自然之美：从真正认识地球开始
古往今来，人类描述地球的理论可谓是经历了一个长期、艰难且曲折的过程，这个过程也必将随着人类科学技术的发展而不断变革。在今天我们可以从对地球实际形状的“三级逼近”的过程来认识地球（体），它分别为我们提供了从地球的自然表面、地球的物理表面、地球的数学表面这三个维度来认识我们脚下的这片家园。我们生活中无论是所学习到的地理知识，还是所使用的地图（包括电子地图）无不是建立在这三种体系的基础之上。
地球的自然表面。
关于地球的自然表面，常见的描述是这样的：地球体是一个两极略扁、赤道稍鼓的不规则球体。这是大多数地理书籍上也是我们最常见的一般描述。更详细一点的描述是：地球并不是一个正球体，而是一个极半径略短、赤道略长，北极略突出、南极略扁平，不规则的近似椭球体。地球的自然表面有高山、平原、丘陵、海洋等复杂多变的地表形态，对于这个海洋面积约占71%，陆地面积约占29%的巨大表面来讲，这是一个极不规则的曲面。地球表面的不规则性主要由三个方面来体现。第一，地表的起伏不平，高低落差巨大。比如，世界上的最高峰——珠穆朗玛峰高达8844.43米（2005年，国家测绘局所测；珠峰高程重新测量将于2020年正式启动），地表的最低（深）点——斐查兹海渊深达11034米。第二，地球存在潮汐现象。由于日月引力（主要是月球引力）的作用使得地球表面产生了潮汐现象，即海水面发生了周期性的涨落现象，潮汐现象实质上就是地球的变形现象。第三，地球的运动不完全规律。由于地球自身质量的分布不均匀，月球与太阳的轨道面不重合使得地球自转轴产生了进动力矩，进动方向与地球自转方向相反，该运动使得春分点每年沿黄道西退约50.37秒，这种现象在天文学上被称为岁差（axial precession），与之相关的还有章动、极移等。地球表面的极大不规则性为人们测算地球，建立坐标体系带来了很大的困难，因为地球的自然表面凹凸不平，形态复杂多变，无法通过建立数学模型来进行简洁的数学运算，难以直接作为测量、制图的基准面，也无法用一种量化的统一标准来表征地球曲面。所以为了更好地描述地球表面，人们引入了地球的物理表面。
地球的自然表面
陆地与海洋
岁差现象
地球的物理表面。
物理表面准确来讲是将地球表面理想化为一个起伏不平的重力等位面，其对重力测量具有重要的参考价值。我们日常生活中所用到的地理海拔实际上就是以此来作为起算面进行测量的（即高程起算面），也是野外测量的基准面。这个物理表面实际上是地球的大地水准面（Geoid）——即假定地球海水静止平衡不动，将此时的海水面无限延伸，穿过各个大陆、岛屿等，将地球包裹起来，最终形成一个新的封闭曲面。大地水准面的引入，是对地球的一级逼近——大地体（大地水准面所包围的形体）很好地拟合了地球的自然形状，且解决了自然山川的高程测量的基准问题。但是，由于地球内部质量的分布不均匀以及地壳的高低起伏不定，使得大地水准面的重力方向发生局部变化，致使与重力方向处处垂直的大地水准面也就不规则。这就引起了大地水准面变得复杂多变，不能用简洁的数学模型进行定义和表达，也不能作为大地测量计算的基准面。
表面拟合
表面拟合
所以，为了能进行精确地量化和计算，于是人们假想，将大地体绕地轴旋转就形成了一个表面光滑的球体，称为旋转椭球体，简称椭球体。由于此椭球体是一个规则的椭球体，所以其所构成的表面是一个规则的数学表面。在大地体基础上进一步理想化得来的椭球体是对地球的二级逼近，可以用数学方法对其进行表征和度量。由于旋转椭球体表面是一个纯粹的数学表面，可以用数学方法很好地计算地球的椭球参数，比如半轴长、偏心率、扁率等等一些地球椭球的基本元素。
但是，经过两次理想化后的地球体在某些地区已经与自然表面相差过大，所以为了贴合实际的需要（如工程测量、地图制图等），人们在旋转椭球体基础上引入了参考椭球体——即确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体。因此，这个参考椭球体不仅要确定椭球参数，还要确定它与地球水准面贴合最好的位置。参考椭球体是我们进行实地测量和坐标系构建的基础。比如，我国的1954北京坐标系所使用的是苏联的克拉索夫斯基椭球，后来所建立的1980国家大地坐标系（即西安80坐标系）所应用的是1975国际椭球体，以及全球定位系统（GPS）所使用的是WGS-84椭球参数。而参考椭球体又被看作是对地球形状的第三级逼近，它以一种相对平衡的方式实现了从无法进行量算的自然表面到能进行量算的数学表面的跨越。
工程测量
构建地球坐标系
地球（earth）是人类得以生存和发展的家园。认识地球（体）是为了更好地理解世界和改造世界，地球的自然表面、物理表面和数学表面这三个视角向我们提供了观察和认识地球的入口，而它也必将随着地理学科和数字信息技术的发展而不断更新和完善。
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