上海市高程基準近五年變化分析

趙鵬飛，趙 峰

（1. 上海市測繪院，上海 200063）

測繪基準是確定地理空間信息幾何與物理特征和時空分布的基礎，是在數學空間里表示地理要素在真實世界的空間位置的參考基準，能保證地理空間信息在時間域和空間域上的整體性[1-3]。高程基準是測繪基準的骨干組成部分，也是最基礎的測繪工作，對國民經濟、社會發展、國家安全、城市建設及管理等起到基礎性的支撐作用。

1 上海市新一期高程基準更新

上海市上一期的高程基準成果于2017年正式發布，5 a以來有效支撐了城市建設和城市管理工作。隨著時間流逝，作為高程基準基礎設施的城市水準點必然會發生不同程度的沉降并有可能遭到毀壞，高程基準的穩定性和可靠性也逐年下降。從2020年起，上海市著手實施高程基準更新，更新工作分三步開展，具體如下：

1）2020年，調查原有高程基準基礎設施。在充分搜集和分析已有資料的基礎上，對上海市城市水準點進行普查，摸清楚上海市城市水準點的現狀，補充埋設部分城市水準點，對復測水準路線進行踏勘、設計。

2）2021—2022年，開展高程控制網水準復測。這部分工作是高程基準更新的主體工作。主要內容包括對上海市高程控制網進行優化設計，開展全面復測工作，并完成數據整理和平差計算。

3）2022年，進行高程基準分析。主要工作是對上海市高程基準成果進行整理及統計，研究高程變化趨勢，最終正式發布新一期的高程基準成果。

上海市高程基準更新工作自2020—2022年歷時3 a，整合統一了上海市高程基準基礎設施和成果，有效提升了上海市高程控制網的精度和現勢性，共完成施測一、二、三等水準路線5400余km，其中一等水準路線314.9 km，二等水準路線1275.8 km，三等水準路線2855.1 km。項目還完成了多處長距離跨河水準、跨隧道水準測量及SHCORS高程屬性測定等高難度測量工作，在上海地區首次得到與最新1985國家高程基準統一的高程成果，首次以2 種測量方法實現了崇明島與上海陸域的高程基準精確統一，并在項目驗收會上得到了李建成院士領銜專家組的一致肯定。最終發布最新一期2773 個城市水準點成果，順利實現上海市高程基準的更新。

2 上海市城市水準點的數量變化

2020年開始對原有高程基準基礎設施開展普查，主要對2017年發布的3013 個城市水準點進行了詳細調查，發現共有675 個城市水準點遭到破壞，整體破壞率達到22.4%，此時的城市水準點總數為2338個。

通過分析，發現城市水準點的破壞主要與城市開發建設有關。基本上是由于道路施工、綠化施工等市政工程的影響，造成了城市水準點的破壞，如果破壞水準點呈現一定的聚集分布現象，則通常與道路施工有關。

如圖1 所示，以浦東新區的破壞城市水準點分布為例。浦東新區西北部（黑框處）的破壞點呈線性聚集分布，通過調查發現，該地區實施了濟陽路快速化改建，項目于2018年開始建設，2021年建成通車，故多個原來埋在路邊的城市水準點被破壞。通過圖2的兩期影像對比更證明了這一推論。

圖1 浦東新區破壞城市水準點分布圖

圖2 浦東新區濟陽路區域航空影像

針對城市水準點破壞率較高的現狀，為了更好地開展上海市高程控制網復測，對城市水準點進行了全面補充埋設。重點對水準路線節點、破壞水準點半徑范圍內無水準點（中心城區1 km，郊區4 km）的區域、重點建設區域進行了補埋。在2021年開展復測前共補埋城市水準點568點，此時城市水準點的總數達到2906個。

2021—2022年在上海市高程控制網復測過程中發現又有100 個水準點遭到破壞，另有若干點由于疫情防控等原因無法進入開展測量，所以最終施測2773個城市水準點。

按照城市水準點的不同等級進行統計，表1 為兩期一等水準點、二等水準點、三等水準點的具體數量變化情況。

表1 兩期上海市城市水準點數量變化表

從2017年上一期高程基準成果發布到2022年本次高程基準成果發布，上海市城市水準點數量整體上有所減少，其中一等水準點、二等水準點有所減少，三等水準點略有增加。

3 上海市城市水準點的分布

上海市城市水準點遍布上海陸域地區及崇明三島，分布于黃浦區、徐匯區、長寧區、靜安區、普陀區、虹口區、楊浦區、閔行區、寶山區、嘉定區、浦東新區、金山區、松江區、青浦區、奉賢區、崇明區16個區，詳見圖3。此外，為了保證上海市高程基準網的完整性以及與鄰省高程基準的統一性，還有個別城市水準點位于省外，如上海市西北地區毗鄰的昆山市和太倉市等。

圖3 上海市城市水準點分布圖

按照行政區域統計城市水準點的分布情況，具體如圖4。

圖4 上海市各區城市水準點數量及密度

上海市浦東新區的城市水準點數量最多，數量超過800 點；其余郊區范圍的閔行區、崇明區、寶山區、嘉定區、金山區、松江區、青浦區、奉賢區的城市水準點較多，均超過100 點；而市中心范圍的黃浦區、徐匯區、長寧區、靜安區、普陀區、虹口區、楊浦區的城市水準點較少，均不足100點。

由于上海市各區面積差異較大，進一步按照各區城市水準點的分布密度進行統計分析。在上海市范圍內，黃浦區的城市水準點密度最高，超過3.5 點/km2，其余市中心六區（徐匯區、長寧區、靜安區、普陀區、虹口區、楊浦區）水準點密度稍低，但也均超過1 點/km2。在郊區中，閔行區、寶山區、浦東新區點密度較高，均超過0.5 點/km2，其余嘉定區、金山區、松江區、青浦區、奉賢區及崇明區的點密度較低，均低于0.5點/km2。通過以上數據可以看出上海市城市水準點的分布并不均勻，其密度基本與城市開發程度正相關，存在市區密度較高，郊區密度較低的現象。上海市城市水準點的平均密度達到0.44 點/km2，處于一個較高的水平，遠高于規范[4-5]的相關要求，能夠有效滿足上海市城市建設、發展及管理的需求。

4 上海市城市水準點高程變化

通過2017年、2022年兩期重合點[6]的高程變化研究上海市地表沉降情況，若同一水準點有2017年和2022年兩期的高程，該水準點即為重合點。重合點的確定原則如下：

1）首先梳理2017、2022年兩期高程基準的同名點，初步認為同名點即為重合點。

2）對同名點逐一進行人工梳理。通過分析點之記、對比兩期水準點照片等方法內業剔除粗差點；內業無法判別的，則進一步通過外業實地踏勘的手段剔除粗差點。粗差點的情況主要包括：原點破壞重新埋設水準點、兩期測量位置不一致等。必須經過嚴格分析處理，確保重合點是可靠的，是擁有兩期高程的同一個水準點，這樣才能真實反映重合點的高程變化情況，進一步反映上海市的地表高程變化情況。最終確認重合點共2200個，然后對這2200個重合點進行進一步研究分析。

重合點的兩期高程變化量的計算公式如下：

式中，H2022為2022年重合點的高程；H2017為2017年重合點的高程；δH為重合點的高程變化量。若高程變化量為正，則該點發生隆起，若高程變化量為負，則該點發生沉降。

經統計，重合點高程變化量為負（沉降）的點為1177個，高程變化量為0（無變化）的點為82個，高程變化量為正（隆起）的點941 個，說明發生沉降的城市水準點相對較多。對2200 個重合點的高程變化量進行統計，2017—2022年5 a 以來城市水準點的最大高程變化量（隆起）為38 mm，最小高程變化量（沉降）為-165 mm，平均高程變化量為-4.9 mm。以上數據能夠初步說明整個上海市地表是以沉降為主，但沉降比較穩定，沉降量較小。

按照5 a 以來重合點高程變化量的分布區間進行統計，詳見圖5。

圖5 重合點高程變化量（2017-2022年）分布圖

通過圖5，可以看出重合點的高程變化量分布完全符合正態分布規律。其中高程變化量處于-10～10 mm的重合點共有1485 個，占到重合點總數的近70%，而其他高程變化量較大的點數量相對較少，可以進一步證明前面得出的結論：即整個上海市的地表沉降情況比較穩定，沉降量較小。

按照重合點的高程變化量結合地理位置進行插擬合值。插值采用反距離權重法，反距離權重（inverse distance weighted，IDW）是一種確定性方法，用于已知散點集的多變量插值[7]。具體公式如下：

式（2）～（4）中，（xn,yn）為待插值的未知點坐標；（xi,yi）為已知點坐標；di為已知點到未知點的距離；λi為插值點權重；Z(xn,yn)為未知點的插值高程，是關于坐標的函數。權重的大小與插值點到已知點的距離負相關，即距離較大處的已知點對插值點高程貢獻較小，反之則對插值點的貢獻較大。經插值得到上海市近5 a的地表沉降趨勢圖，詳見圖6。

圖6 上海地區地表沉降趨勢圖

通過地表沉降趨勢分析，可以得到以下幾個結論：

1）確認近5 a在上海市范圍內發生沉降的區域面積較大，發生隆起的區域面積相對較小。

2）上海市的地表沉降存在不均勻分布現象，上海西部的青浦區、奉賢區、嘉定區西部、松江區西部，以及長興島西部、崇明島中部、橫沙島處于地表隆起狀態，上海市的其他區域大部分處于沉降狀態。

3）整個上海市地表沉降量較小，絕大部分地區的地表沉降量（含沉降和隆起）都在±20 mm 的范圍之內，沉降趨于穩定。

4）此外，可以發現較為明顯的2個沉降區，詳見圖6 中黑框處。其中一處為崇明東灘區域，該區域所有水準點均處于沉降狀態，尤其是東灘東部沿海的沉降量更大；另一處是浦東新區東南沿海區域，主要是祝橋鎮到南匯新城鎮沿海一線。該現象和崇明東灘、浦東新區沿海區域是沿海新成土地是相關的。

為了確定上海地區的地表沉降變化趨勢，通過InSAR 技術進一步驗證。合成孔徑雷達干涉測量技術（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）集合成孔徑雷達技術與干涉測量技術于一體，可同時獲取地物的反射強度信息和相位信息[8]，具有全天時、全天候、覆蓋范圍廣等特點，能有效實現大面積實時地面沉降監測。

Sentinel-1 衛星對上海地區的存檔數據主要為Interferometric Wide swath（干涉寬幅）成像模式，該模式數據覆蓋范圍較大，可滿足上海市域范圍內地面沉降監測。以InSAR技術為基礎，對時序接近的上海地區Sentinel-1 數據進行處理和分析，獲取上海地區沉降速率圖（詳見圖7）。圖6、7 一致，即基于復測的地表沉降趨勢與基于InSAR的地表沉降趨勢是一致的。進一步證明了上文結論是可靠的：上海地區發生沉降面積相對較大；沉降存在不均勻分布現象；整體沉降量（速率）較小，沉降趨于穩定；崇明島及浦東等地區沿海新成土地沉降較為明顯。

圖7 基于InSAR的上海地區地表沉降速率圖

5 結論與建議

上海市位于長三角沖積平原，多屬軟土地區且工程建設較多，保持5 a 一次的高程基準更新是有效且必要的。通過對2017—2022年5 a 以來上海市城市水準點相關變化情況研究，得出以下結論及建議：

1）上海市城市水準點的破壞率較高，應科學規劃，及時補充埋設城市水準點，盡量避開工程在建及規劃建設區域，同時加強對現存城市水準點的管理及保護。

2）上海市城市水準點的整體密度較高，但區域分布不均勻。可根據區域發展情況有重點的調整城市水準點密度。

3）通過城市水準點5 a高程變化分析，可知目前上海市地表整體處于較為穩定的狀態，地表沉降量較小，但是地表沉降不均勻，尤其應該注意沿海新成土地及施工建設對地面沉降的影響。