广东省二等水准网改造的构想

2015-06-28朱紫阳张希彬许耿然

城市勘测 2015年2期

朱紫阳，张希彬，许耿然

(广东省国土资源测绘院，广东广州 510500)

1 引言

高程基准作为国民经济、社会发展和国防建设的重要基础设施，是各类高程测绘的基础与支撑。新中国成立初期，我国以青岛验潮站1950年～1956年7年间的验潮资料推算出1956年黄海高程系，于1951年～1969年布设了国家第一期一等水准网;后又根据青岛验潮站1952年～1979年之间为期19年的验潮资料推算出1985国家高程基准并沿用至今，于1976年～1984年布设了国家第二期一等水准网，又在1991年～1998年对该网进行了复测［1］，目前正在全国开展国家第三期一等水准测量，且针对该项工作已有大量的研究成果［2～7］;于世纪交界时完成了我国高精度、高分辨率、完整覆盖国土的新一代(似)大地水准面(CQG2000)［8］。

为满足广东省高程测量所需，广东省的水准测量则是在国家水准测量的基础上进行的，1955年～1958年完成了覆盖全省陆地范围的二等水准测量，1955年～1958年完成了覆盖全省陆地范围的三、四等水准测量;1975年～1989年进行了覆盖全省陆地范围的二等水准测量，水准路线总长6 180 km，共埋设水准点1 219 座;1976年、1983年～1991年、1999年～2001年、2009年～2011年、2013年～2014年分区域开展了三等水准测量;2011年～2012年为实施珠江三角洲及周边地区地面沉降地质灾害监测，对珠江三角洲、雷州半岛、韩江三角洲进行了二等水准测量;近年来，广州、佛山、惠州、湛江等地为本地区高程测量需要进行了二等水准测量。为广东省测绘基准现代化建设，广东省于2006年完成了全省似大地水准面精化计算，建立了内符合精度±4.1 cm、外符合精度±4.8 cm的高精度、高分辨率省级似大地水准面［9］。

由于自然损坏、人为破坏及保护经费不足等原因，广东省水准测量标志损毁较为严重，据不完全普查的结果显示，水准测量标志破坏率在50%以上。由于水准复测周期长、水准点沉降破坏严重等原因，较多区域长达几十千米甚至上百千米才有可供利用的水准点，现有的水准成果显然已经越来越不能满足广东省经济飞速发展的需求。而随着卫星导航定位技术的朝着多星多模方向发展及广东省连续运行卫星定位服务系统(GDCORS)的双星升级改造的实施，快速获取高精度的大地高已成为现实，而目前的接近5 cm精度的似大地水准面将会成为制约高精度定位的瓶颈。为及时维护和更新全省高程基准框架，使其担负高程系统的维持和高程基准的传递，为地球科学研究、重大灾害预报、地理国情监测及国防建设等提供服务，广东省已计划实施全省高程基准框架改造工作。

2 二等水准复测的构想

2.1 高程控制网的起算基础

广东省高程基准框架改造的主要工作内容是进行全省二等水准复测，在复测中所有起算点必须以国家第三期一等水准点为起算依据，理由主要有两方面:

(1)确保起算点的可靠性

据统计分析，国家第二期一等水准网及复测成果高程数据可靠性令人担忧，如华中、华东地区15 个省、市区域大地水准面精化工作中二等水准路线与一等水准路线连接，大部分水准点连接不上，差异较大［2］;广东省似大地水准面计算中按照GPS－B 级网观测了94点，其中已知水准点直接采用水准点成果、非已知水准点采用二等水准进行了联测，通过分析其中有6 个水准点的水准高程值存在明显偏差［9］，通过重力位计算表明剩余的88 个高程异常点水准成果与实际高程也存在一定的差异［10］。究其原因主要为近几年来地壳运动剧烈，同时地下矿产、水资源的大量开采使许多地区、城市地面出现大范围的沉降，遂使幸存的60%左右的水准点高程数据现势性极差［2］。

国家第三期一等水准测量刚布设完成，正在进行观测与数据处理，紧接着实施全省的二等水准复测，尽量缩短与国家第三期一等水准测量之间的时间间隙，可使尚未充分表现的起算点上的垂直沉降对成果起算的影响就很小，以国家第三期一等水准点为起算点正是为了提高起算成果的可靠性。

(2)便于转换到更新后的国家高程基准

采用青岛验潮站1952年～1979年之间19年的验潮资料推算出的1985 国家高程基准已经沿用近30年，该基准不但与全球高程基准存在系统差［11］，且系统差自东向西、自南向北明显增大［12］，1985 国家高程基准仅仅在黄海区域使得平均海水面与大地水准面大致重合。

全球高程基准统一［13］的趋势势不可挡，虽然国家有关部门未对1985 国家高程基准更新作出明确要求，但综合各方面的因素，1985 国家高程基准更新已经指日可待了。所有水准路线均以国家第三期一等水准点作为起算点，在国家高程基准更新后，只需要对全省复测的二等水准网进行重新平差计算即可完成高程基准转换。

2.2 高程控制网的布设

随着现代大地测量理论和技术的发展，广东省高程控制网除考虑以国家第三期一等水准点为起算点以外，还应基于已有二等水准路线，统筹考虑空间坐标基准框架的构建、兼顾与大地控制网之间的结合、及国家高程基准日后的更新，形成覆盖全省、密度适宜的省级高程基准框架，满足现代测绘基准体系对高程基准框架的要求。同时还应兼顾对近年来三等水准测量成果的重新平差计算与高程基准更新成果转换的需要。

(1)二等水准路线的改造

全省高程基准框架完善的主体是二等水准网的复测，在已有二等水准路线的基础上进行改造，所有二等水准路线均附合在国家第三期一等水准点上，结合本省交通基础设施建设和各地区地壳垂直运动实际状况，优化现有二等水准路线，适当加密现有二等水准路线，同时尽可能避免进行跨河水准测量。除了国家第三期一等水准测量与海岛(礁)测绘及各地区沉降监测布设的基岩标石水准点与基本标石水准点外、尚须布设一定密度的基岩标石水准点与基本标石水准点，以满足各地区经济发展及维护本地区高程控制框架的需要。对本地区高程基准框架予以切实的维护。

(2)与GNSS 大地控制网的结合

水准路线附近的GDCORS 站纳入水准线路，对不能纳入水准路线却还临近的GDCORS 站采用二等水准支线进行联测，结合所联测的GDCORS 站点分布及水准网布设，在水准路线上布设一定密度的卫星定位等级点，采用二等大地控制网点观测精度要求进行观测。结合国家现代测绘基准体系建设、由海岛(礁)测绘、珠三角及周边区域沉降监测在全省范围布设的GNSS/水准点，组成均匀分布于全省的密度达600 km2/点(平均点间距15 km)、高精度高程异常控制网。

(3)与已有三等水准路线及其他专项水准路线的衔接

在充分利用已有二等水准路线及优化的基础上，将近年来布设的三等水准网起算点(临近被破坏的三等水准起算点)、海岛(礁)测绘二等水准路线、各地区二等水准路线、珠三角及周边地区沉降监测网水准路线纳入二等水准线路。将海岛(礁)测绘、各地区、珠三角及周边地区沉降监测网二等水准观测成果纳入全省水准网进行整网平差计算，优化各地区的二等水准测量成果，利用平差计算后的水准点成果对近年来施测的三等水准路线进行重新平差计算，优化现有三等水准测量成果。

(4)实现珠江口海岛高程基准的统一

广东海域辽阔，大陆海岸线4 114 km，海岛1 431个(其中面积大于50 km2的海岛9 个)，而数珠江口岛屿最为集中，长期以来广东省海岛的高程基准尚未实现统一，现有二等水准路线分别沿珠江入海口的东西两侧布设，严重地影响了海洋测绘的发展与成果应用。须将二等水准路线跨香港、澳门直接由珠江口入海布设，实现珠江口东西岸水准的直接联测;并将高程基准传递至海岛，同时还可直线与香港、澳门的高程基准进行联测，使区域高程基准得到了统一。

(5)拟定的线路图

顾及满足上述种种需要，所初步拟定的水准网线路图如图1、图2 所示。

2.3 实施与数据处理

现行的《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12987－2006)明确规定:对高差应加入水准标尺长度改正、标尺温度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正和海潮负荷改正等［14］。

图1 原有水准路线图

图2 设想水准路线图

(1)重力异常改正

《国家一、二等水准测量规范》明确规定:对高程大于4 000 m或水准点间平均高差为150 m～250 m的二等水准路线上的每个水准点均应测定重力，;高差大于250 m的二等水准测段中，地面倾斜变化处应加测重力;高程在1 500 m～4 000 m之间或水准点间的平均高差为50 m～150 m的地区，二等水准路线上重力点间平均距离应小于23 km［14］。

笔者对广东地区现有二等水准路线计算表明，要实现每千米改正误差小于0.1 mm，高程小于50 m的区域，重力点间距可达到20 km或直接采用与该地区最为吻合的地球重力场模型;当高程在50 m～100 m之间，重力点间距宜小于10 km;当高程在100 m～150 m之间，宜每个水准点均测定重力;当高程大于150 m的水准测段中，地面倾斜处应加测重力。水准点间的高差小于50 m的区域，重力实测点间距宜小于10 km;当水准点间的高差在50 m～100 m之间，宜每个水准点应测定重力;当水准点间的高差大于100 m的水准测段中，地面倾斜处应加测重力。显然严于国家现行水准测量规范对重力点密度的要求。

另外，处于广东省东南部、珠江三角洲东端、南临南海的惠州市，为满足自身基础测绘对测绘基准的需求，于2013年～2014年开展了覆盖全市域陆地的二等水准测量，为保证重力异常改正精度，所有水准点处均按照加密重力测量精度要求施测了重力。剔除了极短的水准测段数，共有有效水准路线上265 个测段，平均点间距9.2 km、测段最大高差300 m、水准点高程最高为420 m，按照现行《国家一、二等水准测量规范》要求进行了重力异常改正，最大改正值为0.662 mm/km、最小改正值－0.853 mm/km、均方差0.138 mm/km，测段重力异常改正最大值为6.110 mm、最小值为－4.010 mm、均方差为1.181 mm，进一步按测段高差、水准点高程对重力异常改正值进行分区统计，结果完全吻合。共有水准环28 个，最大环线长257 km，平均环线长125 km，各闭合环重力异常改正最大值为3.30 mm、最小值为－3.24 mm、均方差为1.48 mm。

由此可见，为保证广东省二等水准高精度的重力异常改正，需分不同区域布设相应密度的重力点，这是保证改正精度的必要前提。

(2)固体潮改正

日月引潮力的作用，使水准仪垂线产生偏离，使前、后视读数产生误差，影响水准测量高差。研究表明，当日月在水准路线同一方向时，若日月天顶距均为45°时，固体潮汐影响最大，约为0.1 mm/km［1］。进一步研究表明，固体潮改正水准环闭合差的影响不太显著，都在2 mm以内［1］。

通过对惠州市265 段水准路线(含往返测)的530段水准高差固体潮改正计算表明，固体潮改正最大值为0.081 mm/km、最小值为－0.088 mm/km、均方差为 0.034 mm/km，测段固体潮改正最大值为1.470 mm、最小值为－1.230 mm、均方差为0.340 mm。28 个水准环，闭合环固体潮改正最大值为5.07 mm、最小值为－5.41 mm、均方差为1.88 mm，相比文献［1］的改正值大，究其原因主要为水准环周长短，观测时间比较集中。

由此可见，虽然固体潮改正相比重力异常改正小，但是对测段水准高差的影响还是比较显著，故为保证广东省二等水准高精度，固体潮改正必不可少。

(3)海潮改正

广东省南邻南中国海，大陆海岸线长达4 114 km，海潮负荷的影响不容忽视。海潮负荷对高精度水准测量的影响，取决于路线的近海位置，越是近海影响越显著，虽然在长路线上可能有抵消，但个别测段有的改正值达到了毫米级，有的甚至超过了固体潮改正。

通过对惠州市265 条水准路线(含往返测)上的530 段水准高差海潮改正计算表明，海潮改正最大值为0.075 mm/km、最小值为－0.097 mm/km、均方差为 0.027 mm/km，测段固体潮改正最大值为1.780 mm、最小值为－1.370 mm、均方差为0.264 mm。28 个水准环，闭合环海潮改正最大值为3.47 mm、最小值为－3.79 mm、均方差为1.54 mm。

3 结语

通过对广东省高程基准现状及国家现代测绘基准的实施分析，本文从起算基础、控制网布设、实施与数据处理三方面提出了对广东省二等水准复测的构想。起算基础方面，随着国家现代测绘基准体系建设，国家高程基准的更新将指日可待，为保证广东省二等水准的可用性及与新国家高程基准的对接，所有水准路线必须以国家第三期一等水准网进行衔接;高程控制网布设方面，需考虑与GNSS 大地控制网、近期布设的三等水准路线及专项水准路线、各地区布设的高程控制网、及实现珠江口海岛高程基准的统一;观测值改正方面，重力异常、固体潮、海潮对测段高差影响明显，必须进行合理改正。

广东省高程基准框架完善(即二等水准复测)将充分利用现代科技手段和仪器设备，采用切实可行的措施，在广东省高程基准框架建设方面将具有前所未有的意义。二等水准复测结合高等级大地控制网建设，组成覆盖全省的高精度高程异常控制网，结合重力测量、地形数据、卫星测高数据与高精度地球重力场模型，完成覆盖全省陆域、海岛及海域的陆海统一高精度似大地水准面，可以更加便捷地获取厘米级的正常高，极大地提高了测绘保障服务能力，以推动广东海洋经济发展。

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