廣東省二等水準網改造的構想

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

高程基準作為國民經濟、社會發(fā)展和國防建設的重要基礎設施，是各類高程測繪的基礎與支撐。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年布設了國家第一期一等水準網;后又根據青島驗潮站1952年～1979年之間為期19年的驗潮資料推算出1985國家高程基準并沿用至今，于1976年～1984年布設了國家第二期一等水準網，又在1991年～1998年對該網進行了復測［1］，目前正在全國開展國家第三期一等水準測量，且針對該項工作已有大量的研究成果［2～7］;于世紀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)大地水準面(CQG2000)［8］。

為滿足廣東省高程測量所需，廣東省的水準測量則是在國家水準測量的基礎上進行的，1955年～1958年完成了覆蓋全省陸地范圍的二等水準測量，1955年～1958年完成了覆蓋全省陸地范圍的三、四等水準測量;1975年～1989年進行了覆蓋全省陸地范圍的二等水準測量，水準路線總長6 180 km，共埋設水準點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)地面沉降地質災害監(jiān)測，對珠江三角洲、雷州半島、韓江三角洲進行了二等水準測量;近年來，廣州、佛山、惠州、湛江等地為本地區(qū)高程測量需要進行了二等水準測量。為廣東省測繪基準現代化建設，廣東省于2006年完成了全省似大地水準面精化計算，建立了內符合精度±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面［9］。

由于自然損壞、人為破壞及保護經費不足等原因，廣東省水準測量標志損毀較為嚴重，據不完全普查的結果顯示，水準測量標志破壞率在50%以上。由于水準復測周期長、水準點沉降破壞嚴重等原因，較多區(qū)域長達幾十千米甚至上百千米才有可供利用的水準點，現有的水準成果顯然已經越來越不能滿足廣東省經濟飛速發(fā)展的需求。而隨著衛(wèi)星導航定位技術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實，而目前的接近5 cm精度的似大地水準面將會成為制約高精度定位的瓶頸。為及時維護和更新全省高程基準框架，使其擔負高程系統(tǒng)的維持和高程基準的傳遞，為地球科學研究、重大災害預報、地理國情監(jiān)測及國防建設等提供服務，廣東省已計劃實施全省高程基準框架改造工作。

2 二等水準復測的構想

2.1 高程控制網的起算基礎

廣東省高程基準框架改造的主要工作內容是進行全省二等水準復測，在復測中所有起算點必須以國家第三期一等水準點為起算依據，理由主要有兩方面:

(1)確保起算點的可靠性

據統(tǒng)計分析，國家第二期一等水準網及復測成果高程數據可靠性令人擔憂，如華中、華東地區(qū)15 個省、市區(qū)域大地水準面精化工作中二等水準路線與一等水準路線連接，大部分水準點連接不上，差異較大［2］;廣東省似大地水準面計算中按照GPS－B 級網觀測了94點，其中已知水準點直接采用水準點成果、非已知水準點采用二等水準進行了聯(lián)測，通過分析其中有6 個水準點的水準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、水資源的大量開采使許多地區(qū)、城市地面出現大范圍的沉降，遂使幸存的60%左右的水準點高程數據現勢性極差［2］。

國家第三期一等水準測量剛布設完成，正在進行觀測與數據處理，緊接著實施全省的二等水準復測，盡量縮短與國家第三期一等水準測量之間的時間間隙，可使尚未充分表現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點為起算點正是為了提高起算成果的可靠性。

(2)便于轉換到更新后的國家高程基準

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 國家高程基準已經沿用近30年，該基準不但與全球高程基準存在系統(tǒng)差［11］，且系統(tǒng)差自東向西、自南向北明顯增大［12］，1985 國家高程基準僅僅在黃海區(qū)域使得平均海水面與大地水準面大致重合。

全球高程基準統(tǒng)一［13］的趨勢勢不可擋，雖然國家有關部門未對1985 國家高程基準更新作出明確要求，但綜合各方面的因素，1985 國家高程基準更新已經指日可待了。所有水準路線均以國家第三期一等水準點作為起算點，在國家高程基準更新后，只需要對全省復測的二等水準網進行重新平差計算即可完成高程基準轉換。

2.2 高程控制網的布設

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

(1)二等水準路線的改造

全省高程基準框架完善的主體是二等水準網的復測，在已有二等水準路線的基礎上進行改造，所有二等水準路線均附合在國家第三期一等水準點上，結合本省交通基礎設施建設和各地區(qū)地殼垂直運動實際狀況，優(yōu)化現有二等水準路線，適當加密現有二等水準路線，同時盡可能避免進行跨河水準測量。除了國家第三期一等水準測量與海島(礁)測繪及各地區(qū)沉降監(jiān)測布設的基巖標石水準點與基本標石水準點外、尚須布設一定密度的基巖標石水準點與基本標石水準點，以滿足各地區(qū)經濟發(fā)展及維護本地區(qū)高程控制框架的需要。對本地區(qū)高程基準框架予以切實的維護。

(2)與GNSS 大地控制網的結合

水準路線附近的GDCORS 站納入水準線路，對不能納入水準路線卻還臨近的GDCORS 站采用二等水準支線進行聯(lián)測，結合所聯(lián)測的GDCORS 站點分布及水準網布設，在水準路線上布設一定密度的衛(wèi)星定位等級點，采用二等大地控制網點觀測精度要求進行觀測。結合國家現代測繪基準體系建設、由海島(礁)測繪、珠三角及周邊區(qū)域沉降監(jiān)測在全省范圍布設的GNSS/水準點，組成均勻分布于全省的密度達600 km2/點(平均點間距15 km)、高精度高程異?？刂凭W。

(3)與已有三等水準路線及其他專項水準路線的銜接

在充分利用已有二等水準路線及優(yōu)化的基礎上，將近年來布設的三等水準網起算點(臨近被破壞的三等水準起算點)、海島(礁)測繪二等水準路線、各地區(qū)二等水準路線、珠三角及周邊地區(qū)沉降監(jiān)測網水準路線納入二等水準線路。將海島(礁)測繪、各地區(qū)、珠三角及周邊地區(qū)沉降監(jiān)測網二等水準觀測成果納入全省水準網進行整網平差計算，優(yōu)化各地區(qū)的二等水準測量成果，利用平差計算后的水準點成果對近年來施測的三等水準路線進行重新平差計算，優(yōu)化現有三等水準測量成果。

(4)實現珠江口海島高程基準的統(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)，而數珠江口島嶼最為集中，長期以來廣東省海島的高程基準尚未實現統(tǒng)一，現有二等水準路線分別沿珠江入?？诘臇|西兩側布設，嚴重地影響了海洋測繪的發(fā)展與成果應用。須將二等水準路線跨香港、澳門直接由珠江口入海布設，實現珠江口東西岸水準的直接聯(lián)測;并將高程基準傳遞至海島，同時還可直線與香港、澳門的高程基準進行聯(lián)測，使區(qū)域高程基準得到了統(tǒng)一。

(5)擬定的線路圖

顧及滿足上述種種需要，所初步擬定的水準網線路圖如圖1、圖2 所示。

2.3 實施與數據處理

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

圖1 原有水準路線圖

圖2 設想水準路線圖

(1)重力異常改正

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

筆者對廣東地區(qū)現有二等水準路線計算表明，要實現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;當高程在50 m～100 m之間，重力點間距宜小于10 km;當高程在100 m～150 m之間，宜每個水準點均測定重力;當高程大于150 m的水準測段中，地面傾斜處應加測重力。水準點間的高差小于50 m的區(qū)域，重力實測點間距宜小于10 km;當水準點間的高差在50 m～100 m之間，宜每個水準點應測定重力;當水準點間的高差大于100 m的水準測段中，地面傾斜處應加測重力。顯然嚴于國家現行水準測量規(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，為滿足自身基礎測繪對測繪基準的需求，于2013年～2014年開展了覆蓋全市域陸地的二等水準測量，為保證重力異常改正精度，所有水準點處均按照加密重力測量精度要求施測了重力。剔除了極短的水準測段數，共有有效水準路線上265 個測段，平均點間距9.2 km、測段最大高差300 m、水準點高程最高為420 m，按照現行《國家一、二等水準測量規(guī)范》要求進行了重力異常改正，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，進一步按測段高差、水準點高程對重力異常改正值進行分區(qū)統(tǒng)計，結果完全吻合。共有水準環(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高精度的重力異常改正，需分不同區(qū)域布設相應密度的重力點，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，使水準儀垂線產生偏離，使前、后視讀數產生誤差，影響水準測量高差。研究表明，當日月在水準路線同一方向時，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］。進一步研究表明，固體潮改正水準環(huán)閉合差的影響不太顯著，都在2 mm以內［1］。

通過對惠州市265 段水準路線(含往返測)的530段水準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［1］的改正值大，究其原因主要為水準環(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，但是對測段水準高差的影響還是比較顯著，故為保證廣東省二等水準高精度，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4 114 km，海潮負荷的影響不容忽視。海潮負荷對高精度水準測量的影響，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 條水準路線(含往返測)上的530 段水準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 語

通過對廣東省高程基準現狀及國家現代測繪基準的實施分析，本文從起算基礎、控制網布設、實施與數據處理三方面提出了對廣東省二等水準復測的構想。起算基礎方面，隨著國家現代測繪基準體系建設，國家高程基準的更新將指日可待，為保證廣東省二等水準的可用性及與新國家高程基準的對接，所有水準路線必須以國家第三期一等水準網進行銜接;高程控制網布設方面，需考慮與GNSS 大地控制網、近期布設的三等水準路線及專項水準路線、各地區(qū)布設的高程控制網、及實現珠江口海島高程基準的統(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，必須進行合理改正。

廣東省高程基準框架完善(即二等水準復測)將充分利用現代科技手段和儀器設備，采用切實可行的措施，在廣東省高程基準框架建設方面將具有前所未有的意義。二等水準復測結合高等級大地控制網建設，組成覆蓋全省的高精度高程異常控制網，結合重力測量、地形數據、衛(wèi)星測高數據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能力，以推動廣東海洋經濟發(fā)展。

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