海拔高度

定义

海拔高度指地面某一地点高出海平面的垂直距离，又称绝对高度或绝对高程，与之相对的是相对高度，即两个地点各自海拔高度之差^[1][2]。在测量学中，它的严格表述是地面点沿垂线方向到大地水准面的距离，这个参考面相当于标尺上的0刻度^[3][4]。

由于海面随时受潮汐、风浪影响而涨落，人们改用某一海滨地点测潮站多年记录求得的平均海水面作为起算面，这个起点称为海拔零点或水准零点^[1][5]。高程是比海拔更宽的概念，泛指某点沿铅垂方向到某一基面的距离；只有当这个基面是国家规定的平均海平面时，高程序值才等于海拔高度^[6]。

与世界其他国家和地区一样，中国把某一点确定为永久水准原点，作为全国高程测量的起算依据，各地海拔都由此逐级传递推算^[7]。

原理

海拔测量的核心是确定一个参考面和相对该面的高差。水准基面理论上取大地水准面，即与全球平均海水面重合并延伸到陆地的重力等位面；实际作业中则由验潮站的长期观测结果确定平均海面代替它^[7]。由于地球内部质量分布不均匀，各处重力线方向并不都指向地心，与重力线处处垂直的大地水准面是一个不规则曲面，因此世界各国有各自确定的平均海平面作为基准^[3]。

最基本的测量手段是几何水准测量：由水准仪的水平视线读取两点间高差，一站站累加，从起算基准一直推进到待定点；这种方式每公里误差约1毫米，但要埋设标石、多人协作，效率低且实时性差^[8]。另一种思路是先用全球导航卫星系统测出相对于椭球面的几何高度，再借助大地水准面模型把几何高度换算成以平均海面为准的海拔高，即所谓全球导航卫星系统水准^[8]。

两者之间的关系可用高差公式表达。设某点的椭球高为 $h$，大地水准面高为 $N$，正常高为 $H$，则 $h = H + N$，即海拔高等于几何高减去大地水准面高^[9]。精化大地水准面模型，就是让 $N$ 足够准确，从而用卫星测量替代大量野外水准作业^[8]。

发展历程

中国早期的海拔零点很不统一，各地沿用过吴淞、大沽、大连、坎门、珠江、罗星塔等多个高程系，水利水电、铁路等部门各有自己的起算依据^[7][5]。1956年，中国依据青岛验潮站1950年至1956年的资料求得黄海平均海水面，建立1956年黄海高程系，并在青岛观象山设立水准原点，其高程为72.289米^[7][10]。

由于1956年高程系所用资料系列偏短，测绘主管部门以青岛验潮站1952年至1979年的潮汐观测资料重新计算黄海平均海水面，建立1985国家高程基准，水准原点高程改为72.260米，两者相差0.029米，该基准于1987年开始启用，1956年黄海高程系随之废止^[7][11]。中国的国家高程系统采用正常高系统，即以似大地水准面为起算面，由一、二、三、四等水准控制网逐级传递^[11]。

测量手段也在不断更新。2005年珠峰复测综合利用全球定位系统定位、水准测量、三角测量、电磁波测距、重力测量和大地水准面精化等技术确定峰顶高程^[12]。2020年珠峰高程测量同步参考美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略和中国北斗四大卫星导航系统，并以北斗数据为主，还将国家高程基准首次传递到中国与尼泊尔边界^[13][14]。

应用

海拔高度是地形测绘和各类工程勘测的基础量之一。大比例尺地形图、线路测量、水域地形测量都按所需高程精度分级作业，图根控制点允许的正常高误差可控制在数十毫米量级^[9]。在水文、排灌、交通以及地壳形变监测中，海拔高同样有着难以替代的作用^[8]。

在气象与高空探测领域，海拔是描述观测站位置和大气参数垂直分布的必要信息。2022年珠峰科考在海拔8830米架设了当时世界上海拔最高的自动气象站，并取得地面至上空39公里高度范围内的臭氧浓度及温、湿、风速风向变化数据^[15]。同年科考中，浮空艇环境观测在9032米高度创造纪录^[15]。

海拔还直接关系到人的生理适应。按高原医学常用的划分，1500至3500米为高海拔，多数人经一段时间可以适应；3500至5500米为超高海拔，能否适应取决于个体差异；5500米以上为极高海拔，人体机能会明显下降，长期停留无法完全适应^[3]。人们通常在2400米以下感觉基本正常，超过2400米后需要合理的适应过程和足够时间^[3]。

局限

海拔高度没有唯一的全球数值，其数值取决于所选的起算面，而各国、各地区定义的零高程面本身并不一致。由于海面存在起伏，不同国家确定的零高程面之间最多可相差约2米^[16][17]。例如巴拿马运河太平洋一侧的海平面就比大西洋一侧高约20厘米^[5]。

卫星定位直接测出的几何高度以椭球面为准，与以平均海面为准的海拔高不是同一个量。两者之差即大地水准面高，在全球范围内差异可达上百米，因此不能把卫星高度直接当作海拔使用^[17][16]。航空器同时装有气压式仪表和卫星导航设备，前者给出相对平均海面的高度，后者给出相对椭球面的高度，若混用错误的高度信息会带来风险^[16]。

把卫星测得的几何高换算为海拔高，前提是大地水准面模型足够精确，而全球重力场模型的精度分布很不均匀。在资料稀疏的地区，全球模型换算的误差可达数十厘米甚至约1米，远低于四等水准的要求；只有在重力数据和高精度水准网充足的地区，才可能达到厘米级^[18]。此外，高精度水准点本身也会因地面沉降、冻胀等原因发生位移，其高程值随时间变化，需要定期复测维护^[19]。

在沿海低平地区，用全球数字高程数据评估海拔还会遇到起算面不匹配的问题。多数全球高程数据以大地水准面为参考，而危害评估往往需要相对于当地实际海面的高程，未做基准换算会带来系统性偏差，低平三角洲地区的评估结果因此可能明显失真^[20]。

参见

• 高程 —— 表示地面点沿铅垂方向到某一基面距离的一般概念，平均海平面为基面时即为海拔。

• 大地水准面 —— 与平均海水面重合并延伸到陆地的重力等位面，是海拔的起算面。

• 水准原点 —— 国家高程测量的起算点，中国的水准原点设在青岛。

• 相对高度 —— 两点海拔高度之差，与海拔高度相对而言。

• 全球导航卫星系统 —— 可用于测定几何高度，经大地水准面换算后得到海拔高。

• 数字高程模型 —— 以网格形式存储地面海拔高度数据的产品。