以前人們一直認為地球是一個球體，但這種認為是不科學(xué)的。它是一個在赤道上凸起的橢圓形球體，在兩極有些扁平。由于大地測量學(xué)推廣，我們星球的形狀已經(jīng)廣為人知。讓我們更深入地研究一下。

什么是地理信息系統(tǒng)中的橢球體？

大地測量師采用了橢圓模型來確定緯度和經(jīng)度坐標(biāo)。橢圓的主要軸線是赤道半徑，短半軸從兩極到中心。

參考橢圓體主要用于指定點坐標(biāo)，如緯度（北/南）、經(jīng)度（東/西）和高程（高度）。

制圖和測量中最常見的參考橢圓體是世界大地測量系統(tǒng)（WGS84）。1866年的克拉克橢圓體，為1927年的北美基準(zhǔn)（NAD27）重新計算。比較NAD27和NAD84時，緯度和經(jīng)度坐標(biāo)可以在幾十米（具有相同緯度和經(jīng)度坐標(biāo)）的度數(shù)上置換。

水平基準(zhǔn)如何與橢圓體相關(guān)？

水平基準(zhǔn)線使我們能夠測量地球表面的距離和方向。大多數(shù)水平基準(zhǔn)在赤道處定義一條零線，我們從中測量南北（緯度）。格林威治子午線上還有一條零線，我們從中測量東部和西部（經(jīng)度）。

這些線一起提供以十進制表示的緯度和經(jīng)度的參考。這些緯度和經(jīng)度位置（地理坐標(biāo)系）基于近似地球表面的球形或橢圓曲面-基準(zhǔn)面。

所有坐標(biāo)都引用到基準(zhǔn)，以及下圖中的基準(zhǔn)：

基準(zhǔn)用數(shù)學(xué)術(shù)語描述地球的形狀。基準(zhǔn)面定義橢圓體的半徑、反向平展、半主軸和短半軸。

下面是WGS84基準(zhǔn)：

• 半主軸：6，378，137.0m半

• 短半軸：6，356，752.3m

• 反向展平：294.978698214

地球因旋轉(zhuǎn)力而變成橢圓

艾薩克牛頓爵士提出地球在兩極因旋轉(zhuǎn)力而變平。當(dāng)?shù)厍蚶@其軸旋轉(zhuǎn)時，離心力使地球在赤道處膨脹。這就是為什么地球被更好地模擬成一個橢球體，它是一個在兩極略微扁平的橢圓球體。

19世紀和20世紀，世界各地采用了不同的橢球體。正在不同大陸進行調(diào)查。每次測量都產(chǎn)生不同的橢球參數(shù)。

例如，澳大利亞的調(diào)查得出了一個“最佳”橢球體。歐洲的“最佳”橢球體不同于南美和亞洲。沒有一個統(tǒng)一的全球橢球體。每一個大陸測量都是用它自己的橢球體參數(shù)分離出來的。目前還沒有明確的方法來結(jié)合這些全球調(diào)查測量。在特定的區(qū)域缺乏測量點，缺乏計算資源，這就阻礙了全球橢球體的形成。

用大地水準(zhǔn)面擬合橢球面

一個水平坐標(biāo)系給了我們并排的緯度和經(jīng)度。另一方面，垂直基準(zhǔn)是典型水平坐標(biāo)系的另一個組成部分。

我們在一個三維的行星上，除了在表面上的水平坐標(biāo)系中的相對位置外，還有起伏。為了處理上升和下降，我們有一個垂直的基準(zhǔn)，給了一個地方放零測量。平均海平面通常被理解為我們起伏的基礎(chǔ)，這叫做大地水準(zhǔn)面。

垂直基準(zhǔn)面是塊狀和不規(guī)則的，這是因為地球上不同地方的密度不同，有重力異常，如山區(qū)質(zhì)量較大。

這意味著平均海平面并不像大家想象的那么平滑。大地水準(zhǔn)面不是恒定不變的，它們在不同的地方不同。大地水準(zhǔn)面在地球上移動時有起伏。地球不像我們想象的那么圓。當(dāng)它們以大地水準(zhǔn)面的形式回到我們身邊時，我們在它們上面有隆起或起伏。大地水準(zhǔn)面把這些塊體放回我們光滑的水平基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。

橢球高度是上下最基本的版本。橢球體使用水平基準(zhǔn)的大小和形狀，如WGS84。它提供一個光滑的表面沒有顛簸或不規(guī)則。大地水準(zhǔn)面是復(fù)雜的數(shù)學(xué)描述。因此，我們擬合不同的橢球來近似它，例如wgs84。

橢圓體的不同歷史

準(zhǔn)確性地球在赤道的膨脹比兩極的膨脹多約70，000英尺。自19世紀初以來，橢球體的尺寸已經(jīng)計算了至少20次，精度相差很大。早期測量橢圓體的嘗試使用了少量的數(shù)據(jù)，并不代表地球的真實形狀。1880年，克拉克橢圓體被采用作為其三角測量計算的基礎(chǔ)。美國采用的第一個大地測量基準(zhǔn)基于克拉克橢圓體，其起點在堪薩斯州稱為米德牧場。