重力位为常数的地球封闭曲面称为重力等位面，也称水准面、水平面。在这些水准面中有一个特殊的水准面，它与全球平均海水面最为接近，这个特殊的水准面即大地水准面。大地水准面是地面海拔高程的起算面（高程基准面、零高程面），大地水准面上任一点的海拔高等于零。大地水准面的几何形状也称为地球形状，大地水准面的重力位称为地球重力位常数，又称全球大地位。还是广义相对论意义下定义地球空间时频基准和地球参考系尺度标准的重要物理量。大地水准面是大地测量学和地球科学最为重要的基础概念之一。

为简化地球形状和地球外部重力场的数学描述，通常选择符合一定条件、形状规则、可解析计算的旋转椭球作为实际地球的近似。在大地测量学中，将用来代表地球动力学平衡形状和大小的旋转椭球称为地球椭球。大地水准面相对于地球椭球面的差异，称为大地水准面差距，一般用大地水准面的大地高表示，因此也称为大地水准面高，全球范围内为-107～85米。大地水准面是重力等位面，其重力位为，国际地球自转与参考系统服务组织推荐。

地球内部密度的异常分布，导致地球外部重力位和重力是空间点位的不规则函数，地球形状也不规则。大地水准面、水准面都是不规则曲面，他们既不是几何意义上的平面，也不是规则的球面或椭球面，大地水准面或水准面上的重力值也随其所处的位置不同而不同。在大地测量学中，通常用大地水准面代表地球的动力学平衡形状，简称地球形状，并把大地水准面所包围的地球形体称为大地体。为突出大地水准面的几何形状特征，图中的大地水准面高放大了1万倍。大地水准面近似梨形，在地球南极附近凹进约32米。

大地水准面的内法线方向与铅垂线相切，大地水准面为封闭曲面，不同位置处铅垂线不平行。大地水准面与其外部水准面也不平行，即两个水准面在铅垂线方向的距离随位置不严格相等，水准面的这种性质称为水准面的不平行性。由于两个水准面不平行，要保证某一铅垂线同时与这两个水准面垂直，铅垂线不可能是直线，只能是弯曲的。

大地水准面是正高的起算面（高程基准面、零高程面），大地水准面上任一点的正高等于零。正高是地面点相对于大地水准面的高度，在数值上等于地面点大地高与大地水准面高之差。

地球外部重力场与其正常重力场的差异称为扰动地球重力场。扰动地球重力场通常用扰动位（大地水准面高、高程异常）、扰动重力、空间重力异常或垂线偏差等表示，相对于实际地球重力场，这些都是小量。地球外部扰动位定义为同一点的重力位与正常重力位之差，确定大地水准面，就是确定其扰动位或大地水准面高。

地球外部扰动位是调和函数，满足拉普拉斯方程；在远离地球的外部空间，地心距，有。地球重力场边值问题可描述为：给定某一封闭边界面的扰动重力场值，如给定边界面上的扰动位、扰动重力、空间重力异常或垂线偏差等，求解边界面外部，无穷远处条件下，整个边界面及其外部空间的扰动重力场（扰动位）。

确定大地水准面的斯托克斯（Stokes）边值问题：已知大地水准面上的空间重力异常（或重力位和重力）值，要求确定大地水准面的形状及其外部扰动位。若扰动位在大地水准面外是调和函数，即地球质量全部包含在内，则球近似下以空间重力异常为边界值的Stokes边值问题可归结为求解如下的第三边值问题。

（1）

上述Stokes边值问题等价于：已知大地水准面上的空间重力异常，求解大地水准面外部扰动位及大地水准面形状，或者说求解大地水准面高。

这是地球参考系中二阶齐次偏微分方程的边值问题，其球近似积分解为：

（2）

式中：，即单位球面上的积分面元；为平均地球半径；、分别为大地水准面上的扰动位和正常重力；称为Stokes函数。

（3）

类似地，若将大地水准面上的边界值由空间重力异常替换成扰动重力，则扰动位或大地水准面高的球近似积分解为：

（4）

式中：称为Hotine函数。

（5）

此外，地球外部扰动位是调和的，可用规格化球谐系数展开式表示为：

（6）

式中：分别为空间点的地心距、天顶距和经度；为地心引力常数；为正常椭球长半轴；称为完全规格化缔合Legendre函数；、分别称为位系数的阶和次；，，为阶完全规格化的正常引力位系数；称为完全规格化的Stokes系数，又称位系数。

通过建立观测量与位系数之间函数关系，可利用卫星重力、航空重力、地面重力、海洋卫星测高等数据，推算（6）式中的位系数，这组位系数称为地球重力位系数模型，也称地球重力场模型。有了位系数后，就可再按（6）式计算大地水准面高。

式（6）通常用于由全球重力场数据确定全球重力场与全球大地水准面，将其与（2）或（4）式组合，可进一步由区域重力场数据精化区域大地水准面。

引力频移是广义相对论重要效应之一。在重力等位面上，时钟的运行速率相同，某种原子（如⁸⁷Rb、¹³³Cs等）在两个特定超精细能级之间的跃迁频率相等，因此，地球的重力等位面是等时率面、等频率面。1985年Bjerhammar提出相对论大地水准面概念，1997年申文斌、晁定波等提出了等频大地水准面概念。等频大地水准面定义为封闭的、最接近于全球平均海面的等频面。

等时率面、等频率面是重力等位面，因此，利用高精度原子钟可测定等频或等时率大地水准面，能直接测量两点间的重力位差（地面高差）。由于高程由大地水准面重力位与地面点重力位之差，即重力位数来定义，不难理解，高精度原子钟还可直接测量高程。

当原子钟的稳定度达到10^-18后，原则上可实时、动态、单点测定厘米级精度的大地水准面或高程。若使用一台原子钟或几台事先经过严格比对的原子钟，采用走走停停，类似于水准闭合环线的测量方式，还可使相对大地水准面、地面高差的测量精度得到显著提高。

卫星导航定位时间系统〔（国际原子时（TAI）、地球时（TT）〕的秒长是以原子钟在大地水准面上的固有频率（固有秒长）为标准定义的，如全球卫星导航系统的所有星载原子钟都需经引力频移改正，与大地水准面上的时钟校准后，才能提供满足导航定位精度要求的时间测量基准。国际地球参考系的尺度标准（地球坐标系的长度标准）也是依据光速不变原理和大地水准面上的时钟来定义。广义相对论中引力频移概念，蕴含了地球重力场与地球参考系之间的几何关联。

随着原子光学及其芯片技术的快速发展，原子频标正向微型化、便携式、高动态方向稳步迈进，基于光子晶体的小型化光钟稳定度已突破了10^-17，更高精度的微型实用原子钟前景可期。届时，有望摆脱当前以获取海量重力场数据为前提的大地水准面确定模式，及需逐站进行水准高差传递的高程测定方法，突破高精度、实时动态测量难题，全面实现大地水准面和高程的实时、动态、单点的高精度测定，若集成原子惯性器件，有望实现地球外部及海洋水下空间无缝、全天候实时动态、全要素的几何和物理大地测量。

18世纪中叶以前，人们单纯采用几何大地测量的弧度测量方法测定地球形状。1743年法国的克莱洛（Clairaut）在其著作《地球形状理论》中认为，地球的外表面应是一个水准椭球，即椭球表面上各点的重力位相等，从而论证了重力值和地球扁率之间的数学关系，这一论证称为克莱洛定理。

19世纪，德国数学家利斯廷（Listing——提出用大地水准面代表地球形状，高斯（Guass）将大地水准面定义为与全球平均海面最为接近的重力等位面，英国人斯托克斯（Stokes）提出了利用重力方法确定大地水准面形状的斯托克斯理论。20世纪，托格（Torge）、里索斯（Rizos）、威尼克（Vanicek）等人对高斯的大地水准面定义不断完善。

直到20世纪中叶，利用重力方法确定大地水准面的实际工作才开始展开。起初由于全球重力数据的缺乏，主要依靠天文重力水准方法推算区域（似）大地水准面，精度为米级。自1980年代起，地面重力数据增多，卫星跟踪技术发展和卫星测高技术出现，精化全球和区域大地水准面工作才在世界范围内陆续开展，到20世纪90年代，大地水准面精度可达到分米级，空间分辨率达到5ʹ×5ʹ。

进入21世纪，以卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量为标志的卫星重力场测量技术取得了实质性突破，航空重力测量得到广泛应用，大幅提高了陆海重力场数据的获取效率，全球或区域大地水准面精度有了明显改善，能达到优于10厘米的精度水平，空间分辨率达到2.5ʹ×2.5ʹ。