杭州市现代高程基准基础设施建设分析与实践

2013-08-06吕松华

城市勘测 2013年1期

吕松华

(杭州市勘测设计研究院，浙江杭州 310012)

1 概述

测绘基准是进行各种测量工作的起算依据。作为各类测绘活动的基础和支撑，测绘基准是国民经济、社会发展和国防建设的重要基础设施。它主要包括大地基准、高程基准、深度基准和重力基准。

其中，高程基准是建立高程系统和测量空间点高程的基本依据。1987年后我国采用青岛大港验潮站1952年～1979年的资料，确立了黄海85高程基准。沿用至今，即为1985国家高程基准。我国在1977年～1988年进行了第二期一等和二等水准网测量。20世纪90年代又完成了上述二期一等水准网的复测。

随着测绘技术的进步，现行测绘基准体系的整体水平明显滞后于现代测绘技术的发展步伐;测绘基础设施长期以来遭受严重损毁，现有测绘基准体系的成果精度和数据现势性，不能满足社会发展对现代化地理空间信息控制基准服务的迫切需求，基准体系服务能力不断下降。

在现今GNSS定位时代，精化区域性大地水准面和建立区域性高程控制网同等重要，也是一个地区建立现代高程基准的主要任务。在高程提供形式上，不仅可以通过高程控制网来提供高精度的正常高，还能利用局域似大地水准面结合GNSS定位技术提供正常高。

为适应新时代测绘技术的发展，满足区域城市化进程和城乡统筹发展对现代高程基准的需求，现代高程基准基础设施建设在全国各城市纷纷开始启动和实施。

2 杭州市高程基准基础设施的现状与问题

杭州是浙江省省会城市，位于浙江省西北部，范围为北纬 29°11'～30°34'和东经 118°20'～120°37'之间。杭州市辖 8个区、5个县(市)，全市土地总面积16596 km2。

2.1 高等级水准控制网

目前本地区除原杭州市于2006年布设的二等水准网(控制面积约3068 km2)外，其余5县市均未建立全面、统一的二等水准网，仅有10条国家高精度一、二等水准路线和6条浙江省三等水准路线经过，施测时间从1997年～2006年。

图1 杭州市2009年高等级水准控制网现状图

从图1可以看出，截止2009年，在市域1.6万km2范围内，仅市域东部杭州市区保存有较完整的二等水准控制网，但也存在点位沉降和标石破坏等问题，需要复测和补埋提高成果现势性。而在市域中西部约1.3万km2范围内仅沿主要公路分布有若干条一、二、三等水准路线，密度稀少。同时国家高程控制网使用至今已有20余年历史，由于地形形变和标志损毁等原因，现势性较差，已无法满足高程起算的密度和精度要求。综上所述，杭州市域现有高等级水准控制成果现势性较差、覆盖区域较小、分布不均匀、标志破坏严重，已无法满足社会发展对测绘高程基准的要求。

2.2 似大地水准面模型

目前杭州市域全境覆盖有2004年实施的浙闽赣区域似大地水准面精化项目获取的2.5'×2.5'分辨率厘米级精度似大地水准面，可满足1∶1000等航空摄影大比例尺测图。同年杭州市实施了覆盖市区约5000 km2的厘米级似大地水准面模型，可满足1∶500地形测图高程控制需求。

上述模型计算实施中存在获取的大地高和水准高成果精度较低、GPS观测与水准观测不同步等问题，导致模型精度较低，不能满足更高精度的需求。

同时，随着“杭州市CORS系统”的建立和运行，全市大地基准已统一到CGCS 2000国家基准，同时GNSS技术应用已实现高程提供方式的突破，结合“网络RTK技术”和“大地水准面模型”高效率、高精度的获取地面三维坐标有了更大的需求。但上述模型并非在HZCORS下直接获取，使用中存在系统不一致等问题。

从高程控制网和似大地水准面模型的现状和问题出发，杭州市高程基准基础设施要从内容和技术两方面实现自身的现代化，以适应这种需求作好测绘保障。

3 杭州市高程基准基础设施现代化的任务

杭州市高程基准基础设施现代化的任务主要包括两个方面，一是市域高程控制网的更新和完善;二是似大地水准面模型的建立，基于CGCS2000大地基准，在HZCORS系统控制下获取市域厘米级精度似大地水准面模型。

(1)更新市域高程控制网。首先在国家二期一等水准网复测成果基础上，经联测和数据分析，在可靠一等水准成果的基础上，建立覆盖全市域、统一的二等水准首级控制网;再次，根据需要在部分区域加密四等水准控制网，形成“二等+四等”的全覆盖、重点突出的高程控制体系。二等水准路线总长度将达到3500 km左右。

(2)获取市域厘米级精度似大地水准面模型。对高程的需求今后主要由大地水准面结合GNSS技术来提供，这是高程控制网现代化的必由之路。为满足大比例尺测图和工程建设方面的需要，结合HZCORS，必须在市域推算基于CGCS2000大地基准、以HZCORS为起算控制的市域高精度似大地水准面模型。从技术层面上就是由目前的5 cm精度提高到1 cm左右。

4 杭州市现代高程基准基础设施建设实践

4.1 项目设计

利用GPS定位技术、水准测量技术和重力场的理论与方法，按照统一规划、整体设计的原则，以杭州市CORS系统为基准，均匀布设杭州市由GPS/水准点组成的大地水准面精化网和一、二等水准高程网，通过GPS网与一、二等水准高程网，建立和维持集平面控制与高程控制于一体的杭州市三维空间基准网，并结合GPS、水准、DEM数据、重力数据和地球重力场模型，确定杭州市高精度、高分辨率区域似大地水准面模型。

本项目是通过GPS控制网(包括 GPS框架网、GPS C级网)、一、二等水准高程控制网和似大地水准面精化三部分来具体实施。设计时，综合考虑GPS测量成果与水准测量成果的时效性(或现势性)，保证同步性;重视市域水准控制的起算基准，原则上保证与2006年市区二等水准成果保持一致。

(1)GPS控制网设计

杭州市GPS控制网分两级布设，分别为GPS框架网和C级网。

GPS框架网由杭州及周边地区连续运行参考站点17点和杭州及周边地区A级点9点共26点组成，主要用于建立和维持杭州地区区域大地基准。杭州GPS网数据处理收集了杭州市周边的上海(SHAO)、武汉(WUHN)、泰安(TAIN)、厦门(XIAM)、TWTF(桃园)5个国家GPS连续运行站的数据。

杭州市GPS C级网根据大地水准面精化的精度和密度需求，在杭州市均匀布设，由杭州市原有C级网点50点和新埋C级网点126点，共176点组成。所有GPS C级点均采用一等或二等水准连测高程。

图2 GPS C级点分布图

框架网、C级网观测均采用基于连续运行参考站GPS静态相对定位模式作业。GPS框架点按B级网观测精度进行，观测3个时段，每时段观测时间不少于23.5 h。GPS C级点按C级网观测精度进行，每个点观测1个时段，时段长度12 h。

(2)水准网设计

杭州市一、二等水准高程控制网布设，按照整体布网、分级控制、全面覆盖的设计原则，充分利用已有国家一、二等水准路线，增设部分一等水准附合路线，在空白地区增设部分一、二等水准附合路线和支线，最终建立以一等水准闭合环为骨架，以二等水准网为经络，覆盖杭州市辖区统一的高程基准体系，满足高程控制和似大地水准面精化需要。

①为了提高控制点的控制效率，非城建区或山区等困难区域可适当延长相邻水准点的间距，但最大间距以不超过12 km为宜;城建区相邻点位间距可适当缩短至4 km左右;

②为了满足似大地水准面精化的需要，设计的GPS/水准点应满足GPS观测要求，观测标志为普通水准标志。便于GPS观测精确对中，标志中心钻取直径不大于1.5 mm对中点;

③每个乡、镇城建区保证拥有两个以上水准点。

④五县(市)中根据地质条件布设一定密度的基岩水准点。

图3 一、二等水准路线图

4.2 获取的项目成果

(1)通过GPS数据处理获得了杭州市17个CORS站点、9个框架点及174个GPS C级点的2000国家大地坐标系成果。

(2)水准网数据处理获得了811 km的1985国家高程基准的一等水准测量成果及2741 km的二等水准测量成果。一等水准成果:单位权中误差(每千米):m0=±0.49 mm;二等水准成果:单位权中误差(每千米):m0=±0.64 mm。

(3)充分利用杭州市及周边地区的重力点成果、数字高程模型、采用EGM2008全球重力场模型、及分布较均匀的现势性较好的GPS水准成果，采用重力法(Molodensky原理)及移去～恢复(remove～restore)技术，综合利用多种现代拟合方法完成了分辨率为2.5'×2.5'的高精度杭州市似大地水准面模型的计算，模型总体精度为±1.0 cm。