上海水準高程測量技術(shù)要點

張 超 郝宗澤 郭贊峰

（自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安710054）

0.引言

上海作為我國的超大城市，其在區(qū)域發(fā)展中起著“領(lǐng)頭雁”的標桿作用，而正是這種“城市化”進程的強力推動，對上海市的基礎(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，所以對上海城市沉降觀測提出了更高的要求。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全上海市一等水準觀測約110km，二等水準觀測約1034.4km，三等水準觀測2194.1km，加之對全市10個GNSS連續(xù)運行基準站（以下簡稱“CORS站”）的高程連測，可以說比較全面地實現(xiàn)了對全境的布控。

1.水準點選埋普查

作業(yè)中，認真判讀每一點的點之記和地形圖塊，判斷圖中地物與實地是否相符，如有不符之處，當場糾正該點在圖上的位置。避免出現(xiàn)錯查、漏查。普查中，清除了堆積在標志上的淤泥、石塊等雜物，并將標志頭上的污垢擦拭干凈；現(xiàn)場將水準標志的材質(zhì)、好壞程度；是否有井框、井蓋；標志離地面的深度等登記在“水準點調(diào)查表”中。除少數(shù)量取撐線有困難的水準點外，其他每個水準點至少選擇三處固定、永久性地物標示撐線，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。

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

圖1撐線樣式

針對提供的《上海市一、二、三等水準點情況表》，普查過程中，如發(fā)現(xiàn)和表上信息有出入時，及時修正，并應(yīng)增加本次新增的水準點內(nèi)容；若水準點已確認被破壞，該點信息行字體改為紅色，備注欄加注“已破壞”；如水準點存在被雜物覆蓋而無法清理等情況，該點信息行字體改為藍色，備注欄加注相應(yīng)說明；一、二、三等水準點應(yīng)在不同表格中匯總體現(xiàn)，水準點情況表（如表1所示）：

表1水準情況表（部分）

每次普查結(jié)束收測回到駐地后，應(yīng)將調(diào)查表信息及時錄入到電子版的水準點情況表中，嚴格操作流程，做到準確無誤。

全測區(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)圖中指出需要補埋點的大概位置，外業(yè)人員根據(jù)網(wǎng)圖標示，在實地選好埋石的確切位置。埋石工作也需要積極跟進，考慮到上海凍土較淺，土地寶貴、交通擁堵的實際，作業(yè)人員采取了開挖量小和現(xiàn)場作業(yè)工序少的預埋混凝土柱石方法，提高了工作效率，減少了工作難度。各點完成后，也需要完成各新埋點的噴字、量撐線、拍遠近照片、測RTK坐標、繪制點之記手稿等工作。

2.水準觀測

一、二等水準觀測應(yīng)根據(jù)道路土質(zhì)選用尺樁（尺樁質(zhì)量不輕于1.5kg，長度不短于0.2m）或尺臺（尺臺質(zhì)量不輕于5kg）作為轉(zhuǎn)點尺承，特殊地段可采用大鉚釘作為轉(zhuǎn)點尺承；三等水準觀測采用質(zhì)量不小于1kg的尺臺作為轉(zhuǎn)點尺承。

測站視線長度（儀器至標尺距離）、前后視距差、視線高度、數(shù)字水準儀重復測量次數(shù)按規(guī)定執(zhí)行（如表2所示）：

表2水準觀測參數(shù)要求

需要特別說明：低等級水準網(wǎng)是在高等級水準網(wǎng)的基礎(chǔ)上加密布設(shè)而來，各等級水準觀測同時進行且在有效期（3個月）內(nèi)完成，因此，低等級水準路線接測高等級水準點時，無需進行檢測。

根據(jù)筆者單位觀測的經(jīng)驗，有以下幾點希望得到同行的注意：

（1）水準路線的觀測以水準網(wǎng)圖為準，測前需確保各路線點之記資料齊全，尤其注意接測點是否正確，不能出現(xiàn)漏點觀測情況。

（2）小組不得擅自變更水準路線走向，當水準路線因修路或道路封閉等原因而不通時，及時上報中隊。

（3）為防止與低等級水準路線接測的高等級水準點被破壞，建議先觀測高等級水準路線，再觀測與該高等級水準路線有關(guān)聯(lián)的低等級水準路線。

（4）水準路線往測方向一般遵循“從西往東，由北至南”的原則；環(huán)線遵循“從高等級點起測順時針觀測”的原則；支線遵循“從接測點開始往測”的原則。

（5）由于水準點布設(shè)密度較大，在水準觀測時，會出現(xiàn)測段等于（區(qū)段等于）水準路線的情況，每條水準路線必須連續(xù)完整觀測，在觀測時可以與相鄰路線合并觀測（合并路線只允許存在于同等級且同方向的連續(xù)路線間），合理選擇區(qū)段結(jié)束點（必須結(jié)束在接點上），但光段對稱、路線閉合差按單路線計算。

（6）當連續(xù)幾個水準點破壞，導致測段過長時，可增加臨時固定點，臨時固定點必須穩(wěn)定可靠，其編號方式為：固+組號+兩位數(shù)字序號，如“固301”表示第3小組第一個臨時固定點。

（7）測區(qū)內(nèi)一、二、三等水準路線縱橫貫穿，觀測程序互換頻繁，要認真核對選用相應(yīng)等級程序，輸入正確的路線號。

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

在作業(yè)中，對每條水準路線要進行每公里水準測量偶然中誤差的計算（小于100km或測段數(shù)不足20個路線，可納入相鄰路線一并計算）。

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

再者，對于重測和超限值的取舍，也應(yīng)得到科學處理，一般而言，測段往返測高差不符值超限，應(yīng)先就可靠程度較小的往測或返測進行整測段重測，并按下列原則進行取舍：

（1）若重測的高差與同方向原測高差的不符值超出往返測高差不符值的限差，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)重測另一單程。

（4）若超限測段經(jīng)過兩次或多次重測后，出現(xiàn)同向觀測結(jié)果靠近，而異向觀測結(jié)果間不符值超限的分群現(xiàn)象時，如果同方向高差不符值小于限差之半，則取原測的往返高差中數(shù)作為往測結(jié)果，取重測的往返高差中數(shù)作為返測結(jié)果。

對于整條水準路線而言，其往返測高差不符值超限時，應(yīng)就往返測高差不符值與這段水準觀測路線不符值同符號中較大的測段進行重測，若重測后仍超出限差，則應(yīng)重測其他測段。

3.數(shù)據(jù)計算

外業(yè)觀測結(jié)束后，首先檢查水準點數(shù)據(jù)的完整性；對路線進行了觀測高差、測站數(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；進行偶然中誤差計算，檢查是否合規(guī)范要求。

進行每千米水準測量偶然中誤M△的計算。

每千米水準測量偶然中誤差按照式（1）計算：

式中，

△為測段往返測高差不符值，單位為毫米（mm）；

R為測段長度，單位為千米（km）；

n為測段數(shù)。

對觀測高差施加標尺改正、水準面不平行改正后，計算水準環(huán)線閉合差。

這里的標尺改正依據(jù)式（2）計算：一個測段高差改正數(shù)為δ：

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

水準面不平行改正依據(jù)式（3）計算：一個測段高差改正數(shù)ε為：

式中，

其中，γm為兩水準點的正常重力平均值，10-5ms-2；

γi、γi+1為i點、i＋1點的正常重力值，10-5ms-2；

Hm為兩水準點概略高程平均值，單位為米（m）。

其次，當構(gòu)成水準網(wǎng)的水準環(huán)超過20個時，還需按環(huán)閉合差W計算每公里水準測量的全中誤差Mw。每公里水準測量全中誤差按照式（4）計算：

式中，W△為經(jīng)過各項改正后的水準環(huán)閉合差，單位為毫米（mm）；

F為水準環(huán)線周長，單位為千米（km）；

N為水準網(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)計算取位按外業(yè)成果取位要求進行（如表3所示）：

表3外業(yè)成果取位要求

在水準路線設(shè)計圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)觀測情況，按水準路線等級繪制觀測路線圖及拼環(huán)圖（如圖2所示）：

圖2水準拼環(huán)示意圖

4.結(jié)束語

本文充分介紹了上海城市高程測量技術(shù)要點，并對各技術(shù)流程進行了論述，方法已經(jīng)成熟地運用到了上海沉降觀測的流程中。在數(shù)據(jù)處理的過程中，按逐級控制的原則分等級進行，先進行上海市一等水準網(wǎng)平差，在上海市一等水準網(wǎng)平差的基礎(chǔ)上，再進行二等水準網(wǎng)平差、三等水準處理。平差采用間接平差法，以加過標尺長度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正后的往返測高差中數(shù)為元素，待定結(jié)點高程為未知數(shù)，按路線測站數(shù)定權(quán)進行結(jié)點平差。當結(jié)點高程及路線高差改正量計算完成后，采用附和路線平差的方法推求路線中間點的高程。

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

（1）上海的水準沉降點存在多龍治水，建議加快資源整合，并開發(fā)觀測項目以期更好地利用這些資源，在對測區(qū)范圍內(nèi)的監(jiān)測對象，合理優(yōu)化布局，使上海的一、二、三等水準網(wǎng)設(shè)計更為科學合理。

（2）下大氣力加強水準監(jiān)測網(wǎng)的起算點穩(wěn)定性分析，結(jié)合多學科融合，利用好上海市的科研實力，對起算點的穩(wěn)定性分析會有更大的潛力挖掘。