海拔起点如何测定？探索全球公认的海平面基准建立过程

我们来详细探讨一下海拔起点（高程基准）是如何测定的，以及全球公认的海平面基准（更准确地说是高程基准面）是如何建立起来的。

核心概念：什么是海拔？

• 海拔是指地面上某一点相对于某一特定参考基准面的垂直高度。这个参考基准面通常被称为高程基准。
• 海平面是一个直观且历史悠久的参考点，因为它是一个相对容易观测的自然表面（尽管它并不“平”）。

为什么选择海平面作为参考？ 全球连通性： 海洋覆盖了地球的大部分表面，提供了潜在的全球统一参考。 相对稳定性： 虽然海平面会因潮汐、风浪等短期因素剧烈波动，但长期来看（排除了地质构造运动、冰川均衡调整等长期因素），它在特定位置的平均值相对稳定。 历史延续性： 人类很早就开始利用海平面作为高度参考。 关键问题：如何定义“海平面”？

• 问题： 海平面不是一个绝对静止、全球统一、完全水平的平面。
  • 潮汐： 日月引力导致海水周期性涨落。
  • 风浪： 风和气压变化引起海面波动。
  • 海流： 洋流导致不同区域海面高度不同。
  • 重力异常： 地球内部质量分布不均导致重力场变化，进而影响海平面形状。
  • 长期变化： 气候变化（如冰川融化）导致海平面上升。
• 解决方案： 为了获得一个稳定的、可用于高程测量的参考面，我们需要定义一个平均海平面。

测定平均海平面与建立高程基准的过程

建立高程基准是一个复杂、长期且需要国际合作的过程，主要步骤如下：

验潮站观测：

• 基础： 在海岸线设立验潮站（验潮井），安装验潮仪（如浮子式、压力式、声学式、雷达式）。
• 长期观测： 这些仪器连续记录水位变化（通常持续数年至数十年，国际推荐标准是19年），以捕捉所有周期性的潮汐变化（如日潮、半日潮、月潮、年潮等）和消除短期天气波动的影响。
• 计算平均海平面： 对长期水位观测数据进行统计分析（通常是算术平均），得到该验潮站位置的长期平均海平面。这个值代表了该地点在观测期内，相对于验潮站基准点的平均海水高度。

建立国家高程基准：

• 基准点确定： 一个国家通常会选择一个或多个主要验潮站作为高程基准点。
• 传递： 通过精密水准测量，将这个基准点的平均海平面高度（高程零点）传递到内陆地区，建立一个全国性的水准网。水准网由一系列水准点（固定在地面上的永久标志）组成，这些点的高程都精确已知（相对于基准点）。
• 命名： 这个全国性的高程系统被赋予一个名称，例如：
  • 中国：1985国家高程基准 (基于青岛验潮站1952-1979年的观测数据)。
  • 美国：北美垂直基准1988 (NAVD88)。
  • 欧洲部分国家：欧洲高程参考系统 (EVRS)。
• 关键点： 不同国家的平均海平面基准是独立建立的。由于地球重力场的不规则性、地质构造运动、观测时期不同等原因，不同国家的“平均海平面零点”在物理高度上并不一致。它们之间可能存在几十厘米甚至更大的差异。因此，所谓的“全球公认的海平面”指的是建立基准的方法学理念（以长期平均海平面为基础），而非一个全球统一的物理高度值。

大地水准面：更科学的全球高程基准

• 局限性： 平均海平面虽然直观，但它依赖于具体地点的观测，且受局部因素影响。更重要的是，它本身不是一个等位面（重力位相等的面）。
• 解决方案： 现代大地测量学定义了一个更科学、更基础的全球高程基准面——大地水准面。
• 定义： 大地水准面是一个假想的、与平均海平面最为接近的重力等位面。它代表了地球重力场的一个特定等位面（通常与全球平均海平面最佳拟合）。
• 特性： 静止的水会沿着大地水准面流动。它考虑了全球重力场的所有不规则性。
• 如何确定： 通过结合以下数据建立复杂的数学模型：
  • 全球重力测量： 地面、航空、卫星（如GOCE卫星）重力数据。
  • 卫星测高数据： 卫星雷达高度计测量海洋表面相对于卫星轨道的高度，经过校正后可获得全球海洋表面相对于地心的形状（大地水准面在海洋上的体现）。
  • 精密水准测量和GNSS数据： 用于验证和约束模型。
• 优势： 大地水准面提供了一个理论上全球统一、物理意义明确的参考面。现代高程测量技术（特别是GNSS）可以直接测量点相对于地心椭球的高度，然后利用大地水准面模型将其转换为更实用的“海拔高”（正高或正常高）。

全球协调

• 国际组织： 国际大地测量协会、国际海道测量组织等机构致力于协调全球高程基准相关的标准和方法。
• 统一模型： 全球重力场模型（如EGM2008, EGM2020）提供了全球范围的大地水准面起伏数据，使得不同国家的高程系统可以通过这些模型进行相互转换（尽管转换精度有限）。
• 全球高程系统： 有讨论和努力建立真正的全球统一高程系统，但这涉及复杂的科学和技术问题，以及各国现有系统的转换成本，目前尚未完全实现。

现代技术的作用

• 卫星测高： 提供了全球海洋表面的高精度、高分辨率观测数据，极大地改进了对全球平均海平面和大地水准面的认识。
• 全球导航卫星系统： GPS、北斗、GLONASS、Galileo等GNSS技术使得可以直接测量点相对于地心椭球的高度。结合高精度的大地水准面模型，GNSS可以直接提供高精度的海拔高（正高/正常高），在很大范围内可以替代传统的水准测量。
• 绝对重力测量： 用于精确测定重力加速度，支持重力场建模。

总结 起点测定基础： 在特定地点（验潮站）进行长期水位观测，计算该点的长期平均海平面。 国家基准建立： 通过精密水准测量，将验潮站的平均海平面高度传递到全国，建立国家高程基准和水准网。 更科学的基准： 大地水准面作为全球统一的重力等位面，是更科学的高程基准定义。它通过全球重力场和卫星测高数据建模确定。 全球公认的理念： “全球公认的海平面基准”指的是以长期平均海平面观测为基础来定义高程起点的方法论，以及最终向大地水准面这个更科学基准发展的方向。各国建立的是各自独立的、基于本国验潮站观测的国家高程系统。 现代技术： 卫星测高和GNSS技术极大地提高了测量精度和效率，并推动了对全球高程基准的更深入理解。

因此，虽然我们常说海拔是以“海平面”为基准，但实际操作中，它是一个经过长期观测、精密测量和科学建模（尤其是大地水准面）建立起来的复杂系统。全球公认的是其建立的基本原理和方法，而非一个单一的物理高度值。