廣東省二等水準(zhǔn)網(wǎng)改造的構(gòu)想

朱紫陽，張希彬，許耿然

(廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500)

1 引 言

高程基準(zhǔn)作為國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是各類高程測繪的基礎(chǔ)與支撐。新中國成立初期，我國以青島驗潮站1950年～1956年7年間的驗潮資料推算出1956年黃海高程系，于1951年～1969年布設(shè)了國家第一期一等水準(zhǔn)網(wǎng);后又根據(jù)青島驗潮站1952年～1979年之間為期19年的驗潮資料推算出1985國家高程基準(zhǔn)并沿用至今，于1976年～1984年布設(shè)了國家第二期一等水準(zhǔn)網(wǎng)，又在1991年～1998年對該網(wǎng)進(jìn)行了復(fù)測［1］，目前正在全國開展國家第三期一等水準(zhǔn)測量，且針對該項工作已有大量的研究成果［2～7］;于世紀(jì)交界時完成了我國高精度、高分辨率、完整覆蓋國土的新一代(似)大地水準(zhǔn)面(CQG2000)［8］。

為滿足廣東省高程測量所需，廣東省的水準(zhǔn)測量則是在國家水準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，1955年～1958年完成了覆蓋全省陸地范圍的二等水準(zhǔn)測量，1955年～1958年完成了覆蓋全省陸地范圍的三、四等水準(zhǔn)測量;1975年～1989年進(jìn)行了覆蓋全省陸地范圍的二等水準(zhǔn)測量，水準(zhǔn)路線總長6 180 km，共埋設(shè)水準(zhǔn)點1 219 座;1976年、1983年～1991年、1999年～2001年、2009年～2011年、2013年～2014年分區(qū)域開展了三等水準(zhǔn)測量;2011年～2012年為實施珠江三角洲及周邊地區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，對珠江三角洲、雷州半島、韓江三角洲進(jìn)行了二等水準(zhǔn)測量;近年來，廣州、佛山、惠州、湛江等地為本地區(qū)高程測量需要進(jìn)行了二等水準(zhǔn)測量。為廣東省測繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化建設(shè)，廣東省于2006年完成了全省似大地水準(zhǔn)面精化計算，建立了內(nèi)符合精度±4.1 cm、外符合精度±4.8 cm的高精度、高分辨率省級似大地水準(zhǔn)面［9］。

由于自然損壞、人為破壞及保護(hù)經(jīng)費不足等原因，廣東省水準(zhǔn)測量標(biāo)志損毀較為嚴(yán)重，據(jù)不完全普查的結(jié)果顯示，水準(zhǔn)測量標(biāo)志破壞率在50%以上。由于水準(zhǔn)復(fù)測周期長、水準(zhǔn)點沉降破壞嚴(yán)重等原因，較多區(qū)域長達(dá)幾十千米甚至上百千米才有可供利用的水準(zhǔn)點，現(xiàn)有的水準(zhǔn)成果顯然已經(jīng)越來越不能滿足廣東省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需求。而隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的朝著多星多模方向發(fā)展及廣東省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(GDCORS)的雙星升級改造的實施，快速獲取高精度的大地高已成為現(xiàn)實，而目前的接近5 cm精度的似大地水準(zhǔn)面將會成為制約高精度定位的瓶頸。為及時維護(hù)和更新全省高程基準(zhǔn)框架，使其擔(dān)負(fù)高程系統(tǒng)的維持和高程基準(zhǔn)的傳遞，為地球科學(xué)研究、重大災(zāi)害預(yù)報、地理國情監(jiān)測及國防建設(shè)等提供服務(wù)，廣東省已計劃實施全省高程基準(zhǔn)框架改造工作。

2 二等水準(zhǔn)復(fù)測的構(gòu)想

2.1 高程控制網(wǎng)的起算基礎(chǔ)

廣東省高程基準(zhǔn)框架改造的主要工作內(nèi)容是進(jìn)行全省二等水準(zhǔn)復(fù)測，在復(fù)測中所有起算點必須以國家第三期一等水準(zhǔn)點為起算依據(jù)，理由主要有兩方面:

(1)確保起算點的可靠性

據(jù)統(tǒng)計分析，國家第二期一等水準(zhǔn)網(wǎng)及復(fù)測成果高程數(shù)據(jù)可靠性令人擔(dān)憂，如華中、華東地區(qū)15 個省、市區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化工作中二等水準(zhǔn)路線與一等水準(zhǔn)路線連接，大部分水準(zhǔn)點連接不上，差異較大［2］;廣東省似大地水準(zhǔn)面計算中按照GPS－B 級網(wǎng)觀測了94點，其中已知水準(zhǔn)點直接采用水準(zhǔn)點成果、非已知水準(zhǔn)點采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行了聯(lián)測，通過分析其中有6 個水準(zhǔn)點的水準(zhǔn)高程值存在明顯偏差［9］，通過重力位計算表明剩余的88 個高程異常點水準(zhǔn)成果與實際高程也存在一定的差異［10］。究其原因主要為近幾年來地殼運動劇烈，同時地下礦產(chǎn)、水資源的大量開采使許多地區(qū)、城市地面出現(xiàn)大范圍的沉降，遂使幸存的60%左右的水準(zhǔn)點高程數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性極差［2］。

國家第三期一等水準(zhǔn)測量剛布設(shè)完成，正在進(jìn)行觀測與數(shù)據(jù)處理，緊接著實施全省的二等水準(zhǔn)復(fù)測，盡量縮短與國家第三期一等水準(zhǔn)測量之間的時間間隙，可使尚未充分表現(xiàn)的起算點上的垂直沉降對成果起算的影響就很小，以國家第三期一等水準(zhǔn)點為起算點正是為了提高起算成果的可靠性。

(2)便于轉(zhuǎn)換到更新后的國家高程基準(zhǔn)

采用青島驗潮站1952年～1979年之間19年的驗潮資料推算出的1985 國家高程基準(zhǔn)已經(jīng)沿用近30年，該基準(zhǔn)不但與全球高程基準(zhǔn)存在系統(tǒng)差［11］，且系統(tǒng)差自東向西、自南向北明顯增大［12］，1985 國家高程基準(zhǔn)僅僅在黃海區(qū)域使得平均海水面與大地水準(zhǔn)面大致重合。

全球高程基準(zhǔn)統(tǒng)一［13］的趨勢勢不可擋，雖然國家有關(guān)部門未對1985 國家高程基準(zhǔn)更新作出明確要求，但綜合各方面的因素，1985 國家高程基準(zhǔn)更新已經(jīng)指日可待了。所有水準(zhǔn)路線均以國家第三期一等水準(zhǔn)點作為起算點，在國家高程基準(zhǔn)更新后，只需要對全省復(fù)測的二等水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行重新平差計算即可完成高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

2.2 高程控制網(wǎng)的布設(shè)

隨著現(xiàn)代大地測量理論和技術(shù)的發(fā)展，廣東省高程控制網(wǎng)除考慮以國家第三期一等水準(zhǔn)點為起算點以外，還應(yīng)基于已有二等水準(zhǔn)路線，統(tǒng)籌考慮空間坐標(biāo)基準(zhǔn)框架的構(gòu)建、兼顧與大地控制網(wǎng)之間的結(jié)合、及國家高程基準(zhǔn)日后的更新，形成覆蓋全省、密度適宜的省級高程基準(zhǔn)框架，滿足現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系對高程基準(zhǔn)框架的要求。同時還應(yīng)兼顧對近年來三等水準(zhǔn)測量成果的重新平差計算與高程基準(zhǔn)更新成果轉(zhuǎn)換的需要。

(1)二等水準(zhǔn)路線的改造

全省高程基準(zhǔn)框架完善的主體是二等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測，在已有二等水準(zhǔn)路線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，所有二等水準(zhǔn)路線均附合在國家第三期一等水準(zhǔn)點上，結(jié)合本省交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和各地區(qū)地殼垂直運動實際狀況，優(yōu)化現(xiàn)有二等水準(zhǔn)路線，適當(dāng)加密現(xiàn)有二等水準(zhǔn)路線，同時盡可能避免進(jìn)行跨河水準(zhǔn)測量。除了國家第三期一等水準(zhǔn)測量與海島(礁)測繪及各地區(qū)沉降監(jiān)測布設(shè)的基巖標(biāo)石水準(zhǔn)點與基本標(biāo)石水準(zhǔn)點外、尚須布設(shè)一定密度的基巖標(biāo)石水準(zhǔn)點與基本標(biāo)石水準(zhǔn)點，以滿足各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維護(hù)本地區(qū)高程控制框架的需要。對本地區(qū)高程基準(zhǔn)框架予以切實的維護(hù)。

(2)與GNSS 大地控制網(wǎng)的結(jié)合

水準(zhǔn)路線附近的GDCORS 站納入水準(zhǔn)線路，對不能納入水準(zhǔn)路線卻還臨近的GDCORS 站采用二等水準(zhǔn)支線進(jìn)行聯(lián)測，結(jié)合所聯(lián)測的GDCORS 站點分布及水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)，在水準(zhǔn)路線上布設(shè)一定密度的衛(wèi)星定位等級點，采用二等大地控制網(wǎng)點觀測精度要求進(jìn)行觀測。結(jié)合國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)、由海島(礁)測繪、珠三角及周邊區(qū)域沉降監(jiān)測在全省范圍布設(shè)的GNSS/水準(zhǔn)點，組成均勻分布于全省的密度達(dá)600 km2/點(平均點間距15 km)、高精度高程異常控制網(wǎng)。

(3)與已有三等水準(zhǔn)路線及其他專項水準(zhǔn)路線的銜接

在充分利用已有二等水準(zhǔn)路線及優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將近年來布設(shè)的三等水準(zhǔn)網(wǎng)起算點(臨近被破壞的三等水準(zhǔn)起算點)、海島(礁)測繪二等水準(zhǔn)路線、各地區(qū)二等水準(zhǔn)路線、珠三角及周邊地區(qū)沉降監(jiān)測網(wǎng)水準(zhǔn)路線納入二等水準(zhǔn)線路。將海島(礁)測繪、各地區(qū)、珠三角及周邊地區(qū)沉降監(jiān)測網(wǎng)二等水準(zhǔn)觀測成果納入全省水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行整網(wǎng)平差計算，優(yōu)化各地區(qū)的二等水準(zhǔn)測量成果，利用平差計算后的水準(zhǔn)點成果對近年來施測的三等水準(zhǔn)路線進(jìn)行重新平差計算，優(yōu)化現(xiàn)有三等水準(zhǔn)測量成果。

(4)實現(xiàn)珠江口海島高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一

廣東海域遼闊，大陸海岸線4 114 km，海島1 431個(其中面積大于50 km2的海島9 個)，而數(shù)珠江口島嶼最為集中，長期以來廣東省海島的高程基準(zhǔn)尚未實現(xiàn)統(tǒng)一，現(xiàn)有二等水準(zhǔn)路線分別沿珠江入海口的東西兩側(cè)布設(shè)，嚴(yán)重地影響了海洋測繪的發(fā)展與成果應(yīng)用。須將二等水準(zhǔn)路線跨香港、澳門直接由珠江口入海布設(shè)，實現(xiàn)珠江口東西岸水準(zhǔn)的直接聯(lián)測;并將高程基準(zhǔn)傳遞至海島，同時還可直線與香港、澳門的高程基準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)測，使區(qū)域高程基準(zhǔn)得到了統(tǒng)一。

(5)擬定的線路圖

顧及滿足上述種種需要，所初步擬定的水準(zhǔn)網(wǎng)線路圖如圖1、圖2 所示。

2.3 實施與數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)行的《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12987－2006)明確規(guī)定:對高差應(yīng)加入水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正、標(biāo)尺溫度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正和海潮負(fù)荷改正等［14］。

圖1 原有水準(zhǔn)路線圖

圖2 設(shè)想水準(zhǔn)路線圖

(1)重力異常改正

《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》明確規(guī)定:對高程大于4 000 m或水準(zhǔn)點間平均高差為150 m～250 m的二等水準(zhǔn)路線上的每個水準(zhǔn)點均應(yīng)測定重力，;高差大于250 m的二等水準(zhǔn)測段中，地面傾斜變化處應(yīng)加測重力;高程在1 500 m～4 000 m之間或水準(zhǔn)點間的平均高差為50 m～150 m的地區(qū)，二等水準(zhǔn)路線上重力點間平均距離應(yīng)小于23 km［14］。

筆者對廣東地區(qū)現(xiàn)有二等水準(zhǔn)路線計算表明，要實現(xiàn)每千米改正誤差小于0.1 mm，高程小于50 m的區(qū)域，重力點間距可達(dá)到20 km或直接采用與該地區(qū)最為吻合的地球重力場模型;當(dāng)高程在50 m～100 m之間，重力點間距宜小于10 km;當(dāng)高程在100 m～150 m之間，宜每個水準(zhǔn)點均測定重力;當(dāng)高程大于150 m的水準(zhǔn)測段中，地面傾斜處應(yīng)加測重力。水準(zhǔn)點間的高差小于50 m的區(qū)域，重力實測點間距宜小于10 km;當(dāng)水準(zhǔn)點間的高差在50 m～100 m之間，宜每個水準(zhǔn)點應(yīng)測定重力;當(dāng)水準(zhǔn)點間的高差大于100 m的水準(zhǔn)測段中，地面傾斜處應(yīng)加測重力。顯然嚴(yán)于國家現(xiàn)行水準(zhǔn)測量規(guī)范對重力點密度的要求。

另外，處于廣東省東南部、珠江三角洲東端、南臨南海的惠州市，為滿足自身基礎(chǔ)測繪對測繪基準(zhǔn)的需求，于2013年～2014年開展了覆蓋全市域陸地的二等水準(zhǔn)測量，為保證重力異常改正精度，所有水準(zhǔn)點處均按照加密重力測量精度要求施測了重力。剔除了極短的水準(zhǔn)測段數(shù)，共有有效水準(zhǔn)路線上265 個測段，平均點間距9.2 km、測段最大高差300 m、水準(zhǔn)點高程最高為420 m，按照現(xiàn)行《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》要求進(jìn)行了重力異常改正，最大改正值為0.662 mm/km、最小改正值－0.853 mm/km、均方差0.138 mm/km，測段重力異常改正最大值為6.110 mm、最小值為－4.010 mm、均方差為1.181 mm，進(jìn)一步按測段高差、水準(zhǔn)點高程對重力異常改正值進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果完全吻合。共有水準(zhǔn)環(huán)28 個，最大環(huán)線長257 km，平均環(huán)線長125 km，各閉合環(huán)重力異常改正最大值為3.30 mm、最小值為－3.24 mm、均方差為1.48 mm。

由此可見，為保證廣東省二等水準(zhǔn)高精度的重力異常改正，需分不同區(qū)域布設(shè)相應(yīng)密度的重力點，這是保證改正精度的必要前提。

(2)固體潮改正

日月引潮力的作用，使水準(zhǔn)儀垂線產(chǎn)生偏離，使前、后視讀數(shù)產(chǎn)生誤差，影響水準(zhǔn)測量高差。研究表明，當(dāng)日月在水準(zhǔn)路線同一方向時，若日月天頂距均為45°時，固體潮汐影響最大，約為0.1 mm/km［1］。進(jìn)一步研究表明，固體潮改正水準(zhǔn)環(huán)閉合差的影響不太顯著，都在2 mm以內(nèi)［1］。

通過對惠州市265 段水準(zhǔn)路線(含往返測)的530段水準(zhǔn)高差固體潮改正計算表明，固體潮改正最大值為0.081 mm/km、最小值為－0.088 mm/km、均方差為 0.034 mm/km，測段固體潮改正最大值為1.470 mm、最 小 值 為－1.230 mm、均 方 差 為0.340 mm。28 個水準(zhǔn)環(huán)，閉合環(huán)固體潮改正最大值為5.07 mm、最小值為－5.41 mm、均方差為1.88 mm，相比文獻(xiàn)［1］的改正值大，究其原因主要為水準(zhǔn)環(huán)周長短，觀測時間比較集中。

由此可見，雖然固體潮改正相比重力異常改正小，但是對測段水準(zhǔn)高差的影響還是比較顯著，故為保證廣東省二等水準(zhǔn)高精度，固體潮改正必不可少。

(3)海潮改正

廣東省南鄰南中國海，大陸海岸線長達(dá)4 114 km，海潮負(fù)荷的影響不容忽視。海潮負(fù)荷對高精度水準(zhǔn)測量的影響，取決于路線的近海位置，越是近海影響越顯著，雖然在長路線上可能有抵消，但個別測段有的改正值達(dá)到了毫米級，有的甚至超過了固體潮改正。

通過對惠州市265 條水準(zhǔn)路線(含往返測)上的530 段水準(zhǔn)高差海潮改正計算表明，海潮改正最大值為0.075 mm/km、最小值為－0.097 mm/km、均方差為 0.027 mm/km，測段固體潮改正最大值為1.780 mm、最 小 值 為－1.370 mm、均 方 差 為0.264 mm。28 個水準(zhǔn)環(huán)，閉合環(huán)海潮改正最大值為3.47 mm、最小值為－3.79 mm、均方差為1.54 mm。

3 結(jié) 語

通過對廣東省高程基準(zhǔn)現(xiàn)狀及國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的實施分析，本文從起算基礎(chǔ)、控制網(wǎng)布設(shè)、實施與數(shù)據(jù)處理三方面提出了對廣東省二等水準(zhǔn)復(fù)測的構(gòu)想。起算基礎(chǔ)方面，隨著國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)，國家高程基準(zhǔn)的更新將指日可待，為保證廣東省二等水準(zhǔn)的可用性及與新國家高程基準(zhǔn)的對接，所有水準(zhǔn)路線必須以國家第三期一等水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行銜接;高程控制網(wǎng)布設(shè)方面，需考慮與GNSS 大地控制網(wǎng)、近期布設(shè)的三等水準(zhǔn)路線及專項水準(zhǔn)路線、各地區(qū)布設(shè)的高程控制網(wǎng)、及實現(xiàn)珠江口海島高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一;觀測值改正方面，重力異常、固體潮、海潮對測段高差影響明顯，必須進(jìn)行合理改正。

廣東省高程基準(zhǔn)框架完善(即二等水準(zhǔn)復(fù)測)將充分利用現(xiàn)代科技手段和儀器設(shè)備，采用切實可行的措施，在廣東省高程基準(zhǔn)框架建設(shè)方面將具有前所未有的意義。二等水準(zhǔn)復(fù)測結(jié)合高等級大地控制網(wǎng)建設(shè)，組成覆蓋全省的高精度高程異常控制網(wǎng)，結(jié)合重力測量、地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)與高精度地球重力場模型，完成覆蓋全省陸域、海島及海域的陸海統(tǒng)一高精度似大地水準(zhǔn)面，可以更加便捷地獲取厘米級的正常高，極大地提高了測繪保障服務(wù)能力，以推動廣東海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

［1］梁振英，董鴻聞，姬恒煉．精密水準(zhǔn)測量的理論和實踐［M］．北京:測繪出版社，2004．

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［4］張全德，張鵬，陳現(xiàn)軍等．國家第三期一等水準(zhǔn)網(wǎng)施測方案研究［J］．測繪工程，2012，21(6):1～3，12．

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［13］尹雪英．對高程基準(zhǔn)統(tǒng)一方法的幾點評述［J］．測繪科學(xué)，2012(5):43～45．

［14］GB/T 12897－2006．國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］．