Helmert gilt als Begründer der mathematischen und physikalischen Theorien der modernen Geodäsie und war der erste, der die Grundlagen zu den Methoden der Geoidbestimmung erarbeitete. Sie konnten wegen des Fehlens geeigneter, feldtauglicher Messinstrumente aber erst einige Jahrzehnte später in größerem Maße durchgeführt werden. Helmert begründete die inzwischen klassische Definition der Geodäsie als Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche.
Zu Helmerts wichtigsten Werken zählt ein zweibändiges, 1880 erschienenes Lehrbuch, in dem er die Theoretische Geodäsie begründete, ein sich rasch verbreitendes Buch über die Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate und Abhandlungen zu den Koordinatentransformationen. Nach ihm benannt wurde eine bis heute oft verwendete Methode, die sogenannte Helmert-Transformation. Auch die als Winkel zwischen dem Schwerevektor und der Ellipsoidnormalen in einem Oberflächenpunkt definierte Lotabweichung ist nach ihm benannt, ebenso wie das Helmert-Ellipsoid, mit dem der führende Geodät seiner Zeit die Achsen des Erdellipsoids genauer anzugeben vermochte, als es anderen Wissenschaftlern in den folgenden 50 Jahren gelang.
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