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測地学、測量、水路測量、航海において、垂直基準面または高度基準面は、地球上の特徴（地形、水深、水位、建造物）の標高や衛星軌道の高度、航空など、垂直位置に使用される基準座標面です。惑星科学では、垂直基準面はゼロ標高面[ 1 ]またはゼロレベル基準[ 2 ]としても知られています。
垂直基準面の基準として一般的に採用されている方法には、以下のものがある。
一般的に標高は海抜高度で表されますが、「海面」が実際に何を意味するのかは、一見したところよりも複雑な問題です。ある場所と時間における海面の高さは、波、風、海流、気圧、潮汐、地形、そして近くの氷床や山脈の存在による重力の強さの違い、地殻やマントル深部の密度の変化など、数多くの影響の結果です。
陸上の物体の高さを測定する目的で、通常使用される基準面は平均海面（MSL）です。これは潮汐基準面であり、特定の19年周期で取得された毎時の水位の算術平均として定義されます。この定義では、潮の満ち引き（太陽と月の引力の影響による）や短期的な変動が平均化されます。しかし、局所的な重力の影響は除去されないため、測地基準面に対するMSLの高さは、世界中で、さらには同一国内でも変動します。各国は、その国におけるすべての地図作成や測量のための標準「海面」として、特定の地点の平均海面を選択する傾向があります。（例えば、イギリスでは、国の垂直基準面であるニューリン測量基準面は、1915年から1921年までのコーンウォール州ニューリンの平均海面に基づいています。）[ 3 ]しかし、ある国で定義された標高ゼロは、別の国で定義された標高ゼロと同じではありません（MSLはどこでも同じではないため）。そのため、地域で定義された垂直基準は互いに異なります。
海図の基準面を選択する際には、異なる原則が用いられます。安全上の理由から、航海士はあらゆる地点で発生する可能性のある最小水深を知ることができなければなりません。そのため、海図上の水深と潮汐は、潮位がそれ以下になることがほとんどない水準として定義される海図基準面を基準として測定されます。この基準面の選択方法は、海図作成対象海域の潮汐状況と、当該海図を作成する水路局の方針によって異なります。一般的な定義としては、最低天文潮位（重力の影響から予測できる最低潮位）または平均最低低潮位（1日の平均最低潮位）が挙げられますが、潮位差が非常に小さい海域では平均最低低潮位が用いられることもあります。
逆に、船舶が低い橋や架空送電線の下を安全に通過するためには、船長はマスト頂部と障害物との間の最小クリアランスを知っておく必要があり、これは満潮時に発生します。したがって、橋梁クリアランスなどは、最高天文潮位や平均満潮位など、満潮を基準とした基準面に対して定められています。
海面は地質時代を通じて一定ではないため、非常に長期的なプロセスを研究する際には潮汐基準はあまり役に立ちません。場合によっては、例えば火星の表面をマッピングする場合のように、海面が全く適用できないこともあり、その場合は平均半径などの別の「ゼロ標高」を使用する必要があります。
測地垂直基準面は、特定のゼロ点を基準として、海面を参照することなく、使用されている測地モデルに基づいて標高を計算します。通常、開始基準点は潮位計であるため、その点では測地基準面と潮位基準面が一致する可能性がありますが、海面変動のため、他の場所では両方のスケールが一致しない場合があります。重力に基づく測地基準面の例としては、北米で使用されているNAVD88があり、これはカナダのケベック州の地点を基準としています。WGS 84、GRS80、NAD83などの楕円体に基づく基準面は、ジオイドとは大きく異なる可能性のある理論上の面を使用します。
一般的な垂直基準点の種類には以下が含まれます。[ 4 ]
緯度φと経度λに加えて、楕円体高hは、ある場所の3次元測地座標（または地理座標）を提供する。 [ 6 ]
したがって、地球上、地球内部、または地球上空にある地形的特徴の位置を完全に特定するには、垂直位置も指定する必要があります。地球は球体ではなく、二軸楕円体に近い不規則な形状をしています。ほぼ球形ですが、赤道が膨らんでいるため、赤道での半径は極を通る半径よりも約 0.3% 大きくなります。短い方の軸は、おおよそ自転軸と一致します。初期の航海士は海を垂直基準として使用できる水平面と考えていましたが、実際はそうではありません。地球は、重力場内に等しい位置エネルギーの層を複数持っています。高さは、この表面に直角に、おおよそ地球の中心に向かって測定されますが、局所的な変動により、等ポテンシャル層は不規則になります (ただし、おおよそ楕円体です)。高さを定義するためにどの層を使用するかは任意です。
海図基準面とは、海図に表示される水深の原点（または座標面）として機能し、潮位の報告や予測にも用いられる水面のことです。海図基準面は一般的に何らかの潮汐位相から導き出され、その場合は潮汐基準面とも呼ばれます。[ 8 ] 一般的な海図基準面としては、最低天文潮位（LAT）[ 8 ]と平均最低低潮位（MLLW）があります。バルト海などの非潮汐域では、平均海面（MSL）が使用されます。[ 9 ]
海図基準面は垂直基準面の一種であり、海図の水平基準面と混同してはならない。ただし、必ずしも等地電位面（水面）ではない。海図基準面は、潮位差の小さい地域から大きい地域にかけて傾斜しており、河川では、低水位に沿って傾斜し、起伏のある面となる。[ 10 ]
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