國家一等水準網建設

張慶蘭，張 鵬，陳現軍，蘭啟貴，李 兵

(1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830；2. 國家測繪地理信息局 第三大地測量隊，四川 成都 100142；3. 國家測繪地理信息局 第二大地測量隊，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引 言

2012年以前，我國現行高程基準的實現、維持和傳遞主要依托于1982～1988年建設的國家第二期一、二等水準網和20世紀90年代部分二期復測一等水準網所構成的國家高程控制網。該控制網為我國提供了全國統(tǒng)一、協(xié)調、可靠的高程基準，在國民經濟建設和社會發(fā)展等方面發(fā)揮了巨大作用。由于該控制網建成距今已有20余年，成果的現勢性變化差及地形變化對成果準確度的影響已不容忽視[1]。按照《中華人民共和國大地測量法式》規(guī)定，國家一等水準網必須25年復測一次，同時考慮到高程基準基礎設施損毀嚴重（2004年統(tǒng)計水準點完好率49%）、獨立水準原點爭議較大等諸多因素，盡快開展新一期國家高程控制網建設勢在必行。2012～2016年，國家測繪地理信息局利用四年時間組織完成了新一期國家高程控制網建設，將我國一等水準網總長度由9×104km提升至12.56×104km，全面更新和完善了我國高程基準成果。

1 總體設計

新一期國家高程控制網主要在已有的國家一、二等水準路線的基礎上重新設計，通過重新組合、改線、新建等方式，形成覆蓋全國、密度適宜的國家高程基準框架。該網總體設計遵循了以下原則：

1）新設計一等水準網盡量利用已有一、二等水準路線，高速公路原則上不布設水準點，西部地區(qū)主要依據地形條件與交通狀況布設；水準閉合環(huán)線長度相對均勻，東部地區(qū)應在1 200～1600 km，西部地區(qū)一般應在1800km以內，保證每個水準環(huán)盡量做到當年觀測，當年閉合，最遲兩年內觀測閉合。

2）凡是布設在國家一等水準路線上的GNSS B級點要全部納入水準點，并進行統(tǒng)一編號；全部水準路線結點設計埋設GNSS、水準共用測量標志，并將路線中或距路線直線距離5 km范圍內的GNSS A、B級點納入水準路線觀測，以期綜合利用水準測量、GNSS測量和重力測量成果實現對高程基準的大尺度沉降監(jiān)測。

3）在東北、華北、華中以及新疆等局部基巖點分布薄弱地區(qū)新建5座深層基巖點，加強國家高程控制基準區(qū)域的穩(wěn)定性。

4）全面采用數字水準儀和電子記簿程序，盡可能減少人為因素帶來的誤差影響；聯測沿海44座驗潮站。

新一期國家高程控制網設計了388條一等水準路線和44條驗潮站支線，設計路線總長度12.2×104km，其中包含：149個閉合環(huán)、27 400座水準點（含240個結點）。

新設計一等水準網主要對我國北疆、內蒙古中西部、黑龍江以及云貴高原區(qū)域部分二等水準線進行了升級為一等水準線，有效縮短了全網平均水準環(huán)長度。本期一等水準網較二期復測一等水準網總長度提升近40%，水準閉合環(huán)個數增加73%，水準環(huán)平均長度縮短約20%，確保所有水準環(huán)按規(guī)范要求在兩年內完成外業(yè)觀測拼環(huán)，新設計一等水準網與原有一等水準網對比如圖1所示。

圖1 新設計與原有一等水準路線對比圖Fig.1 Comparison of the new design with the original fi rst_order leveling routes

2 工程實施

2.1 普查與補埋

通過對全網394條一等水準路線和41條驗潮站支線的水準點普查，水準標石平均破壞率達38.6%，且東部發(fā)達地區(qū)較西部不發(fā)達地區(qū)破壞情況嚴重，由此可見加強測量標志宣傳，健全測量標志保護機制，加大測量標志保護力度尤其是經濟發(fā)達地區(qū)非常必要。

基于對全網設計水準路線上的水準點普查結果，綜合考慮點位埋設位置的凍土深度、土層覆蓋情況等因素，埋設了以下11種類型水準標石，見表1。

表1 水準點及標石類型Tab.1 Types of leveling points and benchmarks

全網累計新補埋7 227座水準標石、修復4 700余座水準標石。新補埋水準標石均埋設于地基穩(wěn)定、利于標石長期保存和高程聯測、便于衛(wèi)星定位技術測定坐標的地點。凍土地區(qū)埋設深度不小于凍土線以下0.5m，其中凍土深度大于0.8 m或永凍地區(qū)選擇埋設了鋼管水準標石。個別特殊困難地區(qū)允許埋設了墻角水準標石。水準標石主要修復內容包括指示盤、保護井、標志蓋、指示樁等。所有水準點均采用手持GPS接收機測定了米級精度坐標，并重新繪制點之記和辦理了委托保管書。

新一期國家高程控制最終實際完成394條一等水準路線、41條驗潮站支線的普查與標石選埋工作，水準標石總數達26 327座水準標石（含246座結點），組成了148個水準環(huán)，平均環(huán)長1 475km（實際埋設網如圖2所示）。

圖2 國家高程控制網實際布網圖Fig.2 The map of national fi rst-order leveling network

2.2 深層基巖點建造

深層基巖點是指直接澆注在土層覆蓋厚度大于3 m新鮮穩(wěn)定基巖上的水準點，其長期穩(wěn)定性和可靠性是土層水準點所無法比擬的，對確保國家高程基準的區(qū)域穩(wěn)定性和成果可靠性至關重要。新一期國家高程控制網在二期復測一等水準網已建深層基巖點的基礎上，通過新設計和地質勘探后，分別于新疆阿克蘇、西藏日喀則、貴州威寧、黑龍江三道通和四川蘆溪5處新建深層基巖點，解決了我國東北、西南、西藏和新疆等局部地區(qū)深層基巖點分布相對薄弱的問題，有效提升了該區(qū)域高程基準維護能力。點位具體建設情況見表2。

表2 深層基巖點建設情況Tab.2 Construction of deep bedrock points

2.3 屬性測定

國家高程控制網屬性測定主要指水準點高程屬性測定和加密重力屬性測定。高程屬性測定是采用水準觀測方式，按照一等水準測量精度獲取路線中每個水準點高程值（正常高）。水準點加密重力屬性測定則是采用相對重力觀測儀器測定路線中每個水準點相對于起算點重力差異，并通過內業(yè)計算獲取到該點上的重力值。加密重力屬性測定的主要目的是為國家一等水準觀測重力異常改正計算提供實測重力值，以獲取更加準確的高差改正。

1）總體原則

國家高程控制網高程屬性測定路線總長度約12.56×104km，共計431條水準路線、148個水準環(huán)，完成30處跨河水準測量，聯測了37座驗潮站和21 00余座國家GNSS大地控制點，是一項浩大的測繪工程。在嚴格遵循《國家一、二等水準測量規(guī)范》(GB/T12897-2006)要求的基礎上，按照“第一年選埋、第二年觀測”的總體原則安排了年度建設任務，確保了標石按規(guī)范要求在歷經一個完整雨季和凍、解期沉降穩(wěn)定后開始觀測。外業(yè)數據采集全部使用了數字水準儀，標稱精度不低于±0.3 mm，同時使用統(tǒng)一定制的外掛式數據采集終端和水準測量電子記簿軟件。

2）外業(yè)實施

高程屬性測定任務安排上綜合考慮了年度作業(yè)力量，作業(yè)周期、測區(qū)環(huán)境等因素將12.56×104km一等屬性測定任務，分配在近4年內完成。第一年觀測80條水準路線，占全網的18.7%，測區(qū)主要位于華北、華中區(qū)域；第二年觀測176條水準路線，占全網的40.8%，測區(qū)主要位于華南、東南、西南及內蒙古中部；第三年觀測105條水準路線，占全網的24.3%，測區(qū)主要位于西藏、新疆、青海等西部區(qū)域；第四年觀測70條水準路線，占全網的16.2%，測區(qū)主要位于東北三省和內蒙古北部。

針對總長度達5 460 km，橫跨西藏、新疆、青海的超大水準環(huán)如何實現成功閉合觀測難題進行了詳細研究分析，采取制定詳細大環(huán)觀測方案、精良人員設備保障、會戰(zhàn)式作業(yè)、起伏地區(qū)加測重力，合理選擇觀測期等應對措施，最終實現該超大水準環(huán)歷史性首次成功閉合。

本期高程控制網全部431條水準路線每千米偶然中誤差（加過標尺長度誤差改正）均滿足限差要求，優(yōu)良率達80.7%，具體分布如圖3所示。全網每千米偶然中誤差為±0.38mm ，滿足規(guī)范不低于±0.45mm的限差要求。

圖3 路線每千米偶然中誤差分布Fig.3 Distribution of route accidental error per kilomete

所有的148個水準環(huán)均在兩年內完成了閉合觀測，用經過標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正的高程計算的環(huán)閉合差均符合限差要求，優(yōu)良率達88.5%，環(huán)閉合差具體分布如圖4所示。利用148個水準環(huán)閉合差計算得到的全網每千米水準測量全中誤差為±0.92 mm，滿足全中誤差優(yōu)于±1mm的規(guī)范要求。

圖4 水準環(huán)閉合差分布Fig.4 Distribution of closure error of leveling ring

按照國家規(guī)范要求，本期國家高程控制屬性測定過程中對全部一等水準點和高差大于250 m的測段中均進行了加密重力屬性測定，累計完成114個二等重力點布測和27 220點次加密重力觀測。所有點位加密重力觀測相對于起算點成果均優(yōu)于±0.60×10-5ms-2，滿足設計指標。

本期加密重力屬性測定年度任務安排及測區(qū)分布基本與高程屬性測定年度任務安排一致，保證了重力異常改正均采取了實測重力進行計算，極大地提高了水準高差上重力異常改正的準確性和可靠性。利用經過重力異常改正后的測段高差及時計算水準環(huán)閉合差，有效避免了不必要的外業(yè)返工和重測。

3 整體平差

水準觀測數據處理主要包括資料整理、數據預處理和整體平差等步驟。資料整理主要是核對觀測數據信息。數據預處理主要是進行各項高差改正數計算。整體平差是采用了結點平差方式，具體將經過各項改正的每條路線的觀測高差進行累和作為觀測量，將路線結點作為參數列立誤差方程，計算各結點高程值，平差后再將每條路線的測段觀測量按附合路線處理，計算路線中各待定水準點高程值。

參與整網平差計算的一等水準路線394條，共有結點247個，其中1個起算點，246個待定結點，按間接平差法計算的每個待定結點的中誤差基本按照正態(tài)分布，具體統(tǒng)計分布如圖5所示。全網最弱結點是4 050(噶爾縣)下±70.34mm，距起算點（青島原點）的距離為5 917km。

圖5 結點中誤差統(tǒng)計分布圖Fig.5 Error statistical distribution map of junction points

對394條水準路線進行了整網平差與精度估計，37條聯測驗潮站路線在整網平差的基礎上計算其水準點高程與精度。全部水準點平差結果中誤差統(tǒng)計分布如圖6所示。最弱點（Ⅰ獅薩59(09)）中誤差為±75.35mm，距起算點（青島水準原點）的距離為6 185km。

圖6 水準點平差結果中誤差統(tǒng)計分布圖Fig.6 Statistical distribution map of mean error of leveling point adjustment results

4 結束語

新一期國家高程控制網建設了目前世界上長度最長、觀測精度最高、施測時間最短的國家級高程基準基礎設施，且在我國歷史上首次實現了5 460km超大一等水準環(huán)成功觀測閉合。建設主要特點總結如下：

1）建立了全國統(tǒng)一、高精度、分布更加合理、密度相對均勻的國家高程控制網，全面升級和完善了我國高程基準，更新了我國高程基準成果，解決了目前高程基準成果現勢性和準確性不足等問題。

2）首次實現了總長度達5 460 km超大水準環(huán)成功閉合。超大水準環(huán)橫跨西藏、新疆、青海三省，是目前我國長度最長、世界平均海拔最高、自然條件最惡劣、高差最大和施測難度最大的水準環(huán)線，是國家高程控制網建設的關鍵部分。超大水準環(huán)僅用4個月會戰(zhàn)首次實現成功閉合，環(huán)閉合差63.22 mm，優(yōu)于1/2限差，實現全網觀測成果達到歷史最好水平。

3）研發(fā)GPS和加密技術集成的精密水準測量電子記簿軟件。全面采用數字水準儀并配套專門研發(fā)的精密水準測量電子記簿程序，實現了觀測時間嚴格把控，觀測數據杜絕人為修改，觀測過程和路徑可回溯等功能，確保了外業(yè)采集數據的質量可控，數據安全，有效保證了高程屬性測定數據的真實性和可靠性。

隨著大地水準面技術的發(fā)展與普及應用，社會各方對國家高程基準的成果精度和形式、信息化服務能力提出了更高的要求，厘米級似大地水準面也成為高程基準建立、維持與服務的新形式，是高程基準現代化的下一階段重要目標。國家高程控制網建設成果不僅已為陜西、黑龍江等多個省份二等水準網更新、大地水準面精化、省現代測繪基準建設等項目提供了可靠的起算基準和框架結構，還可為我國似大地水準面厘米級精化，建立現代化高程基準提供重要基礎設施和水準數據，以期更好地服務于國家基礎測繪保障、大地測量、地球科學與信息技術的發(fā)展進步和滿足科學研究、教育發(fā)展、社會減災經濟建設的巨大需求。