上海水準(zhǔn)高程測(cè)量技術(shù)要點(diǎn)

張 超 郝宗澤 郭贊峰

（自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì)，陜西 西安710054）

0.引言

上海作為我國(guó)的超大城市，其在區(qū)域發(fā)展中起著“領(lǐng)頭雁”的標(biāo)桿作用，而正是這種“城市化”進(jìn)程的強(qiáng)力推動(dòng)，對(duì)上海市的基礎(chǔ)地理信息有著巨大的需求，而地面高程信息是城市基礎(chǔ)地理信息的重要要素，所以對(duì)上海城市沉降觀測(cè)提出了更高的要求。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全上海市一等水準(zhǔn)觀測(cè)約110km，二等水準(zhǔn)觀測(cè)約1034.4km，三等水準(zhǔn)觀測(cè)2194.1km，加之對(duì)全市10個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站（以下簡(jiǎn)稱“CORS站”）的高程連測(cè)，可以說(shuō)比較全面地實(shí)現(xiàn)了對(duì)全境的布控。

1.水準(zhǔn)點(diǎn)選埋普查

作業(yè)中，認(rèn)真判讀每一點(diǎn)的點(diǎn)之記和地形圖塊，判斷圖中地物與實(shí)地是否相符，如有不符之處，當(dāng)場(chǎng)糾正該點(diǎn)在圖上的位置。避免出現(xiàn)錯(cuò)查、漏查。普查中，清除了堆積在標(biāo)志上的淤泥、石塊等雜物，并將標(biāo)志頭上的污垢擦拭干凈；現(xiàn)場(chǎng)將水準(zhǔn)標(biāo)志的材質(zhì)、好壞程度；是否有井框、井蓋；標(biāo)志離地面的深度等登記在“水準(zhǔn)點(diǎn)調(diào)查表”中。除少數(shù)量取撐線有困難的水準(zhǔn)點(diǎn)外，其他每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)至少選擇三處固定、永久性地物標(biāo)示撐線，且撐線交角大部分符合30°～150°之間的夾角，撐線距離均小于50m。

在實(shí)際的作業(yè)中，用紅漆和專用模板在撐線位置將點(diǎn)號(hào)、撐線距離及指示方向等內(nèi)容噴繪在撐線物表面，當(dāng)撐線物為圓柱形（如：電線桿、路燈等），不便于橫向噴字時(shí)，樣式豎向放置模板噴字。并根據(jù)要求繪制了點(diǎn)之記（文章對(duì)點(diǎn)之記不予展示）。噴繪效果圖（如圖1所示）：

圖1撐線樣式

針對(duì)提供的《上海市一、二、三等水準(zhǔn)點(diǎn)情況表》，普查過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)和表上信息有出入時(shí)，及時(shí)修正，并應(yīng)增加本次新增的水準(zhǔn)點(diǎn)內(nèi)容；若水準(zhǔn)點(diǎn)已確認(rèn)被破壞，該點(diǎn)信息行字體改為紅色，備注欄加注“已破壞”；如水準(zhǔn)點(diǎn)存在被雜物覆蓋而無(wú)法清理等情況，該點(diǎn)信息行字體改為藍(lán)色，備注欄加注相應(yīng)說(shuō)明；一、二、三等水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)在不同表格中匯總體現(xiàn)，水準(zhǔn)點(diǎn)情況表（如表1所示）：

表1水準(zhǔn)情況表（部分）

每次普查結(jié)束收測(cè)回到駐地后，應(yīng)將調(diào)查表信息及時(shí)錄入到電子版的水準(zhǔn)點(diǎn)情況表中，嚴(yán)格操作流程，做到準(zhǔn)確無(wú)誤。

全測(cè)區(qū)普查結(jié)束后，根據(jù)普查情況，內(nèi)業(yè)技術(shù)人員在原網(wǎng)圖中指出需要補(bǔ)埋點(diǎn)的大概位置，外業(yè)人員根據(jù)網(wǎng)圖標(biāo)示，在實(shí)地選好埋石的確切位置。埋石工作也需要積極跟進(jìn)，考慮到上海凍土較淺，土地寶貴、交通擁堵的實(shí)際，作業(yè)人員采取了開(kāi)挖量小和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工序少的預(yù)埋混凝土柱石方法，提高了工作效率，減少了工作難度。各點(diǎn)完成后，也需要完成各新埋點(diǎn)的噴字、量撐線、拍遠(yuǎn)近照片、測(cè)RTK坐標(biāo)、繪制點(diǎn)之記手稿等工作。

2.水準(zhǔn)觀測(cè)

一、二等水準(zhǔn)觀測(cè)應(yīng)根據(jù)道路土質(zhì)選用尺樁（尺樁質(zhì)量不輕于1.5kg，長(zhǎng)度不短于0.2m）或尺臺(tái)（尺臺(tái)質(zhì)量不輕于5kg）作為轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承，特殊地段可采用大鉚釘作為轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承；三等水準(zhǔn)觀測(cè)采用質(zhì)量不小于1kg的尺臺(tái)作為轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承。

測(cè)站視線長(zhǎng)度（儀器至標(biāo)尺距離）、前后視距差、視線高度、數(shù)字水準(zhǔn)儀重復(fù)測(cè)量次數(shù)按規(guī)定執(zhí)行（如表2所示）：

表2水準(zhǔn)觀測(cè)參數(shù)要求

需要特別說(shuō)明：低等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)是在高等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上加密布設(shè)而來(lái)，各等級(jí)水準(zhǔn)觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行且在有效期（3個(gè)月）內(nèi)完成，因此，低等級(jí)水準(zhǔn)路線接測(cè)高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，無(wú)需進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)筆者單位觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，有以下幾點(diǎn)希望得到同行的注意：

（1）水準(zhǔn)路線的觀測(cè)以水準(zhǔn)網(wǎng)圖為準(zhǔn)，測(cè)前需確保各路線點(diǎn)之記資料齊全，尤其注意接測(cè)點(diǎn)是否正確，不能出現(xiàn)漏點(diǎn)觀測(cè)情況。

（2）小組不得擅自變更水準(zhǔn)路線走向，當(dāng)水準(zhǔn)路線因修路或道路封閉等原因而不通時(shí)，及時(shí)上報(bào)中隊(duì)。

（3）為防止與低等級(jí)水準(zhǔn)路線接測(cè)的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)被破壞，建議先觀測(cè)高等級(jí)水準(zhǔn)路線，再觀測(cè)與該高等級(jí)水準(zhǔn)路線有關(guān)聯(lián)的低等級(jí)水準(zhǔn)路線。

（4）水準(zhǔn)路線往測(cè)方向一般遵循“從西往東，由北至南”的原則；環(huán)線遵循“從高等級(jí)點(diǎn)起測(cè)順時(shí)針觀測(cè)”的原則；支線遵循“從接測(cè)點(diǎn)開(kāi)始往測(cè)”的原則。

（5）由于水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)密度較大，在水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)段等于（區(qū)段等于）水準(zhǔn)路線的情況，每條水準(zhǔn)路線必須連續(xù)完整觀測(cè)，在觀測(cè)時(shí)可以與相鄰路線合并觀測(cè)（合并路線只允許存在于同等級(jí)且同方向的連續(xù)路線間），合理選擇區(qū)段結(jié)束點(diǎn)（必須結(jié)束在接點(diǎn)上），但光段對(duì)稱、路線閉合差按單路線計(jì)算。

（6）當(dāng)連續(xù)幾個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)破壞，導(dǎo)致測(cè)段過(guò)長(zhǎng)時(shí)，可增加臨時(shí)固定點(diǎn)，臨時(shí)固定點(diǎn)必須穩(wěn)定可靠，其編號(hào)方式為：固+組號(hào)+兩位數(shù)字序號(hào)，如“固301”表示第3小組第一個(gè)臨時(shí)固定點(diǎn)。

（7）測(cè)區(qū)內(nèi)一、二、三等水準(zhǔn)路線縱橫貫穿，觀測(cè)程序互換頻繁，要認(rèn)真核對(duì)選用相應(yīng)等級(jí)程序，輸入正確的路線號(hào)。

觀測(cè)中記錄測(cè)段高差、距離，計(jì)算往返不符值、線路閉合差，一、二等水準(zhǔn)計(jì)算上、下午光段對(duì)稱性，在日間氣溫變化不大的陰天和觀測(cè)條件較好時(shí)，若干里程的往返測(cè)可同在上午或下午進(jìn)行，但這種觀測(cè)的總站數(shù)，一等不應(yīng)超過(guò)該區(qū)段總站數(shù)的20%，二等不應(yīng)超過(guò)該區(qū)段總站數(shù)的30%（合并觀測(cè)的線路，按單路線計(jì)算）。

在作業(yè)中，對(duì)每條水準(zhǔn)路線要進(jìn)行每公里水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差的計(jì)算（小于100km或測(cè)段數(shù)不足20個(gè)路線，可納入相鄰路線一并計(jì)算）。

采用單路線往返觀測(cè)。同一區(qū)段的往返測(cè)，應(yīng)使用同一類型的儀器和轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承，沿同一道路進(jìn)行。

再者，對(duì)于重測(cè)和超限值的取舍，也應(yīng)得到科學(xué)處理，一般而言，測(cè)段往返測(cè)高差不符值超限，應(yīng)先就可靠程度較小的往測(cè)或返測(cè)進(jìn)行整測(cè)段重測(cè)，并按下列原則進(jìn)行取舍：

（1）若重測(cè)的高差與同方向原測(cè)高差的不符值超出往返測(cè)高差不符值的限差，但與另一單程高差的不符值不超出限差，則取用重測(cè)結(jié)果。

（2）若同方向兩高差不符值未超出限差，且其中數(shù)與另一單程高差的不符值亦不超出限差，則取同方向中數(shù)作為該單程的高差。

（3）若重測(cè)高差中兩同方向高差中數(shù)與另一單程高差的不符值超出限差，應(yīng)重測(cè)另一單程。

（4）若超限測(cè)段經(jīng)過(guò)兩次或多次重測(cè)后，出現(xiàn)同向觀測(cè)結(jié)果靠近，而異向觀測(cè)結(jié)果間不符值超限的分群現(xiàn)象時(shí)，如果同方向高差不符值小于限差之半，則取原測(cè)的往返高差中數(shù)作為往測(cè)結(jié)果，取重測(cè)的往返高差中數(shù)作為返測(cè)結(jié)果。

對(duì)于整條水準(zhǔn)路線而言，其往返測(cè)高差不符值超限時(shí)，應(yīng)就往返測(cè)高差不符值與這段水準(zhǔn)觀測(cè)路線不符值同符號(hào)中較大的測(cè)段進(jìn)行重測(cè)，若重測(cè)后仍超出限差，則應(yīng)重測(cè)其他測(cè)段。

3.數(shù)據(jù)計(jì)算

外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，首先檢查水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性；對(duì)路線進(jìn)行了觀測(cè)高差、測(cè)站數(shù)、距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的累和，用于檢查數(shù)據(jù)的正確性；進(jìn)行偶然中誤差計(jì)算，檢查是否合規(guī)范要求。

進(jìn)行每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤M△的計(jì)算。

每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差按照式（1）計(jì)算：

式中，

△為測(cè)段往返測(cè)高差不符值，單位為毫米（mm）；

R為測(cè)段長(zhǎng)度，單位為千米（km）；

n為測(cè)段數(shù)。

對(duì)觀測(cè)高差施加標(biāo)尺改正、水準(zhǔn)面不平行改正后，計(jì)算水準(zhǔn)環(huán)線閉合差。

這里的標(biāo)尺改正依據(jù)式（2）計(jì)算：一個(gè)測(cè)段高差改正數(shù)為δ：

式中，h為往測(cè)或返測(cè)高差值，單位為米（m）；f為標(biāo)尺改正系數(shù)，單位為毫米每米(mm/m)。

水準(zhǔn)面不平行改正依據(jù)式（3）計(jì)算：一個(gè)測(cè)段高差改正數(shù)ε為：

式中，

其中，γm為兩水準(zhǔn)點(diǎn)的正常重力平均值，10-5ms-2；

γi、γi+1為i點(diǎn)、i＋1點(diǎn)的正常重力值，10-5ms-2；

Hm為兩水準(zhǔn)點(diǎn)概略高程平均值，單位為米（m）。

其次，當(dāng)構(gòu)成水準(zhǔn)網(wǎng)的水準(zhǔn)環(huán)超過(guò)20個(gè)時(shí)，還需按環(huán)閉合差W計(jì)算每公里水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差Mw。每公里水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差按照式（4）計(jì)算：

式中，W△為經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正后的水準(zhǔn)環(huán)閉合差，單位為毫米（mm）；

F為水準(zhǔn)環(huán)線周長(zhǎng)，單位為千米（km）；

N為水準(zhǔn)網(wǎng)中環(huán)數(shù)。

基于數(shù)據(jù)采集軟件中的設(shè)定，此次外業(yè)計(jì)算取位按外業(yè)成果取位要求進(jìn)行（如表3所示）：

表3外業(yè)成果取位要求

在水準(zhǔn)路線設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)觀測(cè)情況，按水準(zhǔn)路線等級(jí)繪制觀測(cè)路線圖及拼環(huán)圖（如圖2所示）：

圖2水準(zhǔn)拼環(huán)示意圖

4.結(jié)束語(yǔ)

本文充分介紹了上海城市高程測(cè)量技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)各技術(shù)流程進(jìn)行了論述，方法已經(jīng)成熟地運(yùn)用到了上海沉降觀測(cè)的流程中。在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，按逐級(jí)控制的原則分等級(jí)進(jìn)行，先進(jìn)行上海市一等水準(zhǔn)網(wǎng)平差，在上海市一等水準(zhǔn)網(wǎng)平差的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行二等水準(zhǔn)網(wǎng)平差、三等水準(zhǔn)處理。平差采用間接平差法，以加過(guò)標(biāo)尺長(zhǎng)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、海潮負(fù)荷改正后的往返測(cè)高差中數(shù)為元素，待定結(jié)點(diǎn)高程為未知數(shù)，按路線測(cè)站數(shù)定權(quán)進(jìn)行結(jié)點(diǎn)平差。當(dāng)結(jié)點(diǎn)高程及路線高差改正量計(jì)算完成后，采用附和路線平差的方法推求路線中間點(diǎn)的高程。

但基于上海這樣一個(gè)超大城市，對(duì)于其沉降變化規(guī)律研究，筆者有以下幾個(gè)建議：

（1）上海的水準(zhǔn)沉降點(diǎn)存在多龍治水，建議加快資源整合，并開(kāi)發(fā)觀測(cè)項(xiàng)目以期更好地利用這些資源，在對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)對(duì)象，合理優(yōu)化布局，使上海的一、二、三等水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理。

（2）下大氣力加強(qiáng)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的起算點(diǎn)穩(wěn)定性分析，結(jié)合多學(xué)科融合，利用好上海市的科研實(shí)力，對(duì)起算點(diǎn)的穩(wěn)定性分析會(huì)有更大的潛力挖掘。