大城市精密水準網復測中新技術、新工藝的應用——以上海市為例

謝惠洪，葉　勤

(1. 上海市測繪院，上海 200063； 2. 同濟大學，上海 200092)

Application of New Technology in Repetition of Megacity Precise Leveling Network

——A Case Study of Shanghai

XIE Huihong，YE Qin

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大城市精密水準網復測中新技術、新工藝的應用
——以上海市為例

謝惠洪1，葉勤2

(1. 上海市測繪院，上海 200063； 2. 同濟大學，上海 200092)

Application of New Technology in Repetition of Megacity Precise Leveling Network

——A Case Study of Shanghai

XIE Huihong，YE Qin

摘要：結合2011年上海市精密水準復測工程實踐，介紹了在特大城市精密水準復測中設計、選點、計算等階段采用的新方法、新工藝等技術手段及管理方法，并就其中涉及的一些技術問題提出了看法。

關鍵詞：水準測量；設計；觀測；質量控制

特大城市是指人口規模、經濟規模、地理空間規模，以及區域發展和創新帶動力方面都處于國家或區域的前列，在區域城市體系發展方面起著重要標桿作用的城市。上海作為中國的特大城市，近二三十年來，進入城市高速發展時期。城市的發展對城市基礎地理信息的更新提出了更高要求，而地面高程信息是城市基礎地理信息的重要要素。

城市的擴張及市政建設的迅猛發展，造成許多水準點被破壞，根據2010年下半年水準普查統計,全市破壞近600個點，約占上海市水準點總數的1/4。同時，由于上海是地表層沉降活動明顯地區，地下水使用量大，造成現有水準點的穩定性降低。這些因素導致的水準點高程異常，將不可避免地影響上海的工程建設和相關科學研究中數據的準確性與精度。為了進一步提高水準網精度，高效、可靠地為工程建設和科學研究提供測繪保障，并為研究上海地區地殼運動的變化提供可靠依據，根據上海高程控制網五年更新周期要求，筆者所在單位于2011年對上海全市的精密水準網進行復測。

在這次精密水準復測過程中，針對城市面積大、水準路線范圍廣、包括跨大江(長江)水準等因素，在設計準備、觀測、平差計算、質量控制及成果數據發布方面采取相應的技術措施，進行方法與工藝創新，以提高結果的精度與可靠性，滿足最終的要求。

一、基于地理影像信息的精密水準網設計

傳統水準路線、水準網設計基于的是已有交通圖。由于上海建設速度快，造成城市面貌改變較大，而已有交通圖現勢性差，且交通圖在成圖過程中舍去了很多信息，因此比較粗略。利用交通圖進行規劃、設計，設計的線路與實際施測時真實的水準線路相差比較大，這直接影響水準工作量的預算準確性。

隨著地理信息技術的發展，以及地理信息公共服務平臺的相繼建立和完善，采用地理信息公共服務平臺所提供的數據服務來進行大規模水準網的規劃和設計成為可能。上海市地理信息公共服務平臺提供WMS服務，由于WMS中提供的影像都是上海市最近一年的影像數據，現勢性好，而且包含極其豐富且清晰可辨的地物細節信息，因此非常有利于水準網、水準路線的規劃設計。

在整個上海市水準網復測的規劃和設計過程中，筆者利用上海市地理信息公共服務平臺提供的WMS服務，采用其最新的航空影像數據對整個上海市水準網進行精確規劃和設計。通過此項規劃和設計的水準路線長度為5256 km，經施測檢驗其水準路線長度與實際路線長度差距在100 m以內。在設計階段對水準路線長度作準確預計，為水準網形施測前的精度估計提供了精確的路線數據，也對施測前的各項準備有利。

二、崇明三島與上海陸域的水準聯測

過去崇明三島與上海陸域的水準測量采用跨江水準的方法，由于此處長江江面很寬，至少都在6 km以上，因此水準測量精度受到影響。2009年底上海長江隧道和長江大橋的通車及崇啟通道的建設，為2011年的水準復測通過長江隧道和長江大橋采用常規一等精密水準線路提供了條件。

在實際的水準路線測量中采用車輛通過的閑時時段進行觀測，首次實現了浦東—長興—崇明常規一等水準連測，對長興和崇明歷史上采用長距離跨江水準實測的已有基巖點和水準控制點的精度進行了驗證，確保了崇明三島的水準點精度與全市一致，為崇明三島的開發建設提供了測繪保障[1]。

三、基于全過程質量控制的觀測生產

為了滿足大規模等級水準測量需要，在生產階段，為解決儀器本身的缺陷及各作業隊伍在作業樣式、數據預處理方式上的差異，提高作業效率和成果質量，筆者開發了具有自主知識產權的等級水準測量數據采集軟件，在此基礎上構成了等級電子水準測量數據采集系統。為了加強質量控制，提高成果質量，在2011年上海市精密水準復測項目中，將質量控制措施前移，質量檢驗同步，全程委托上海市測繪產品質量監督檢驗站進行質量控制，做到了基于全過程檢查的觀測生產。

1. 自主開發了水準測量數據采集軟件

從2011年水準復測的實際需求出發，在總結2006年水準復測工作的經驗基礎上，為解決水準測量中儀器本身的缺陷及各作業隊伍在作業樣式、數據預處理方式上的差異，提高作業的效率和成果質量，開發了具有自主知識產權的等級電子水準測量數據采集軟件，以滿足大規模等級水準測量的需要。

該軟件充分考慮了國家相關標準規范的要求，也充分考慮了此次上海市水準復測項目的特點，并結合上海市測繪院各個部門的硬件軟件情況，統一了等級水準測量的作業流程、精度指標和成果樣式。在軟件中，通過設置符合我國等級水準測量要求的限差參數，使得外業測量自動化、傻瓜化，提高了外業作業的效率和質量。同時，該軟件具備在外業測量數據中自動化提取符合數據格式要求成果報表的功能，統一了因作業隊伍習慣與儀器不同帶來的成果樣式差異，便于數據網平差等后續工作的開展及成果的二次利用。

為保證等級電子水準測量數據采集系統軟件的穩定性，在研究中對其進行了3方面的測試：一是項目組內部的功能測試與壓力測試，在軟件開發過程中為實現軟件功能，進行了大量的功能測試；二是分院各部門的外業測試，在完成軟件的基本功能后，根據水準測量的特點，為保障系統的穩定性，在南方公司提供的測試的WinCE手簿上進行測試；三是由外單位實施的第三方測試，測試采用Trimble DINI 12水準儀和Trimble RECON手簿，測試內容為一、二等水準測量，測量場地為上海市浦東國際機場。結果顯示，該軟件滿足等級水準測量功能需要，測試結果顯示符合國家水準測量規范要求，滿足等級水準測量外業數據采集需要。

在2011年水準復測項目過程中，等級電子水準測量數據采集系統積累了大量的實踐經驗，這些經驗及時有效地反映到該軟件的更新完善過程中，為工程測繪系統的推廣使用奠定了堅實的基礎。該系統軟件的應用縮短了生產周期，提高了生產質量。

2. 現場標記的規范

水準點的現場標記，對于水準點后續的找尋、應用有重要作用。為了方便，以往水準點現場都是用紅漆手寫撐線距離，字體大小不一且不美觀，給城市環境的美觀造成一定的負面影響，與上海的國際大都市形象不符。從促進城市環境美化的角度出發，經過多次調研嘗試，在不增加太多工作量的前提下，在此次水準復測項目中對水準點撐線采用統一模板進行了點位紅漆噴繪，使得水準點標示更加標準、規范，減少了對城市外觀環境的影響，取得了良好的效果。圖1為具體現場實施的示例。

圖1　水準點現場標記圖

在施測過程中，為便于野外查找點位，每個水準點各拍攝了遠、近照片一張。近照反映該點點位情況，實地水準點點號，并在照片合適位置加注點號；遠照盡量將周邊標志性地物一起攝入，反映該點與周邊地物的關系，同時在實地放置腳架標示點位或在照片中用紅色箭頭標示點位，并在照片合適位置加注點號。遠、近照片將來作為點之記的附圖一起提供給用戶，可以直觀地反映該點位的情況。

為更加準確地反映點位信息，此次在繪制點之記時盡量完善各欄目的內容，特別是詳細位置圖和概略坐標較以往更加精確。

3. 基于全過程的質量檢驗

為進一步加強質量控制，提高成果質量，2011年上海市精密水準復測項目中，質檢部門參與了全過程質量檢查。此次水準復測項目全程委托上海市測繪產品質量監督檢驗站進行質量控制，做到了控制措施前移,質量檢驗同步。

水準復測項目啟動以來，質檢站派出了專人加入水準網復測項目組，一起進行項目的歷史資料分析、搜集和整理，參與項目前期總體策劃和項目設計書的編寫，從質量控制角度在項目開始階段進行干預。經過多次討論制定了嚴格的質量控制措施，控制措施從外業數據采集到內業數據整理，從測段往返閉合差到環閉合差檢核，從測區精度到全網精度，涵蓋了水準網項目的所有環節，節節相扣，為一全過程的質量控制。在本次項目的前期策劃中，即要求各作業隊伍的數據分批上交，以便質量檢驗與生產作業同步進行。在項目實施過程中，質檢站及時根據上交情況，組織人員數十次開展外業實地檢測測段高差、外業復查部分點之記、內業核算部分環和路線閉合差、內業審核數據資料等。對檢查中發現的問題及時反饋給作業隊伍，使作業隊伍在后續的作業中徹底改正，避免同一問題重復發生，實現了質量檢驗同步、質量監控全程的預期目標。此外項目組也多次到作業現場開展監督檢查與指導，了解作業隊伍在生產周期、質量控制等方面的情況，并現場解答或協調落實作業隊伍反映的各類問題，實現問題的實時反饋與解決[2]。

4. 基于不同平差方法的水準成果解算

為提高水準成果的準確率，在平差計算方面，采用不同方法進行驗算。

結合最新的現代平差理論，結合此次水準復測的實際情況，研制了適用于自身需求的水準網精密平差軟件，該軟件具備以下特點：

1) 適應多種平差模型：最小二乘、擬穩、自由網。

2) 粗差探測功能輔助迅速查找可能存在粗差的觀測值。

3) 最短路徑算法自動查找閉合環。

4) 分等級定義不同權、實現整網平差。

圖2　4套成果與其均值差異分布

四、數據發布與應用

1. 數據發布

通過外網進行精密水準成果的發布，擴大成果的應用面。上海市精密水準復測成果已于2012年3月15日正式發布，正式上線上海市測繪管理辦公室的網站，客戶可通過該平臺了解水準點的現狀，方便進行水準路線設計及施工安排。

成果發布中，為方便客戶對成果的使用，提供了水準點的平面坐標，同時拍攝的水準點的遠、近照片作為點之記的附圖一起提供給用戶。由于此次繪制點之記時各欄目的內容比過去完善，特別是詳細位置圖和概略坐標較以往更加精確，因此可更加準確地反映點位信息。

同時，通過該平臺可了解上海的水準點布設情況，如圖3所示。此次精密水準復測工作獲得的水準信息為上海“智慧城市”建設提供準確完整的大地基準。

2. 應用該數據對上海的地面沉降趨勢的研究

對本次項目復測的結果及歷年水準成果進行分析，并結合水準點點位坐標分布，采用多項式內插模型對未知位置的高程進行擬合內插，最后計算出各點高程值。在此基礎上，利用歷年數據與2011年水準成果分別計算上海地區1995—2011年、2001—2011年、2006—2011年水準高程變化情況[3]，擬合結果如圖4所示。

圖3　水準點分布

圖4　水準成果擬合地面形變

從圖4可知，上海嘉定、寶山、青浦等部分區域有較大的地面上升，崇明東灘地區沉降嚴重，其余區域沉降趨緩。利用精密水準點數據研究上海的地面沉降趨勢，對上海地理市情普查和監測有一定參考價值。

五、幾點體會

1. 設計階段應準備充分

資料準備主要包括：水準點現狀的調查，包括水準點的破損情況、補漏情況等；儀器設備配備，應按照國家標準要求配備，對采集軟件進行優選改進，既方便操作，同時也要考慮后續的數據處理，考慮到數據資料的規范性， 設計中應詳細明確數據的格式、 內容等要求，統一不同施測部門的輸出格式，保證數據一致，減小后續工作量，統一成果質量；人員培訓方面， 儀器設備作業人員在開測前應統一培訓， 熟悉技術設計中要求，特別是對標準的更改，同時，加強人員之間的配合，提高熟練程度，保證數據質量，提高效率。

2. 充分利用各種最新影像信息提升項目準備和后續測量階段的應用

在前期準備工作階段，如有最新的影像信息應充分利用，由于其現勢性好且信息豐富，設計數據與實測情況相差小，對后續資料準備、儀器設備配備、人員培訓等都極為有利。

在后續測量中，應充分利用多種信息獲取方法對點之記方法進行輔助，利用實地拍攝的點位照片輔助點之記文件，相關的資料應規范，越細致越好。

3. 外業測量周期應壓縮

除了按國家標準的要求進行測量外，應確保路線、測段等的時間一致性，特別避開雨季對水準測量的影響；如果施測周期較長，容易導致前后數據不一，無法達到限差要求。

六、結束語

在此次上海市精密水準復測工作中，筆者從項目啟動階段即利用各種新的技術手段方法進行設計，在設計階段即對質量控制進行通盤考慮，在實施階段針對項目的特點開發了水準測量數據采集軟件和水準網精密平差軟件，并針對用戶的應用需求，在點之記和現場注記方面進行了改進,方便了成果的后續使用。該項目的實施得到了業界的充分肯定，榮獲了中國測繪學會2012年優秀測繪項目白金獎。

參考文獻：

[1]陳曉嵐.上海市水準網復測數據分析與應用[J].測繪與空間地理信息，2012，35(11)：210-213，216.

[2]鄧斌，季善標，袁偉，等.上海市2006年精密水準網平差分析[J].江西測繪，2007(S0)：19-21.

[3]鄒俊平.2011年上海市精密水準網復測數據處理與分析[J].城市勘測，2012(5)：94-97.

[4]國家測繪局.國家一、二等水準測量規范：GB/T 12897—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[5]國家測繪局.國家三、四等水準測量規范：GB/T 12898—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[6]姜朝芳，沈云中.上海市水準網復測及其成果分析使用[J].測繪與空間地理信息，2004，27(2)：38-40.

引文格式： 謝惠洪，葉勤. 大城市精密水準網復測中新技術、新工藝的應用——以上海市為例[J].測繪通報，2016(1)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0017.

作者簡介：謝惠洪(1969—)，男，高級工程師，研究方向為航空攝影測量、工程項目管理。E-mail：huihongxie@163.com

收稿日期：2014-08-22

中圖分類號：P224.1

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0068-04