和建设的基础城市规划中，道路设计需要考虑纵坡和横坡，排水系统设计依赖于精确的高程数据确定流向，建筑设计必须考虑场地高差和地形适应性这些工作都需要统

一、精确的坐标与高程系统作为参考随着智慧城市建设的推进，三维地理信息平台成为城市数据整合与分析的核心通过融合卫星影像、航空摄影、激光扫描等多源数据，构建精细的城市空间数据模型，支持城市规划、管理与决策这些平台不仅表达地上建筑，还包括地下管线、地质结构等，形成完整的城市空间信息系统±5cm10cm城市测量精度地下管线精度城市规划测量的高程精度要求城市地下管线测量的垂直精度要求LOD385%模型精细度应用覆盖率包含建筑外观细节的三维城市模型级别城市建设项目中依赖高程数据的比例未来趋势全球高程一体化全球高程一体化是测绘科学的重要发展方向，旨在建立统一的全球高程参照框架欧洲地区已经建立了欧洲高程参照系统（EGMS），实现了欧洲各国高程系统的统一该系统基于重力场定义，采用共同的零点基准，通过精密水准网络和高精度重力测量实现，为欧洲跨国基础设施建设和环境监测提供了统一的高程基准全球高程一体化面临的主要挑战包括不同国家历史数据的兼容、高程起算点的统一选择、重力数据的全球覆盖以及转换参数的精确确定等特别是在大洋分隔的地区，由于缺乏直接的水准联测，高程系统的衔接难度更大近年来，卫星重力测量技术的发展为解决这些问题提供了新途径，通过建立全球一致的重力场模型，可以间接实现不同高程系统的统一中国正积极参与国际高程一体化工作，同时面临将国内数据与国际标准对接的任务这需要对国内1985高程系统与国际系统间的系统性差异进行研究，建立可靠的转换关系随着一带一路倡议的推进，中国与周边国家的高程系统衔接变得尤为重要，这将有助于区域基础设施规划和跨境合作项目的实施卫星重力测量1通过GRACE、GOCE等卫星获取全球重力场数据，构建统一的大地水准面模型，为高程一体化提供科学基础国际水准网联测通过跨国界的高精度水准测量，连接各国高程控制网，建立直接的高程转换关系，实现区域高程统一国际标准制定由国际大地测量协会IAG牵头制定全球高程参照框架IHRF，统一高程定义、测量方法和数据处理标准全球高程数据库建立全球统一的高程控制点数据库和高程模型库，提供在线查询和转换服务，促进国际数据共享典型软件与数据产品介绍在地理信息处理领域，多种专业软件提供了坐标系统与高程数据处理能力是最广泛使用的软件之一，其投影引擎支持数百种坐标系统和投影方式，内置坐标转换工具和地形分析模ArcGIS GIS块则是另一款流行的软件，特别适合商业分析和主题制图开源软件近年来发展迅速，提供了丰富的坐标处理和高程分析插件，成为学术研究和小型项目的首选MapInfo GISQGIS数字高程模型（）是表示地表高程的基础数据产品全球覆盖的（航天飞机雷达地形测绘）数据提供了米和米分辨率的，覆盖全球大部分陆地区域是另一DEM SRTM9030DEM ASTERGDEM个全球产品，基于卫星立体影像生成，分辨率为米国内的基础地理信息数据库则提供了更高精度的产品，如和比例尺的全国数据，为国土规划和工程设计提DEM30DEM1:100001:50000DEM供支持专业测绘软件如南方、天正等也广泛应用于工程测量和设计领域，提供坐标转换、水准测量平差、地形图制作等功能此外，针对特定应用的软件如（航空摄影测量）、CASS Pix4D Leica（测量数据处理）、（地理数据转换与分析）等也在各自领域发挥重要作用这些软件工具与数据产品共同构成了地理空间信息处理的完整生态系统Infinity GlobalMapper软件应用全球数据专业测绘软件GIS DEM、等软件提供强大的空间数据处理和分析功能，、等全球数据产品提供了地球表面南方、天正等测绘软件专注于工程测量数据处理，提供ArcGIS QGISSRTM ASTERGDEM DEMCASS支持多种坐标系统和投影方式，具备三维可视化和地形分析能的高程信息，分辨率从米到米不等，广泛应用于地形分坐标转换、水准测量平差、断面计算和地形图绘制等功能，是9030力，是地理信息工作的核心工具析、水文建模和环境研究工程测量的标准工具重点知识回顾本课程系统介绍了地球坐标系统与高程概念的基本理论与应用实践地球坐标系统可分为地理坐标系（经纬度）、投影坐标系（平面X、Y）和空间直角坐标系（X、Y、Z）三个层次地理坐标系是基于经纬度的球面坐标系统，直观表达全球位置；投影坐标系是通过特定投影方法将球面转换到平面的直角坐标系，便于距离和面积计算；空间直角坐标系则是以地心为原点的三维笛卡尔坐标系，便于空间几何计算高程系统是表示地面点垂直位置的理论体系，根据参考基准面和定义方法的不同，分为几种主要类型正高系统基于大地水准面，物理意义明确但难以精确测定；正常高系统基于似大地水准面，兼顾物理意义和实用性，是我国1985国家高程基准采用的系统；大地高程系统基于椭球面，是GNSS测量直接获得的高程类型；力高系统基于重力位能，主要用于理论研究不同高程系统之间可通过已知的数学关系进行转换坐标系统和高程系统的应用贯穿于测绘、导航、工程建设、城市规划等众多领域随着技术发展，三维地理信息系统将平面坐标和高程数据紧密结合，支持更丰富的空间分析和可视化应用未来，全球坐标和高程系统的统一化、精细化和动态化将是重要发展趋势，为全球空间数据互通共享奠定基础坐标系统地理坐标、投影坐标、空间直角坐标高程系统正高、正常高、大地高、力高地球模型椭球体参数与大地水准面实际应用测绘导航、工程建设、空间分析发展趋势全球一体化、高精度化、动态监测常见问题答疑坐标与高程数据混用是实际工作中的常见风险当不同坐标系统或高程系统的数据未经转换直接混用时，可能导致严重错误例如，将WGS-84坐标系的数据与CGCS2000坐标系数据直接叠加，虽然差异不大但在高精度工程中足以造成问题；更严重的是将大地高（椭球高）与正常高（海拔）混用，在中国西部地区可能导致70-80米的垂直误差，足以造成工程灾难数据处理中的关键注意事项包括首先明确数据的坐标系统和高程系统，查阅元数据或通过已知点位验证；选择适当的转换方法和参数，对于高精度要求，使用区域性的精化转换参数；进行充分的质量控制和检核，通过已知控制点验证转换结果的准确性；保留完整的处理记录，包括原始系统、转换方法和参数等，确保数据可追溯性在实际应用中还需注意不同时期的坐标系统可能存在差异，如中国历史上的北京

54、西安80和CGCS2000坐标系；投影带选择影响计算精度，跨带区域需特别处理；局部工程坐标系需建立与国家坐标系的明确转换关系；高程系统转换需考虑区域特性，全国性转换模型可能不适用于局部精细工程遵循这些原则可有效避免空间数据应用中的常见陷阱混用风险不同坐标系统或高程系统数据直接混用可能导致位置偏差、工程设计错误、空间分析结果失真等严重后果，特别是在高精度要求的工程中元数据重要性完整的空间数据元数据应包含坐标系统、高程系统、精度说明和采集方法等信息，这是正确使用数据的前提，也是评估数据适用性的基础质量控制空间数据处理过程中应建立完善的质量控制机制，包括已知点校核、冗余检验和逻辑一致性检查，确保成果数据的可靠性专业咨询对于重要工程和复杂情况，应咨询测绘专业人员，确保坐标系统和高程系统的正确选择与应用，避免因理解偏差导致的错误拓展阅读与参考资料为深入理解地球坐标系与高程概念，推荐以下中文学术著作《大地测量学基础》（武汉大学出版社），系统介绍地球椭球体、坐标系统和高程理论；《测量平差与坐标转换》（测绘出版社），详细阐述各类坐标转换方法和数学模型；《中国大地坐标系解析》（科学出版社），专门探讨中国坐标系统的发展历程和技术特点；《数字高程模型及应用》（测绘出版社），全面介绍的生成、处理和应用技术DEM国家标准和技术规范是实际工作的重要参考《国家大地坐标系》（）规定了中国国家大地坐标系的定义和参数；《国家高程基准的技术规定》CGCS2000GB/T23704-20091985（）明确了国家高程系统的技术要求；《全球定位系统测量规范》（）规定了测量的技术要求和数据处理方法；《数字测绘成果质量检查GB/T12353-2008GPS GB/T18314-2009GPS与验收》（）提供了数字测绘成果的质量控制标准CH/T1015-2007国际学术资源方面，推荐以下英文文献等著的《》，深入讲解重力场和高程理论；的《》，是大地测量学的经典教材；Hofmann-Wellenhof Physical Geodesy TorgeGeodesy IERS（国际地球自转服务）发布的《》，提供国际地球参考系统的最新进展；（国际服务）的技术报告，详述全球导航卫星系统的应用进展和参考框架维IERS TechnicalNotes IGSGNSS护这些资源将帮助读者建立更全面、深入的理论基础中文学术著作国家标准与规范国际学术资源《大地测量学基础》（武汉大学出版社）《国家大地坐标系》（《》••CGCS2000GB/T23704-•PhysicalGeodesyHofmann-Wellenhof）《测量平差与坐标转换》（测绘出版社）2009Moritz•《国家高程基准的技术规定》（《》《中国大地坐标系解析》（科学出版社）•1985GB/T12353-•Geodesy Torge•）2008《》国际地球自转服务《地球重力场与物理大地测量学》（武汉大学出版•IERS TechnicalNotes•《全球定位系统测量规范》（社）•GPS GB/T18314-《》国际服务•IGS TechnicalReportsGNSS）2009《数字高程模型及应用》（测绘出版社）《》国际期刊••Journal ofGeodesy《测绘基准和测绘系统》（）•GB/T17734-2008《数字测绘成果质量检查与验收》（•CH/T1015-）2007总结与课程展望通过本课程的学习，我们系统掌握了地球坐标系统与高程概念的基本理论与应用实践这些知识构成了地理空间定位的理论基础，是测绘、导航、工程建设等领域的核心支撑精确的空间定位能力对现代社会的重要性不言而喻，从个人导航到全球定位，从工程测量到国土规划，从三维城市建模到智慧城市建设，都离不开对坐标系统和高程概念的深入理解和准确应用未来，随着测量技术的发展和应用需求的提升，坐标系统与高程理论还将继续深化时空一体化的四维参考框架将成为研究热点，整合空间位置与时间变化，支持动态监测和变形分析；高精度实时定位技术将广泛应用于自动驾驶、精准农业等智能化场景；全球统一的高程参照系统将促进国际数据共享和跨境协作；而基于人工智能的空间数据处理将提高自动化水平和分析能力学习空间定位理论是一个持续的过程，建议从以下方向继续拓展深入学习卫星导航与定位技术，掌握系统原理和应用方法；探索空间大数据处理与分析技术，应对海量空间信息GNSS的管理和挖掘；关注地球系统科学进展，理解地球动力学对坐标系统的影响；结合专业背景，将空间定位理论应用于具体领域，解决实际问题空间定位能力是现代地理信息技术的基石，也是未来创新应用的关键支撑高精度定位全球一体化动态监测智能应用厘米级甚至毫米级的实时定位技术国际协作将推动全球统一的空间参时空一体化的坐标系统将支持地壳人工智能与空间定位技术的融合将将广泛应用于智能交通、精准农考框架建设，促进数据互通共享，运动、城市沉降等动态变化的精确催生新型智能应用，如增强现实导业、机器人导航等领域，支持自动支持全球性问题研究和跨国合作项监测，为灾害预警和环境保护提供航、智慧城市管理和空间决策支持化系统的精确操作目科学依据系统。