杭州市現代高程基準基礎設施建設分析與實踐

呂松華

(杭州市勘測設計研究院，浙江杭州 310012)

1 概述

測繪基準是進行各種測量工作的起算依據。作為各類測繪活動的基礎和支撐，測繪基準是國民經濟、社會發展和國防建設的重要基礎設施。它主要包括大地基準、高程基準、深度基準和重力基準。

其中，高程基準是建立高程系統和測量空間點高程的基本依據。1987年后我國采用青島大港驗潮站1952年～1979年的資料，確立了黃海85高程基準。沿用至今，即為1985國家高程基準。我國在1977年～1988年進行了第二期一等和二等水準網測量。20世紀90年代又完成了上述二期一等水準網的復測。

隨著測繪技術的進步，現行測繪基準體系的整體水平明顯滯后于現代測繪技術的發展步伐;測繪基礎設施長期以來遭受嚴重損毀，現有測繪基準體系的成果精度和數據現勢性，不能滿足社會發展對現代化地理空間信息控制基準服務的迫切需求，基準體系服務能力不斷下降。

在現今GNSS定位時代，精化區域性大地水準面和建立區域性高程控制網同等重要，也是一個地區建立現代高程基準的主要任務。在高程提供形式上，不僅可以通過高程控制網來提供高精度的正常高，還能利用局域似大地水準面結合GNSS定位技術提供正常高。

為適應新時代測繪技術的發展，滿足區域城市化進程和城鄉統籌發展對現代高程基準的需求，現代高程基準基礎設施建設在全國各城市紛紛開始啟動和實施。

2 杭州市高程基準基礎設施的現狀與問題

杭州是浙江省省會城市，位于浙江省西北部，范圍為北緯 29°11'～30°34'和東經 118°20'～120°37'之間。杭州市轄 8個區、5個縣(市)，全市土地總面積16596 km2。

2.1 高等級水準控制網

目前本地區除原杭州市于2006年布設的二等水準網(控制面積約3068 km2)外，其余5縣市均未建立全面、統一的二等水準網，僅有10條國家高精度一、二等水準路線和6條浙江省三等水準路線經過，施測時間從1997年～2006年。

圖1 杭州市2009年高等級水準控制網現狀圖

從圖1可以看出，截止2009年，在市域1.6萬km2范圍內，僅市域東部杭州市區保存有較完整的二等水準控制網，但也存在點位沉降和標石破壞等問題，需要復測和補埋提高成果現勢性。而在市域中西部約1.3萬km2范圍內僅沿主要公路分布有若干條一、二、三等水準路線，密度稀少。同時國家高程控制網使用至今已有20余年歷史，由于地形形變和標志損毀等原因，現勢性較差，已無法滿足高程起算的密度和精度要求。綜上所述，杭州市域現有高等級水準控制成果現勢性較差、覆蓋區域較小、分布不均勻、標志破壞嚴重，已無法滿足社會發展對測繪高程基準的要求。

2.2 似大地水準面模型

目前杭州市域全境覆蓋有2004年實施的浙閩贛區域似大地水準面精化項目獲取的2.5'×2.5'分辨率厘米級精度似大地水準面，可滿足1∶1000等航空攝影大比例尺測圖。同年杭州市實施了覆蓋市區約5000 km2的厘米級似大地水準面模型，可滿足1∶500地形測圖高程控制需求。

上述模型計算實施中存在獲取的大地高和水準高成果精度較低、GPS觀測與水準觀測不同步等問題，導致模型精度較低，不能滿足更高精度的需求。

同時，隨著“杭州市CORS系統”的建立和運行，全市大地基準已統一到CGCS 2000國家基準，同時GNSS技術應用已實現高程提供方式的突破，結合“網絡RTK技術”和“大地水準面模型”高效率、高精度的獲取地面三維坐標有了更大的需求。但上述模型并非在HZCORS下直接獲取，使用中存在系統不一致等問題。

從高程控制網和似大地水準面模型的現狀和問題出發，杭州市高程基準基礎設施要從內容和技術兩方面實現自身的現代化，以適應這種需求作好測繪保障。

3 杭州市高程基準基礎設施現代化的任務

杭州市高程基準基礎設施現代化的任務主要包括兩個方面，一是市域高程控制網的更新和完善;二是似大地水準面模型的建立，基于CGCS2000大地基準，在HZCORS系統控制下獲取市域厘米級精度似大地水準面模型。

(1)更新市域高程控制網。首先在國家二期一等水準網復測成果基礎上，經聯測和數據分析，在可靠一等水準成果的基礎上，建立覆蓋全市域、統一的二等水準首級控制網;再次，根據需要在部分區域加密四等水準控制網，形成“二等+四等”的全覆蓋、重點突出的高程控制體系。二等水準路線總長度將達到3500 km左右。

(2)獲取市域厘米級精度似大地水準面模型。對高程的需求今后主要由大地水準面結合GNSS技術來提供，這是高程控制網現代化的必由之路。為滿足大比例尺測圖和工程建設方面的需要，結合HZCORS，必須在市域推算基于CGCS2000大地基準、以HZCORS為起算控制的市域高精度似大地水準面模型。從技術層面上就是由目前的5 cm精度提高到1 cm左右。

4 杭州市現代高程基準基礎設施建設實踐

4.1 項目設計

利用GPS定位技術、水準測量技術和重力場的理論與方法，按照統一規劃、整體設計的原則，以杭州市CORS系統為基準，均勻布設杭州市由GPS/水準點組成的大地水準面精化網和一、二等水準高程網，通過GPS網與一、二等水準高程網，建立和維持集平面控制與高程控制于一體的杭州市三維空間基準網，并結合GPS、水準、DEM數據、重力數據和地球重力場模型，確定杭州市高精度、高分辨率區域似大地水準面模型。

本項目是通過GPS控制網(包括 GPS框架網、GPS C級網)、一、二等水準高程控制網和似大地水準面精化三部分來具體實施。設計時，綜合考慮GPS測量成果與水準測量成果的時效性(或現勢性)，保證同步性;重視市域水準控制的起算基準，原則上保證與2006年市區二等水準成果保持一致。

(1)GPS控制網設計

杭州市GPS控制網分兩級布設，分別為GPS框架網和C級網。

GPS框架網由杭州及周邊地區連續運行參考站點17點和杭州及周邊地區A級點9點共26點組成，主要用于建立和維持杭州地區區域大地基準。杭州GPS網數據處理收集了杭州市周邊的上海(SHAO)、武漢(WUHN)、泰安(TAIN)、廈門(XIAM)、TWTF(桃園)5個國家GPS連續運行站的數據。

杭州市GPS C級網根據大地水準面精化的精度和密度需求，在杭州市均勻布設，由杭州市原有C級網點50點和新埋C級網點126點，共176點組成。所有GPS C級點均采用一等或二等水準連測高程。

圖2 GPS C級點分布圖

框架網、C級網觀測均采用基于連續運行參考站GPS靜態相對定位模式作業。GPS框架點按B級網觀測精度進行，觀測3個時段，每時段觀測時間不少于23.5 h。GPS C級點按C級網觀測精度進行，每個點觀測1個時段，時段長度12 h。

(2)水準網設計

杭州市一、二等水準高程控制網布設，按照整體布網、分級控制、全面覆蓋的設計原則，充分利用已有國家一、二等水準路線，增設部分一等水準附合路線，在空白地區增設部分一、二等水準附合路線和支線，最終建立以一等水準閉合環為骨架，以二等水準網為經絡，覆蓋杭州市轄區統一的高程基準體系，滿足高程控制和似大地水準面精化需要。

①為了提高控制點的控制效率，非城建區或山區等困難區域可適當延長相鄰水準點的間距，但最大間距以不超過12 km為宜;城建區相鄰點位間距可適當縮短至4 km左右;

②為了滿足似大地水準面精化的需要，設計的GPS/水準點應滿足GPS觀測要求，觀測標志為普通水準標志。便于GPS觀測精確對中，標志中心鉆取直徑不大于1.5 mm對中點;

③每個鄉、鎮城建區保證擁有兩個以上水準點。

④五縣(市)中根據地質條件布設一定密度的基巖水準點。

圖3 一、二等水準路線圖

4.2 獲取的項目成果

(1)通過GPS數據處理獲得了杭州市17個CORS站點、9個框架點及174個GPS C級點的2000國家大地坐標系成果。

(2)水準網數據處理獲得了811 km的1985國家高程基準的一等水準測量成果及2741 km的二等水準測量成果。一等水準成果:單位權中誤差(每千米):m0=±0.49 mm;二等水準成果:單位權中誤差(每千米):m0=±0.64 mm。

(3)充分利用杭州市及周邊地區的重力點成果、數字高程模型、采用EGM2008全球重力場模型、及分布較均勻的現勢性較好的GPS水準成果，采用重力法(Molodensky原理)及移去～恢復(remove～restore)技術，綜合利用多種現代擬合方法完成了分辨率為2.5'×2.5'的高精度杭州市似大地水準面模型的計算，模型總體精度為±1.0 cm。

4.3 技術特點

(1)充分收集利用杭州市及周邊的國家GPS連續運行參考站數據，采用高精度的數據處理軟件、嚴密的數據處理技術方法，獲得了杭州市CORS、GPS框架網及GPS C級網精確的2000國家大地坐標系成果，首次確定了杭州市統一的三維地心坐標框架基準。

(2)杭州市水準網采用一、二等水準布設方案，對杭州市區域內我國一、二等水準路線進行了全線復測，在數據處理中加入了海潮負荷改正，所有成果與前期水準成果進行了分析比較，獲得了現勢性強、精度高的杭州市現代高程基準數據。

(3)考慮到市域地面沉降因素，重視一、二等水準控制的起算基準。經點位沉降分析，選擇可靠的適合城市長期使用的國家一等基巖點作為本項目高程網起算點，在與國家高程基準緊密聯系的基礎上保證杭州市域高程基準的相對穩定性。

(4)采用國際上先進的全球地球重力場模型——EGM2008模型(2160階次)，陸海統一的嚴密重力歸算理論與技術以及精密確定地形質量對大地水準面的直接與間接影響，完成杭州市區域重力大地水準面的計算。

5 結語

為適應新時代測繪技術的發展，滿足區域城市化進程和城鄉統籌發展對現代高程基準的需求，區域性現代高程基準基礎設施建設應該得到更高的重視。

本文結合杭州市建設實踐，總結了現代高程基準基礎設施建設的內容和手段。建設中，建議重點關注高程控制網的點位可靠、起算穩定和分布密度;關注似大地水準面模型的大地基準和精度，注重在CGCS2000基準下與CORS系統的有機結合。

［1］張全德，郭春喜，王斌.浙閩贛區域似大地水準面精化［J］.測繪科學，2007(1).

［2］陳俊勇，張鵬.國家測繪基準“十二五”重大項目的思考［J］.武漢大學學報·信息科學版，2009(10).

［3］寧津生，劉經南，陳俊勇等.現代大地測量理論與技術［M］.武漢:武漢大學出版社，

［4］GB/T 12897－2006.國家一、二等水準測量規范［S］.

［5］GB/T 18314－2009.全球定位系統(GPS)測量規范［S］.

［6］GB/T 23709－2009.區域似大地水準面精化基本技術規定［S］.