大地水准面定义为最接近平均海水面的重力等位面,是最为接近地球真实形状的自然表面,是定义正高高程系统的高程基准面,又是一个能反映地球内部结构和密度分布特征的物理面,可为地学研究、国民经济发展以及国防建设提供亟需的基础信息。确定大地水准面的研究已经开展了一个多世纪,在本世纪仍然是物理大地测量学科的主要任务,吸引了国际上众多研究团体的注意,确定一个高分辨率高精度的全球大地水准面已成为本世纪大地测量学科全局性的战略目标。详细阐述了由Shen (2006)提出的确定大地水准面的新理论方法。与经典的大地水准面确定方法(Stokes方法、Molodensky方法以及Bjerhammar方法)不同,新理论方法从大地水准面的定义出发,通过求解大地水准面上的重力位方程确定大地水准面的位置,无需求解Stokes积分或Molodensky积分。详细论述了地表浅层引力位的计算过程,包括地表浅层三维空间、密度模型的建立,以及引力位建模方法。地表浅层三维空间模型的建立主要包括上下界面的确定,本文计算中地表浅层上界面陆地部分由DTM2006.0模型、海面部分由DNSC08平均海面模型组成,下界面由EGM2008大地水准面下延150m得到；密度模型的建立,则需确定CRUST2.0模型包含在地表浅层上下界面之间的部分。确定三维空间、密度分布模型后,本文采用组合模型方法(近区prism模型,远区tesseroid模型)计算了地表浅层的引力位。鉴于地表浅层引力位计算的庞大工作量,本文研究了地表浅层引力位计算的相关快速算法。基于新理论方法,结合高精度地球重力场模型EGM2008,数字高程模型DTM2006.0以及全球地壳模型CRUST2.0,确定了5′×5′新疆西藏区域大地水准面,覆盖区域为北纬25°～50°,东经70°～100°,并利用新疆境内均匀分布的21个GPS水准点对计算大地水准面以及该区域内同分辨率的EGM2008大地水准面进行了检核。检核结果显示,计算大地水准面与EGM2008大地水准面在新疆境内的精度分别为17.9mc、19.8cm,前者要优于后者～2cm.基于新方法确定大地水准面时采用了EGM2008模型,针对EGM2008模型的传播误差(commission error)及截断误差(omission error),本文采用了相应方案加以控制和削弱。首先利用通过纯卫星重力场模型得到的低阶大地水准面替换计算大地水准面的相应低阶部分,以减小EGM2008模型传播误差的影响。EGM2008模型解算时采用的地面重力数据以及由卫星测高数据转换得到的重力资料中存在长波段的误差,这些误差是EGM2008传播误差的重要组成部分,而纯卫星重力场模型仅由卫星重力数据解算,不依赖地面数据,因此不受上述长波段误差的影响。结合不同的纯卫星重力场模型(GOCO02S、EIGEN-6S、ITG-Grace2010s以及GGM03S),经过多次试算,本文发现当纯卫星重力场模型截断到120阶时,替换效果最好。经低阶替换后,新的计算大地水准面在新疆地区的精度为15.7cm,优于EGM2008大地水准面-4cm；其次利用剩余地形模型(RTM)估计了EGM2008模型的截断误差。应用剩余地形模型并替换低阶部分后的计算大地水准面在新疆的整体精度进一步提升为14.6cm.鉴于新理论方法的区域应用较为成功,本文进一步扩大了其应用范围,确定了5′×5′的全球大地水准面。为了检核所确定的全球计算大地水准面与同分辨率的EGM2008全球大地水准面的精度,本文收集了美国、澳大利亚、欧洲及中国区域等四组GPS水准数据集。检核结果显示,在美国区域,计算大地水准面与GPS水准数据差值的标准差为29.3cm,稍优于EGM2008大地水准面的29.6cm.若将比较区域限制在美国西部落基山脉(Rocky Mountains)地区,那么计算大地水准面与该地区GPS水准点差值的标准差为18.6cm,较EGM2008大地水准面在落基山区的20.4cm有明显改进。在澳大利亚地区,计算大地水准面、EGM2008大地水准面与GPS水准数据集的比较结果非常接近,差值的标准差分别为19.6cm与19.5cm.在欧洲区域,与GPS水准数据集的比较结果显示,计算大地水准面差值的标准差为39.7cm,优于EGM2008大地水准面9mm.美国、澳大利亚以及欧洲地区的GPS水准数据集均存在一些长波段误差,但并不影响我们对计算大地水准面与EGM2008大地水准面的比较。在中国地区,EGM2008大地水准面的精度为25.2cm,这一结果与章传银等(2009)利用7788个GPS水准点及Li et al.(2012)利用649个GPS水准点的检核结果接近,而计算大地水准面的精度为24.5cm,优于EGM2008大地水准面大约7mm.详细分析研究了基于新方法确定大地水准面的主要误差源的影响,研究了如何削弱这些误差源的影响,给出了可行的改进方案。在基于新方法确定大地水准面的误差源中,重力场模型误差、高程模型误差以及密度模型误差占主导地位,其他误差如平均海面模型误差及计算方法误差影响较小,在目前精度要求下可以忽略不计。重力场模型的影响最大,全球平均大约在10cm以上,不过可以通过结合纯卫星重力场模型以及剩余地形模型等方法来加以控制与削弱。数字高程模型的影响非常显著,本文基于新理论方法及不同的高程模型计算了5′×5′新疆西藏区域大地水准面,并对所确定的大地水准面进行了比较。比较结果显示,若高程模型存在百米量级的误差,那么确定的大地水准面误差将接近dm量级。密度模型的影响也较大,本文基于新的理论方法及常密度假设(岩石圈密度设为2670kg/m3)计算了5′×5′新疆西藏区域大地水准面,经与新疆境内的GPS水准点比较,其精度为19.5cm,略优于该区域内同分辨率的EGM2008大地水准面3mm.由于EGM2008模型采用的也是常密度假设,上述结果证明了新理论方法的有效性及可靠性甚至是优越性。利用新方法,基于CRUST2.0模型的计算大地水准面(不加低阶项及RTM改正)在新疆境内精度为17.9cm,比基于常密度假设的结果精度提高了1.6cm,证明采用CRUST2.0模型后,确实带来了精度上的改进。同时由于二者差异在cm量级,这表明在计算新疆地区cm级精度大地水准面时,密度差异引起的变化不可忽视,仅仅采用常密度假设是不够的,必须考虑密度的横向及垂向变化。因此,本研究对计算其他海拔较高、地势起伏较大的山区大地水准面也有参考意义。基于新疆西藏地区5′×5′计算大地水准面模型以及同分辨率的EGM2008大地水准面模型确定了珠峰高程,基于计算大地水准面的结果为8844.58m,基于EGM2008大地水准面的结果为8844.75m,前者更接近2005年国家测绘局发布的权威值8844.43m.提出了基于新理论方法精化地壳内部密度构造的“剥离法”,但其有效性及实用性还需进一步的检验。同时探讨了基于新理论方法确定的大地水准面在高程基准统一中的应用。