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测量工作的主要研究对象是地球的自然表面，但地球表面形状十分复杂。通过长期的测绘工作和科学调查，了解到地球表面上海洋面积约占71%，陆地面积约占29%，世界第一高峰珠穆朗玛峰高达8848.13m，而在太平洋西部的马里亚纳海沟深达11022m。尽管有这样大的高低起伏，但相对地球庞大的体积来说仍可忽略不计。因此，测量中把地球总体形状看做是由静止的海水面向陆地延伸所包围的球体。 地球上的任一点，都同时受到两个作用力，其一是地球自转产生的离心力；其二是地心引力。这两种力的合力称为重力，重力的作用线又称为沿垂线。铅垂线是测量工作的基准线，用细绳悬挂一个垂球G，其静止时所指示的方向即为悬挂点O的重力方向，也称为铅垂线方向。 处于自由静止状态的水面称为水准面。由物理学知道，这个面是一个重力等位面，水准面上各点处处与点的重力方向（铅垂线方向）垂直。在地球表面上、下重力作用的范围内，通过任何高度的点都有一个水准面，因而水准面有无数个。 在测量工作中，把一个假想的、与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面。通常用平均海水面代替静止的海水面。大地水准面所包围的形体称为大地体。 大地水准面和铅垂线是测量外业所依据的基准面和基准线。 由于地球引力的大小与地球内部的质量有关，而地球内部的质量分布又不均匀，致使地面上各点的铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个略有起伏的不规则曲面，无法用数学公式精确表达。 经过长期测量实践研究表明，地球形状极近似于一个两极稍扁的旋转随球，即一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体。而其旋转椭球面是可以用较简单的数学公式准确地表达出来。在测量工作中就是用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。 世界各国通常均采用旋转椭球代表地球的形状，并称其为“地球椭球”。测量中把与大地体最接近的地球椭球称为总地球椭球；把与某个区域如一个国家大地水准面最为密合的椭球称为参考椭球，其椭球面称为参考椭球面。由此可见，参考椭球有许多个，而总地球椭球只有一个。 椭球的形状和大小是由其基本元素决定的。椭球体的基本元素是： 长半轴a、短半轴b、扁率α=(a-b)/a。 我国1980年国家大地坐标系采用了1975年国际椭球，该椭球的基本元素是： a=6378140,b=6356755.3,α=1/298.257。 根据一定的条件，确定参考椭球面与大地水准面的相对位置，所做的测量工作，称为参考椭球体的定位。在一个国家适当地点选一点P，设想大地水准面与参考椭球面相切，切点P'位于P点的铅垂线方向上，这样椭球面上P'点的法线与该点对大地水准面的铅垂线重合，并使椭球的短轴与地球的自转轴平行，且椭球而与这个国家范围内的大地水准面差距尽量地小，从而确定了参考椭球面与大地水准面的相对位置关系，这就是椭球的定位工作。 这里，P点称为大地原点。我国大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇，在大地原点上进行了精密天文测量和精密水准测量，获得了大地原点的平面起算数据，以此建立的坐标系称为“1980年国家大地坐标系”。 由于参考椭球体的扁率很小，在普通测量中可把地球看做圆球体，其平均半径为： R=(a+a+b)/3=6371Km。
