摘要: 垂直基准-地球高程参考框架¶ 来自美国宇航局Grace Mission的大地水准面-图片由NASA/JPL提供 什么是垂直基准？¶ 当联邦应急管理局（FEMA）评估100年一遇洪水的可能性，并指出洪水将上升25英尺… “25英尺”到底指什么？ 我们…
垂直基准-地球高程参考框架
来自美国宇航局Grace Mission的大地水准面-图片由NASA/JPL提供
什么是垂直基准？
当联邦应急管理局（FEMA）评估100年一遇洪水的可能性，并指出洪水将上升25英尺…
“25英尺”到底指什么？
我们需要一个一致的起点来比较洪水和地面高程。输入 垂直基准 .
测量员、大地测量学家和保险公司使用垂直基准面作为零高程面，高度可参考。
潮汐基准与垂直大地基准
当你谈论垂直基准时，你可以把它们分成两部分：
TIDAL DATUMS 反映了水和陆地之间的界面，由潮汐变化定义。例如，潮位计在水中测量 平均海平面。潮汐基准是局部的，因为基准类型之间的转换可以快速移动。这也取决于时间。
安装验潮仪图片来源：NOAA
GEODETIC DATUMS 是指高度在很大地理范围内所指的零高程基准面。这些基准用于测量平均海平面以上和以下的高度（高度）和深度（凹陷）。北美常用的垂直基准是 1929年国家大地垂直基准（NGVD29） 以及 1988年北美垂直基准面（NAVD88）。
（垂直）大地基准面通常与潮汐基准面联系在一起。大地基准参考可以使用潮汐基准作为起点。如果你考虑一下，一个社区的高度系统应该和潮汐基准保持一致，因为那是水流的地方。
参考高度类型
当参考垂直基准时，需要注意不同类型的高度。这是3种主要的高度类型，尽管存在其他类型的高度：
ORTHOMETRIC 表示特定点处地球表面和大地水准面之间的高度距离。测量员通常指的是正位高度。当你登上山顶的时候。它是一个以表面和大地水准面之间的距离来测量的正射高度。
GEOID 与平均海平面一致，就好像你把它想象成陆地下的延伸。大地水准面是重力正常的等位面，接近平均海平面。这是因为地球上不同地方的密度不同。存在重力异常，各个位置的波动不同。
陆地和山脉阻止我们看到 geoid surface on the Earth。地球内部的密度到处都不一样。这意味着重力在地球上的任何地方都会发生变化。这就是我们测量重力或重力等位面的原因。然后我们可以推断，这就是水是如何沉淀的，并用数学建模。然后大地水准面给出了一个测量高程的真实零平面。
REFERENCE ELLIPSOID 是 reference ellipsoid 是地球形状的数学模型，长轴沿着赤道半径。它近似大地水准面，但大多与点坐标的大地网计算相吻合。是指 (`latitude and longitude <…/index.html?p=10349>__）。
1929年国家大地测量垂直基准（NGVD29）
北美常用的垂直基准是1929年的国家大地垂直基准（NGVD29）和1988年的北美垂直基准（NAVD88）。
这个 1929年国家大地垂直基准（NGVD29） （之前题为 平均海平面基准 ）采用26个长期验潮站和一级水准测量站，将其限制在平均海平面。这26个验潮仪设在美国东海岸和西海岸（以及墨西哥湾）的港口。21个车站在美国，5个在加拿大。
图片来源：NOAA
从1877年开始的20年期间，整个美国都在调查“水平线”。随着全国水准线网的扩大，这就成为垂直基准的基础。
NGVD29是20世纪大部分时间测量员、工程师和制图员使用的系统。但它被更精确的 1988年北美垂直基准 因为它在漫滩管理中的重要性。
1988年北美垂直基准¶
改变NAVD88的主要原因之一是，国家大地测量局（NGS）发现海洋实际上根本没有水平。由于风、洋流和海床的地形，有局部变化。
这些数字不合适，因为同一地点的平均海平面比其他地方高。最终，卫星技术发现这些扭曲是由重力造成的。
来自美国国家航空航天局Grace Mission的大地水准面-图片由NASA/JPL提供
这个 1988年北美垂直基准面（NAVD88） 基于全国水准观测的调整。一种高度精确的测量技术 大地水准测量 被用来测量全国的身高差异。1988年的垂直基准是基于60多万公里的控制水准测量。它还利用卫星技术改进了早期的垂直基准。
多年来，使用水准杆和观测仪器测量两点之间的高度差，精确测量高程的工具也保持相当一致。今天，激光可以代替望远镜，但方法仍然是一样的。
最终，Grace、Goce等卫星与GPS技术结合发现，这些变形是由重力造成的。这些卫星系统解释了不同地区引力的差异。
垂直基准面的洪泛区映射
你家发生洪水的可能性有多大？
这是由像这样的组织 Federal Emergency Management Agency (FEMA) 负责的。
如果我们说洪水会涨25英尺，那么“25英尺”究竟指的是什么？我们需要一个一致的起点来比较洪水和地面高程。这就是为什么 一致的垂直基准 平均海平面非常重要。有效的漫滩管理有赖于精确的测量。
在新的施工过程中，FEMA测量了建议的结构标高。他们比较了基础洪水高度，以确保新建筑在洪水中的安全性。
NGVD29与NAVD88
重要的是 所有测量点在整个测量过程中必须使用相同的垂直基准。 . 垂直基准面的差异可能在洛矶山脉的3英尺或3英尺以上，那里的重力很高……到其他地区的几英寸。
NAVD88修正了NGVD29的许多问题。1988年的垂直基准是基于1929年以来进行的60多万公里的控制水准测量，反映了可能改变基准高程的地质地壳运动或沉降。
如果你要为漫滩地图进行调查，直到最近大多数洪水保险地图都使用了NGVD29。然而，联邦应急管理局已将开关切换至NAVD88。
垂直基准转换
重要的是，进行测量时，所有测量必须在整个测量过程中使用相同的垂直基准。Navd29和Navd88之间的差异可能在重力很高的洛基山脉中有3英尺或更多…在其他地区有几英寸。
数据来源于NASA的格雷斯重力模型——山区重力异常
垂直坐标转换不是一个简单的即插即用公式。这些转换需要软件转换为不同的垂直基准。NAVD88是对数千个高程基准控制点的校正。
VDatum 是美国国家海洋和大气管理局的一个免费工具，用于在各种潮汐、正交和椭圆体垂直基准之间转换数据。用户可以将其数据从不同的水平/垂直引用转换为一个公共的和所需的引用级别。
结论
水平坐标系使我们并排，即我们的纬度和经度。**垂直基准**是典型水平坐标系的另一个组成部分。
在北美，大多数垂直基准都使用海平面作为我们测量海拔变化的基本基准面。以平均海平面（MSL）为参考点，可以准确测量高度或地形。我们也可以开始了解海平面是随时间上升还是下降。
我们在一个三维的行星上，除了表面上水平坐标系的边到边之外，还有上下起伏。
为了处理起伏，我们有一个垂直基准，它给我们提供了一个放置零测量的地方，以平均海平面作为我们起伏的基础。这叫做大地水准面。
思考
当我们在测量大地测量垂直基海的深度的时候，怎样确定我们现在所在位置是不是大地水准面
在大地测量中，要确定当前所在位置是否处于大地水准面（Geoid）上，需要综合使用以下几种方法：
1. 大地水准面与椭球体的关系
- 大地水准面是一个理想化的海平面，通常是沿地球表面的海洋静止面，即没有潮汐、风暴等影响的平均海平面。它是一个与重力场相关的参考面，通常是一个不规则的、基于重力场的等势面。
- 椭球体是一个数学模型，用来近似地球形状的椭圆形面，它不考虑局部的重力变化。
- 大地水准面和椭球体之间的高度差叫做大地水准面高度（Geoid Height），即两者的垂直距离。此高度通常通过重力测量来推算。
2. 使用测量数据确定位置是否在大地水准面上
要判断当前位置是否在大地水准面上，通常需要以下几步：
a. 高程测量（海拔高度）
- 使用 GPS 或传统的测量方法测得当前位置的大地高程（Geodetic Height），它是从椭球体表面到当前位置的垂直距离。
- 然后，通过大地水准面模型（如EGM96、EGM2008）来获取该点的大地水准面高度，即该位置相对于大地水准面的高度差。
b. 重力测量
- 在该位置进行重力测量，确定该位置的重力加速度值。这是因为大地水准面是一个重力等势面，即沿水准面上每一点的重力值是相同的。
- 通过重力测量可以推算出该点与大地水准面的关系，尤其是重力异常（gravity anomaly）可以帮助计算该点的水准面偏差。
c. 比较大地水准面与椭球体的高度
- 将通过GPS获得的大地高程与通过重力数据推算的大地水准面高度进行比较。如果两者相等，则说明该位置恰好处于大地水准面上。
- 如果大地高程大于或小于大地水准面高度，则当前位置不在大地水准面上，偏差的大小和方向取决于该地区的重力场分布。
3. 大地水准面模型
大地水准面模型（如EGM96、EGM2008等）是通过全球范围的重力数据和卫星数据计算得到的，它提供了全球各个位置的大地水准面高度数据。使用这些模型可以估算任何给定地点的大地水准面高度，并与实际测量的高程进行比较。
4. 常见的测量工具和技术
- GPS：提供大地高程，即相对于椭球体的高度。
- 重力计：用来测量当地的重力值，从而推算大地水准面的高度。
- 水准测量：在较小的区域内，通过传统的水准仪进行精确的高程测量。
5. 实例说明
- 假设你在某地点使用GPS测得的大地高程是100米，而根据大地水准面模型，测得该位置的大地水准面高度是105米。则说明该点位于大地水准面下方，距离大地水准面约5米。
- 如果大地高程与大地水准面高度相等，则说明该点处于大地水准面上。
总结：
确定当前位置是否在大地水准面上，主要是通过比较该点的大地高程与大地水准面高度来实现。如果两者一致，则说明该点位于大地水准面上。通过重力测量和大地水准面模型，能够更精确地估算大地水准面的高度差，从而判断某点是否位于水准面上。