在测绘领域，控制测量是一项至关重要的基础工作，而理解控制测量的基准面和基准线，更是深入学习测绘知识的关键。今天，咱们就一起来揭开它们的神秘面纱。
一、铅垂线与大地水准面：测量外业的基石
我们都知道，地球上的每一点都同时受到地球自转离心力和地心引力的作用，这两个力的合力就是重力，而重力的方向就是铅垂线方向。可以想象一下，当你拿着一个重物，让它自然下垂，此时重物的方向就是铅垂线方向。
再来说说水准面，处于静止状态的水面，像平静的湖泊水面，就是一个水准面。水准面有个很重要的特性，它处处都和重力方向（也就是铅垂线方向）垂直。要是不垂直，水可就不老实了，会流动起来。在地球引力能影响到的地方，不管多高多低，通过任意一点都能找到一个水准面。
在实际测量中，水准面的作用可太大了。比如我们用经纬仪观测水平角的时候，要把仪器置平，这其实就是让仪器的纵轴和铅垂线方向一致，这样水平度盘就会位于通过度盘中心的水准面的切平面上。咱们测出来的水平角，实际上就是视准线在水准面上的投影线之间的夹角。还有用水准测量求出的两点间高差，就是过这两点的水准面之间的垂直距离。就连边长的观测值，也得考虑化算到哪个高程水准面上。
这么多测量结果都和水准面有关系，特别是水准测量，结果直接取决于水准面的选择。为了让不同测量部门的成果能相互比较、统一和利用，就得选一个最具代表性的水准面作为外业成果的统一基准。
海洋面积占到地球总面积的 71%，海水面可是地球上最广大的天然水准面。我们不妨大胆设想一下，把平均海水面不断扩展，延伸到大陆下面，包围整个地球，这样形成的曲面就是大地水准面，它包围的形体就叫大地体。大地水准面的形状和大地体的大小都和地球自然表面很接近，而且位置也比较稳定，所以，我们就把大地水准面当作测量外业的基准面，和它垂直的铅垂线就是外业的基准线。
二、参考椭球与总地球椭球：为精确测量而生
虽然大地水准面适合当测量外业的基准面，但控制测量的最终目标是精确确定控制点在地球表面的位置，这就要求我们必须清楚基准面的形状，而且这个形状得能用数学公式准确表达出来。可大地水准面能满足这个要求吗？很遗憾，不能。
大地水准面其实是个略有起伏的不规则表面，因为地表有高山、谷地，地层内部密度也不均匀，导致质量分布不均。就像有座高山，它右侧是谷地，山体下部还有重金属矿体，这就使得左右两侧局部质量差异很大，左侧引力增加，铅垂线向左偏斜，大地水准面就会稍微隆起，呈现出不规则的变化，根本没办法用数学公式精确表达它的形状。
随着科技的发展，人类发现地球的形状很接近一个两极略扁的旋转椭球，也就是一个椭圆绕着它的短轴旋转形成的形体。这个旋转椭球的表面能用简单的数学公式准确表达出来，所以世界各国通常都用它来代表地球。旋转椭球的形状和大小和它的长短半径有关，也可以用和这两个量有关的其他量来表示。
不过，选好了旋转椭球还不能直接用它来计算点位坐标。因为我们的测量成果是以大地水准面为基准的，得先把野外观测成果化算到旋转椭球表面上才行。这时候，光确定椭球面的形状和大小还不够，还得确定它和大地水准面的位置关系，这个确定位置关系的工作就叫椭球定位。
把形状和大小与大地体相近，并且和大地水准面相对位置确定好的旋转椭球，我们就叫做参考椭球。参考椭球面是测量计算的基准面。世界各国会根据本国的地面测量成果，选择适合本国需求的参考椭球，所以参考椭球有很多个。这样选出来的参考椭球和本国领域内的局部大地水准面最接近，对本国的常规测绘工作很方便。
但是，当我们要把各国的测量成果联系起来，进行国际间的合作时，不同的参考椭球又带来了麻烦。所以，从全球的角度出发，得找一个和整个大地体最为接近的参考椭球，这就是总地球椭球。确定总地球椭球，需要全球范围的大地测量和重力测量资料。以前，因为海洋面积太大，只靠陆地测量成果根本推算不出总地球椭球。不过近年来，人造卫星大地测量技术发展起来了，已经能根据人造卫星和陆地大地测量的成果求出一些总地球椭球的近似数据供大家使用，相信以后我们会更多地使用总地球椭球。
三、垂线偏差和大地水准面差距：反映基准面差异的指标
不管是参考椭球还是总地球椭球，它们的表面都没办法和大地水准面完全重合。在同一点上，大地水准面的铅垂线和椭球面的法线也不会重合，这两条线之间的夹角 μ 就叫做垂线偏差。垂线偏差在子午线和卯酉线上的投影分量，通常分别用 ξ 和 η 来表示。
还有大地水准面和椭球面在某一点上的高差，我们把它叫做大地水准面差距，用 N 表示。要是大地水准面比椭球面高，N 就是大于 0 的；反之，N 就小于 0。了解垂线偏差和大地水准面差距，能帮助我们更好地理解不同基准面之间的差异，在实际测量工作中进行更精准的计算和调整。
