Uzaydaki bir noktanın yüksekliği veya derinliği, seçilen bir referans yüzeyinden itibaren yüzey normali boyunca yukarı veya aşağı yönlü olarak ölçülen mesafe olarak tanımlanabilir. Referans yüzeyi ve yüzey normali ile ilişkili yükseklik sistemi düşey koordinat referans sistemini oluşturmaktadır. Yükseklik veya derinlik referans yüzeyi literatürde düşey datum olarak bilinir. Ortalama deniz seviyesi, jeoit, yer elipsoidi düşey datum çeşitleri arasında sıralanabilir. Yer gravite alanı ile ilişkilendirilmiş yükseklik sistemlerine fiziksel yükseklik, tamamen geometrik esaslara dayalı yükseklik sistemlerine ise geometrik yüksek adı verilir. Dinamik yükseklik, jeopotansiyel sayı, ortometrik yükseklik, normal yükseklik sistemleri fiziksel yükseklik sistemlerine örnektir. Elipsoit yüksekliği bir geometrik bir yükseklik sistemidir.
Bir düşey koordinat referans sistemi içerisinde verilmiş nokta yüksekliklerinden beklenti suyun akış yönünü göstermesidir. Yani yüksek olarak belirtilen noktadan alçak olarak belirtilen noktaya suyun akması ya da eşit yüksekliğe sahip noktaların oluşturduğu yüzey üzerinde suyun hareket etmemesi beklenir. Suyun hareketi, yer çekim alanı veya jeopotansiyel ile açıklanmaktadır. Dolayısıyla mühendislik uygulamalarında yer gravite alanı ile ilişkili fiziksel yükseklik sistemlerinin kullanılması gerekmektedir.
Uluslararası standartlarda fiziksel yükseklik bilgisi ihtiyacının karşılanması için atılması gereken ilk adım, düşey koordinat referans sisteminin tanımlanması ve oluşturulmasıdır. Pratikte düşey referans sistemi oluşturmanın iki temel yöntemi vardır:
⇨ Birinci Yöntem : Klasik Jeodezik Ağ (Düşey Kontrol Ağı - Nivelman Ağı)
⇨ İkinci Yöntem : Jeoit Modelleme
Klasik düşey kontrol ağı gerçekleşimi yönteminde, deniz kenarlarındaki iskelelere kurulmuş bir veya birden fazla mareograf istasyonunda (deniz seviyesi ölçme istasyonu) uzun bir süre boyunca (genellikle 19 yıldan daha fazla) deniz seviyesi kayıtları tutulmakta ve bu verilerden çeşitli filtreleme teknikleri ile ortalama deniz seviyesi yüzeyi hesaplanmakta ve karadaki sabit bir noktayla bağlantısı kurulmaktadır. Mareograf istasyonunda belirlenen ortalama deniz yüzeyi, yükseklik sisteminin başlangıcı (H = 0 metre) diğer bir değişle düşey datum olarak kabul edilmekte, karada bağlantı kurulan sabit nokta da datum noktası olarak tanımlanmaktadır. Denizden yüzlerce kilometre uzaklarda yükseklik belirleme ihtiyacı duyulduğunda her defasında datum noktasına uğramak yerine ülke geneline belirli aralıkta sabit noktalardan oluşan düşey kontrol veya nivelman ağı olarak adlandırılan bir ağ kurulmaktadır. Düşey datum noktasından çıkış alınarak nivelman adı verilen, su terazisi mantığıyla çalışan ve yükseklik farkı ölçmeye yarayan bir teknikle düşey kontrol ağını oluşturan noktalar arasında hassas yükseklik farkları ölçülmektedir. Datum noktasının mutlak yüksekliği ve noktalar arası yükseklik farklarından yararla ağın tüm noktalarının mutlak yükseklikleri hesaplanmakta, düşey datum ağ noktalarında belirli hale gelmektedir. Sonuçta datum noktasından yüzlerce kilometre uzaklardaki bir kullanıcı düşey datumun nereden geçtiğini anlamak için deniz kenarındaki datum noktasına gitmek yerine, kendine en yakın ağ noktasına giderek bu bilgiyi öğrenebilmekte, en yakın ağ noktasından çıkış alarak da çalışma bölgesindeki istediği detayın mutlak yüksekliğini hesaplayabilmektedir.
İkinci yöntem jeoit modelleme, teorileri geçmiş yüzyıllarda atılmış olsa da yeterli duyarlılık, doğruluk ve sıklıkta veri toplanamaması ve yoğun hesap yükünü kaldırabilecek bilgisayar kapasitesinin olmaması nedeniyle son yıllara kadar uygulanamamıştır. Ancak 1980’li yılların sonlarından itibaren GPS (ABD) ile başlayan ve daha sonra GLONASS (Rusya), GALILEO (Avrupa Birliği) ve BEIOU (Çin) ile devam eden uydu konumlama sistemleri ile 1990’lardan sonra radar LIDAR gibi yeryüzünü haritalama amaçlı kullanılan tarama sistemleriyle doğrudan topografik yükseklik belirleme ihtiyacı ortaya çıkmıştır. GNSS, radar, LIDAR gibi sistemler elipsoit yüksekliği olarak bilinen tamamen geometrik bir büyüklüğü ölçebilmektedir.
Elipsoit yüksekliklerinden fiziksel topografik yüksekliklere geçiş için jeoit modellerine ihtiyaç vardır. Jeoit, durgun deniz yüzeyine çakışık olduğu varsayılan milyonlarca eşpotansiyelli yüzeylerden biridir. Yer’in çekim (gravite) alanı içerisinde sonsuz sayıda eş potansiyelli (potansiyel enerjileri birbirine eşit) yüzey vardır. Eş potansiyelli yüzeyler seviye yüzeylerdir. Yani dışarıdan bir kuvvet ile zorlanmadığı sürece üzerinde herhangi bir hareket yoktur. Örneğin, buzdolabını veya çamaşır makinesini su terazisi ile düzeçlediğimizde cihazların tabanı ile ayakları arasında bir eş potansiyelli seviye yüzeyi elde etmiş oluruz. Bu sayede dışarıdan herhangi bir kuvvet uygulanmadığı sürece buzdolabı içerisindeki yiyecekler denge içerisinde durur ve bir tarafa devrilmez. Eş potansiyelli yüzeyler yükseklik ölçmede referans alınabilecek en ideal yüzeyler olup, durgun deniz yüzeyine en yakın yüzey olması jeoidi bu anlamda önemli kılmaktadır.
Jeoit yüzeyi; fiziksel jeodezinin üçüncü sınır değer probleminin çözümü ile elde edilir. Çözüm sonunda, global elipsoit yüzeyi ile jeoit yüzeyi arasında kalan jeoit yükseklikleri elde edilmektedir. Hesaplamalarda çekül sapması bileşenleri, GNSS/Nivelman gözlemleri, gravite ölçüleri veya bunların kombinasyonları kullanılmaktadır. Günümüzde daha çok gravite ölçüleri ile çözüme dayalı gravimetrik yöntem tercih edilmektedir. Çözüm sonunda elde edilen jeoit yüksekliklerinin doğruluk ve çözünürlüğü, çözüme giren verilerin doğruluğu ve dağılımına bağlıdır. Verilerin doğruluk ve çözünürlüğü arttıkça, jeoit modelinin doğruluk ve çözünürlüğü de orantılı olarak artmaktadır. Teorik olarak bir noktada jeoit yüksekliği hesaplanmak istenirse, dünya yüzeyinin her yerinde kesintisiz gravite verisi olması gerekmektedir. Ancak pratikte bu mümkün olmayacağından, çeşitli modifikasyon teknikleri ve global gözlem yapan gravite amaçlı uydu sistemlerinden elde edilen veriler yardımıyla problem çözülebilir hale getirilmektedir.
Herhangi bir noktada GNSS, radar, LIDAR gibi sistemlerle elipsoit yüksekliği (h) ölçüldüğünde, o noktanın fiziksel yüksekliğini (H) bulmak için yüzey enterpolasyon teknikleri ile o noktada jeoit yüksekliği (N) kestirilmekte ve basit aritmetik işlem ile (H = h –N) noktanın fiziksel yüksekliği hesaplanabilmektedir.
