第二节 测量工作的基准面和基准线
在铁路测量工作中，无论测图、放样还是监测，其实质都是测定地面点的空间位置，都是在地球表面上是进行的，所以在学习确定地面点位置的方法之前，应先了解地球的自然表面和测量工作的基准。
一、地球自然表面及水准面
地球的自然表面是极其复杂、不规则的，有高山、峡谷、平原、河流、海洋等。地球上的第一高峰珠穆朗玛峰高达8844.43m，而位于太平洋西部的马里亚纳海沟深达11022m，虽然起伏如此之大，但与平均半径约为6371km的地球相比还是微不足道的。由于地球表面上海水面积约占71％，陆地面积约占29％，所以测量中我们可以把地球的形状看作是一个被海水包围的形体。并假想将自由静止的海水面向整个陆地内部延伸，包围整个地球，形成一个封闭的曲面，这个曲面称为水准面，如图1-1所示。
图1-1 地表面与水准面
二、铅垂线和大地水准面
由于地球的自转运动，地球上任意一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称为重力，如图1-2（a）所示。用细绳系一垂球，细绳在垂球重力的作用下形成的下垂线称为铅垂线，铅垂线的方向即为重力方向，如图1-2（b）所示。
铅垂线是测量工作的基准线。
水准面上任意一点的铅垂线垂直于该点的曲面。水准面可以位于不同高度，因而水准面有无数个。由于潮汐波浪的关系，完全处于自由静止的海水面难以求得，为此，人们在海岸边设立验潮站，用验潮站测得的平均海水面来代替静止海水面。
平均海水面称为大地水准面，大地水准面是水准面中的一个特殊水准面，它所包围的形体称为大地体，大地体可以近似地代表地球的形状，如图1-2（c）所示。
大地水准面是测量工作的基准面。
三、参考椭球体
由于地球内部质量分布不均匀，地球表面起伏不平，所以大地水准面各处铅垂线的方向是不规则的，致使大地水准面成为一个有微小起伏的、不规则的、很难用数学方程表示的复杂曲面。如果将地球表面上的物体投影到这个复杂的曲面上，计算起来非常困难。为了正确地计算测量成果，测量中选择一个与大地水准面非常接近的、能用数学方程表示的规则几何形体来代表地球的形体，如图1-3（a）所示。这个几何形体是由椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球体，如图1-3（b）所示。旋转椭球体又称参考椭球体，其表面称参考椭球面。
图1-2 铅垂线和大地水准面
图1-3 大地水准面和参考椭球面
决定参考椭球面形状和大小的元素是椭圆的长半轴a、短半轴b。此外，根据a和b还定义了参考椭球体的扁率f。
我国目前采用的参考椭球体的参数值为：a=6378140m，b=6356752m。
f=（a-b）/a=1/298.257 （1-1）
我国采用过的两个参考椭球参数值以及GPS测量使用的参考椭球参数值列于表1-1。
表1-1 参考椭球体参数值
注：IUGG——国际大地测量与地球物理联合会；CGCS——中国大地坐标系；WGS——世界大地坐标系。
由于参考椭球的扁率很小，当测区范围不大时，在普通测量中可以将地球近似地看作圆球体，其半径R=（a+a+b）/3≈6371km。