地球表层是由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈等圈层构成的一个体系，在外力和内力的共同作用之下，地表一直处于运动和变化的状态。现代空间技术的迅速发展，为地球形变监测，尤其是全球规模上的形变监测，提供了更为强有力的手段，因此我们已具备全球任意地区迅速、准确测定地表形变的能力。为了在大范围分析地表形变的情况，常规的平面坐标系下的求解方式已无法满足其精度的要求，因此本文寻求了一种直接在椭球面上，且无需采用投影的地表形变分析方法。 本文旨在由导师施一民教授所定义和建立的新型大地坐标系下，表达地表几何量，统一表述地球自然表面的三维几何量及点位变动。这种基于地球椭球面并利用新型大地坐标系来建立的地球自然表面的度量测度及度量张量表示，是将地表作为曲面空间来描述，因此它与常用的基于站心地平坐标系描述的三维位移相比，不仅便于直接在椭球上简便地计算内蕴几何量（长度、角度、面积等），还可进一步显示与曲面空间形状相关的地表形变的几何特性。本文通过两期的上海GPS形变监测网的数据计算予以验证，并采用坐标余差绝对值的一次范数为最小的估计方法来确定相对稳定点，准确地反映出局部点的异常位移，还建立起较大区域内的地表三维形变和应变分析的几何模型，使能更全面精确地表达与分析地表形变的几何和力学特性。