長江口崇明島域跨江高程測量基準(zhǔn)網(wǎng)構(gòu)建與完善

雷婉南，趙鵬飛

（1.上海建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232；2.上海市測繪院，上海 200063；3.自然資源部超大城市自然資源時(shí)空大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200063）

高程基準(zhǔn)的建設(shè)是一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性工作[1]，而島域高程基準(zhǔn)的建立一直以來是高程基準(zhǔn)建設(shè)的難點(diǎn)[2-3]。島域一般被水域（大海、江河）等隔離，遠(yuǎn)離陸域，只能采用跨江（海）高程連測的方式將高程基準(zhǔn)傳遞到島域，連測難度隨著跨江（海）距離的增加而增大。若有隧道、大橋等線性工程可嘗試通過其進(jìn)行幾何水準(zhǔn)連測，若不具備幾何水準(zhǔn)連測條件，還可以采用動(dòng)力水準(zhǔn)法、靜力水準(zhǔn)法、三角高程法、GNSS 跨江水準(zhǔn)等方法[4-5]，其中通過三角高程法跨江高程連測是較為成熟的一種方法[6-7]。

崇明島位于長江口，面積超過1200 km2，是我國的第三大島。上海市于2021 年開展了全域高程控制網(wǎng)復(fù)測工作，完成了上海市高程基準(zhǔn)的更新任務(wù)，并順利實(shí)現(xiàn)了上海陸域到崇明島的精密高程連測，解決了上海陸域到崇明島無法開展一等幾何水準(zhǔn)連測等重大技術(shù)問題。在2022 年9 月召開的上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測項(xiàng)目專家驗(yàn)收會(huì)上，李建成院士等專家對(duì)項(xiàng)目高度肯定，并認(rèn)為在該項(xiàng)目中“首次實(shí)施上海陸域到崇明島一等幾何水準(zhǔn)連測，實(shí)現(xiàn)了上海陸域和崇明島的高程基準(zhǔn)完全統(tǒng)一”。

1 崇明島高程基準(zhǔn)建設(shè)歷史

崇明島高程基準(zhǔn)建設(shè)的歷史相比于上海市區(qū)較晚。根據(jù)相關(guān)志書記載[8]，江蘇省南通地區(qū)測量隊(duì)于1952 年3 月在崇明島布設(shè)了環(huán)島水準(zhǔn)，采用了近似吳淞高程系的假定高程系統(tǒng)，此為崇明島上最早的高程測量記錄。

上海陸域至崇明島的跨江高程連測最早始于20 世紀(jì)60 年代初。當(dāng)時(shí)因國家科委“長江口航道改善措施研究”課題的需要，在長江下游自江陰到長江口沿江兩岸建立二等水準(zhǔn)網(wǎng)。在長江下游地區(qū)二等水準(zhǔn)網(wǎng)中，共包括三條跨江三角高程測量，首次完成了上海陸域—長興島—崇明島的跨江連測，三條跨江三角高程測量由上海市測量總隊(duì)于1965—1966 年完成，具體情況見表1。

表1 20 世紀(jì)60 年代長江下游地區(qū)跨江連測簡況Table 1 River-crossing leveling in the lower reaches of the Yangtze River in the 1960s

上海市從20 世紀(jì)50 年代起開始周期性的高程控制網(wǎng)測量工作，1968 年上海市高程控制網(wǎng)范圍開始覆蓋到崇明三島（崇明島、長興島、橫沙島），崇明三島開始建立起與上海陸域地區(qū)相對(duì)統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)系統(tǒng)。上海航道局于1965 年在長興島鳳凰鎮(zhèn)設(shè)置基巖標(biāo)J11，于1973—1974 年在崇明新河鎮(zhèn)附近設(shè)置基巖標(biāo)J12，從此這兩座基巖標(biāo)便作為長興測區(qū)（含長興島、橫沙島）及崇明測區(qū)（含崇明島）的高程基點(diǎn)。之后的歷次上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測范圍均涵蓋了崇明三島，但是由于條件限制只能采用分區(qū)測量并平差計(jì)算的方式，即上海陸域測區(qū)、崇明測區(qū)和長興測區(qū)分別以佘山基點(diǎn)、崇明基點(diǎn)（J12）和長興基點(diǎn)（J11）作為起算點(diǎn)。所以，上海陸域測區(qū)、崇明測區(qū)和長興測區(qū)的高程基準(zhǔn)一直以來實(shí)際上是相對(duì)統(tǒng)一的獨(dú)立體系。2006 年，上海市測繪院在上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測中再次利用三角高程法實(shí)施了上海陸域—長興島—崇明島的跨江高程連測，發(fā)現(xiàn)長興基點(diǎn)（J11）比原值低21 mm，崇明基點(diǎn)（J12）比原值低7 mm，但為了高程復(fù)測成果的延續(xù)性，依然采用原成果將三個(gè)測區(qū)獨(dú)立平差[9]。

2004 年12 月，上海長江隧橋工程正式啟動(dòng)，其南起浦東五號(hào)溝、經(jīng)長興島，北止崇明陳家鎮(zhèn)，全長25.5 km，采用“南隧北橋”的建設(shè)方案，是目前世界上規(guī)模最大的隧橋結(jié)合工程，包括長達(dá)8.95 km 的全球最大隧道——長江隧道和16.5 km 長的世界第一公路、軌交合建斜拉橋——長江大橋。原有上海陸域測區(qū)、長興島測區(qū)、崇明島測區(qū)高程基準(zhǔn)的精度和統(tǒng)一性已無法滿足長江隧橋的建設(shè)需求，所以在浦東、長興島和崇明島分別建造基巖標(biāo)JY1、JY2、JY3，構(gòu)建起長江隧橋?qū)Ｓ酶叱炭刂凭W(wǎng)，采用三角高程法進(jìn)行跨江連測，并利用GNSS 高程擬合法進(jìn)行檢核[10-11]。

2009 年長江隧橋建成，為上海陸域到長興島及崇明島的幾何水準(zhǔn)連測創(chuàng)造了有利條件。2009 年底，上海市測繪院嘗試在長江隧橋建成到通車之前的窗口期，通過穿越長江隧橋開展上海陸域—長興島—崇明島一等幾何水準(zhǔn)連測。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了穿越長江隧道的水準(zhǔn)測量，順利完成上海陸域至長興島的一等水準(zhǔn)測量；而在長興島至崇明島的水準(zhǔn)測量中，由于長江大橋上較強(qiáng)側(cè)向風(fēng)擾動(dòng)的影響，水準(zhǔn)讀數(shù)不穩(wěn)定，只能盡量縮短視距測量勉強(qiáng)完成，認(rèn)為最終精度僅接近二等水準(zhǔn)要求。在2011 年的上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測數(shù)據(jù)處理時(shí)，參考了2009 年的跨河水準(zhǔn)連測數(shù)據(jù)[12]。

從此在上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測工作中（例如2016 年、2021 年上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測），均可通過長江隧道開展上海陸域至長興島的一等幾何水準(zhǔn)連測，長興測區(qū)和上海陸域測區(qū)高程基準(zhǔn)完全統(tǒng)一，故合并上海陸域測區(qū)和長興測區(qū)，即本文所述的上海陸域均包含原上海陸域測區(qū)及長興測區(qū)。而崇明島由于客觀條件的限制，2021年之前一直無法實(shí)現(xiàn)可靠的一等幾何水準(zhǔn)連測，這也成為上海市高程基準(zhǔn)建設(shè)及統(tǒng)一過程中的遺憾。

2 崇明島跨江連測

在2021 年上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測工作中，首先按照慣例通過長江隧道，以一等幾何水準(zhǔn)的方式完成浦東到長興島的高程連測。然后組織開展了長興島到崇明島的跨江精密高程連測，并在崇明島域高程基準(zhǔn)建設(shè)的歷史上首次實(shí)現(xiàn)了長興島到崇明島的一等幾何水準(zhǔn)連測，同時(shí)以兩套方法、兩條測量路線實(shí)現(xiàn)了長興島到崇明島的跨江連測（圖1），兩條路線（東線、西線）跨江連測的具體情況如表2。

圖1 長興島至崇明島跨江連測示意圖Fig.1 The sketch of Changxing Island to Chongming Island cross-river leveling

表2 長興島至崇明島跨江連測簡況Table 2 River-crossing leveling form Changxing Island to Chongming Island

東線通過穿越在建的LNG 越江管道A 線實(shí)現(xiàn)連測。上海市天然氣主干網(wǎng)崇明島—長興島—浦東新區(qū)五號(hào)溝LNG 站管道工程A 線（簡稱LNG 越江管道A 線）起始于長興島工作井，隧道穿越長江口北港水域，最終接入崇明島工作井，隧道內(nèi)徑3.4 m，有利于在隧道內(nèi)實(shí)施幾何水準(zhǔn)測量。LNG 越江管道A 線于2021 年實(shí)現(xiàn)貫通，從貫通到設(shè)備安裝存在短暫的窗口期，可在窗口期內(nèi)從管道內(nèi)穿越長江口北港實(shí)施幾何水準(zhǔn)測量。而運(yùn)營期內(nèi)為保障安全，管道內(nèi)將充滿水，不再具備穿越管道的條件，所以這次實(shí)施測量的窗口期也是唯一的窗口期。

西線采用跨江三角高程法跨越長江口北港實(shí)現(xiàn)連測。連測選取了長江口北港最窄處進(jìn)行三角高程測量，選址充分利用了建成的長興島青草沙水庫北岸大堤，大大縮短了跨距，跨距僅為4.1 km。

3 跨江連測中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 東線連測

東線高程連測通過穿越LNG 越江管道A 線完成，包括兩段豎井高程聯(lián)系測量和一條一等幾何水準(zhǔn)測量路線，詳見圖2。

圖2 東線連測示意圖Fig.2 The sketch of east cross-river leveling

首先在長江口北港兩岸通過工作豎井（長興工作井、崇明工作井）開展豎井高程聯(lián)系測量，將地面高程傳遞到工作豎井底部（CMBM1-CMBM2、CXBM1-CXBM2），然后在LNG 越江管道A 線內(nèi)開展一等幾何水準(zhǔn)測量（CMBM2-CXBM2），從而實(shí)現(xiàn)長興島至崇明島的一等幾何水準(zhǔn)連測。

（1）豎井高程聯(lián)系測量

兩處豎井高程聯(lián)系測量采用不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法進(jìn)行測量，觀測原理如圖3。

圖3 不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法示意圖Fig.3 The sketch of trigonometric leveling method without instrument height and prism height

在不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法中，研發(fā)了專用的對(duì)中桿，對(duì)中桿的長度完全一樣，能夠保證安置時(shí)前后視棱鏡高完全一樣。為了測量點(diǎn)A 到點(diǎn)B 的高差，在I 處設(shè)置全站儀，A 處和B 處安置棱鏡及對(duì)中桿，測得儀器I 到棱鏡A 的距離S1和垂直角α1，儀器I 到棱鏡B 的距離S2和垂直角α2，則點(diǎn)A 和點(diǎn)B 高差為：

式中：Δh為測量高差；S為儀器到棱鏡的距離；α為垂直角；k為大氣垂直折光系數(shù)；R地球平均曲率半徑。

由于A 處和B 處的對(duì)中桿高度完全相同，所以不需要測量儀器高和棱鏡高，同時(shí)也避免了測量儀器高和棱鏡高時(shí)產(chǎn)生的誤差。圖4 為不量儀器高、棱鏡高三角高程法的專用對(duì)中桿。

圖4 不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法專用對(duì)中桿Fig.4 The centering rod for trigonometric leveling method without instrument height and prism height

（2）穿越江管道幾何水準(zhǔn)測量

以一等幾何水準(zhǔn)的方式穿過越江管道施測。其測量方法與常規(guī)一等幾何水準(zhǔn)一致，但考慮到長江潮汐對(duì)越江管道內(nèi)部高程的影響[13]，所以提前根據(jù)潮汐表選擇在小潮日及平潮時(shí)段施測，并將水準(zhǔn)路線分成多段同時(shí)施測，盡量縮短施測時(shí)間。根據(jù)隧道長度按1 km 左右劃分測段，多小組、多測段同時(shí)測量，可以不考慮一等幾何水準(zhǔn)路線的對(duì)稱性。最終越江管道內(nèi)的一等水準(zhǔn)路線的往返不符值為-0.67 mm，滿足國家一等水準(zhǔn)測量規(guī)范[14]要求。

3.2 西線連測

西線采用三角高程法進(jìn)行跨江高程連測。

（1）觀測條件的控制

在跨江高程連測中，主要誤差來自垂直折光誤差，通過合理選擇和布設(shè)跨江場地，能夠有效減少不對(duì)稱性大氣折光誤差[7]。如何減小跨江距離是保證高程連測精度的關(guān)鍵，在跨江場地的選擇和布設(shè)中，充分利用了2010 年建成的青草沙水庫，其中南岸跨越點(diǎn)選擇了長興島青草沙水庫北岸大堤，北岸跨越點(diǎn)選擇了崇明島堡鎮(zhèn)大堤，從而實(shí)現(xiàn)了在長江口北港最窄處實(shí)施跨江測量，跨距僅為約4.1 km，遠(yuǎn)小于長江口北港水域的平均寬度（8～10 km）。

在跨江測量時(shí)增加圖形條件，將跨江點(diǎn)布置成穩(wěn)定的大地四邊形，即在南北岸跨越點(diǎn)各建造兩個(gè)強(qiáng)制歸心觀測墩。經(jīng)過提前驗(yàn)算，建造觀測墩的高度約3 m，能實(shí)現(xiàn)兩岸視線距水面的距離一致且視線垂直角小于1°，并保證視線高度嚴(yán)格滿足國家一等水準(zhǔn)測量規(guī)范的要求。強(qiáng)制歸心觀測墩樣式參見圖5。

知識(shí)管理是利用現(xiàn)代信息技術(shù)和手段，構(gòu)建服務(wù)于組織或個(gè)人的知識(shí)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行積累、挖掘、分享和應(yīng)用等活動(dòng)，促進(jìn)知識(shí)不斷更新和創(chuàng)新。對(duì)知識(shí)系統(tǒng)的這種持續(xù)性活動(dòng)和操作，又會(huì)反饋到系統(tǒng)內(nèi)部，使得系統(tǒng)更為完善，內(nèi)容更為合理。知識(shí)管理是知識(shí)轉(zhuǎn)化的重要途徑。知識(shí)管理最早應(yīng)用于企業(yè)管理，通過對(duì)企業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和挖掘，更好地支撐企業(yè)決策。目前越來越多的知識(shí)工作者利用知識(shí)管理框架、模式和工具，進(jìn)行項(xiàng)目、內(nèi)容、文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)等的管理[3]。知識(shí)管理流程如2所示：

圖5 觀測墩實(shí)景照片F(xiàn)ig.5 The observation pier

同側(cè)觀測墩之間的距離約60 m，四個(gè)觀測墩構(gòu)成大地四邊形觀測條件。采用八點(diǎn)法進(jìn)行觀測，即每個(gè)觀測墩頂部安裝兩個(gè)測量標(biāo)志，一個(gè)標(biāo)志上架設(shè)儀器，另一個(gè)標(biāo)志上架設(shè)覘標(biāo)，這樣可在對(duì)向觀測時(shí)視線環(huán)境條件保持一致。

如 圖6 所 示，KCC1a、KCC2a、KCC3a、KCC4a 為儀器架設(shè)點(diǎn)，KCC1b、KCC2b、KCC3b、KCC4b 為覘標(biāo)架設(shè)點(diǎn)，虛線為目標(biāo)測線，實(shí)線為實(shí)際測線。

圖6 跨江大地四邊形示意圖Fig.6 The sketch of cross-river geodetic quadrangle

（2）邊長測量

用GNSS 測量的方式確定跨江觀測點(diǎn)之間的距離，按照B 級(jí)靜態(tài)GNSS 網(wǎng)要求觀測[15]。解算時(shí)，在2000 國家大地坐標(biāo)系下，以DAEJ、ZJZS、JSNT、JSLS 四個(gè)國家GNSS 連續(xù)運(yùn)行站作為三維約束平差的約束條件，求出待定GNSS 網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。平差后通過坐標(biāo)反算空間距離，再將反算的空間距離歸算到儀器點(diǎn)和覘標(biāo)點(diǎn)間的水平距離，作為觀測邊長。

式中：v為覘標(biāo)高，i為儀器高；D為儀器點(diǎn)和覘標(biāo)點(diǎn)之間的水平距離；D''為儀器點(diǎn)和覘標(biāo)點(diǎn)之間的斜距；D'為坐標(biāo)反算的空間距離；α為跨江觀測的垂直角中數(shù)。

（3）垂直角測量及高差計(jì)算

使用徠卡TS60 高精度全站儀（標(biāo)稱測角精度為±0.5’’，測距精度±(0.6+1×D) mm）測量垂直角，垂直角共測量18 個(gè)光段，單測回?cái)?shù)為36 組。

（4）精度控制

三角高程法跨江連測每條邊單光段高差間的互差限差為：

式中：M?為每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差限差；N為總光段數(shù)；S為跨江視線長度。

由大地四邊形組成三個(gè)獨(dú)立閉合環(huán)，用同一時(shí)段的各條邊高差計(jì)算閉合差，各環(huán)線的閉合差應(yīng)不大于限差：

式中：Mw為每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差限差；S為跨江視線長度。

經(jīng)計(jì)算，光段互差最大值為61.0 mm，小于限差±68.7 mm；環(huán)閉合差最大值為6.36 mm，小于限差±24.3 mm，均滿足國家一等水準(zhǔn)測量規(guī)范的要求。

4 結(jié)論與展望

在2021 年上海市高程控制網(wǎng)復(fù)測中，歷史首次同時(shí)采用了兩條測量路線將高程基準(zhǔn)傳遞到崇明島，其中東線基于豎井聯(lián)系測量及一等幾何水準(zhǔn)，通過穿越LNG 越江管道A 線實(shí)現(xiàn)，西線基于跨江三角高程測量，通過跨越長江口北港實(shí)現(xiàn)。兩條測量路線都順利實(shí)現(xiàn)了長興島至崇明島的高程連測。兩條測量路線還可以進(jìn)一步互相檢核，由跨江高程連測東線、西線以及長興島和崇明島上的其他水準(zhǔn)路線可構(gòu)成閉合環(huán)（參考圖1），該閉合環(huán)長度為90.9 km，閉合差限差為±30.08 mm，環(huán)閉合差僅為-5.1 mm。東西兩條跨江連測路線的一致性較好，以水準(zhǔn)點(diǎn)10-179A 為例（位于J12 到JY3 的水準(zhǔn)路線中），以長興島基巖點(diǎn)起算，從東西兩條路線分別推算該點(diǎn)高程，高程互差僅為1.7mm，進(jìn)一步證明了跨江高程連測的可靠性。此外，崇明島上的基巖標(biāo)J12 和JY3 也被證明有較好的穩(wěn)定性。

值得一提的是，通過LNG 越江管道A 線的唯一窗口期首次實(shí)現(xiàn)一等幾何水準(zhǔn)連測，這次連測彌補(bǔ)了上海市高程基準(zhǔn)建設(shè)及統(tǒng)一的最后遺憾，實(shí)現(xiàn)了上海市高程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一平差，消除了數(shù)據(jù)分區(qū)平差的弊端，最終保障了崇明島和上海陸域高程基準(zhǔn)的完全統(tǒng)一，將對(duì)崇明島的建設(shè)和發(fā)展起到重大推進(jìn)作用。

鑒于崇明島和上海陸域的高程基準(zhǔn)已完全統(tǒng)一，在今后的復(fù)測中，建議經(jīng)檢核后將基巖標(biāo)J12 及JY3 均作為崇明測區(qū)的基點(diǎn)，避免J12 單點(diǎn)起算形成自由網(wǎng)，從而造成崇明測區(qū)的數(shù)據(jù)異常。

本研究對(duì)類似大型工程也有一定的借鑒和啟示意義，例如：

（1）加強(qiáng)踏勘，利用有利條件開展施測。如利用在建LNG越江管道A線的唯一窗口期開展的幾何水準(zhǔn)測量；利用青草沙水庫大堤大大縮減跨越長江口北港的距離等。

（2）提前設(shè)計(jì)，通過控制細(xì)節(jié)減小誤差。如在越江管道中開展水準(zhǔn)測量，除了嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求外，還要提前規(guī)劃好施測時(shí)間，減小潮汐的影響等。