地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6 371 km的椭球体。测量工作在地球表面进行。地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等高低起伏的形态，其中海洋面积约占71%，陆地面积约占29%。在地面进行测量工作应掌握重力、铅垂线、水准面、大地水准面、参考椭球面和法线的概念及其相互关系。

如图1.3（a）所示，由于地球绕南北极自转，其表面的质点P除受万有引力F万的作用外，还受到离心力F离的影响。P点所受的万有引力F万与离心力F离的合力称为重力G，称重力的方向为铅垂线方向。

图1.3　地球自然表面、水准面、大地水准面、参考椭球面、铅垂线、法线之间的关系

假想静止不动的水面延伸穿越陆地，包围整个地球，形成一个封闭曲面，这个封闭曲面称为水准面。水准面是受地球重力影响形成的重力等位面，物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上不会流动），其特点是曲面上任意一点的铅垂线垂直于该点的曲面。根据这个特点，水准面也可以定义为：处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。由于水准面的高度可变，因此符合该定义的水准面有无数个，其中与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面。大地水准面是唯一的。

由于地球内部物质的密度分布不均匀，造成地球各处万有引力F万的大小不同，致使重力G的方向产生变化，所以大地水准面是一个有微小起伏、不规则、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曲面上，计算起来将非常困难。为了解决投影计算问题，通常是选择一个与大地水准面非常接近、能用数学方程表示的椭球面作为投影的基准面，这个椭球面是由长半轴为a、短半轴为b的椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球面，如图1.3（b）所示。旋转椭球又称为参考椭球，其表面称为参考椭球面。

如图1.3（c）所示，由地表任一点向参考椭球面所作的垂线称为法线，地表点P的铅垂线与法线一般不重合，其夹角δ称为垂线偏差。(www.daowen.com)

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与扁率f，其关系为

我国采用的3个参考椭球元素值及GPS测量使用的参考椭球元素值列于表1.1[1]。

表1.1　参考椭球元素值

在表1.1中，序1的参考椭球称为克拉索夫斯基椭球；序2的参考椭球是1975年16届“国际大地测量和地球物理学联合会”（International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG）通过并推荐的椭球，简称IUGG1975椭球；序4的参考椭球是1979年17届“国际大地测量与地球物理联合会”通过并推荐的椭球，简称IUGG1979椭球；序3的参考椭球的长半轴a与序4的相同，但扁率有微小的差异。

由于参考椭球的扁率很小，当测区范围不大时，可以将参考椭球近似看作半径为6 371 km的圆球。