大城市精密水准网复测中新技术、新工艺的应用——以上海市为例

谢惠洪，叶　勤

(1. 上海市测绘院，上海 200063； 2. 同济大学，上海 200092)

Application of New Technology in Repetition of Megacity Precise Leveling Network

——A Case Study of Shanghai

XIE Huihong，YE Qin



大城市精密水准网复测中新技术、新工艺的应用
——以上海市为例

谢惠洪1，叶勤2

(1. 上海市测绘院，上海 200063； 2. 同济大学，上海 200092)

Application of New Technology in Repetition of Megacity Precise Leveling Network

——A Case Study of Shanghai

XIE Huihong，YE Qin

摘要：结合2011年上海市精密水准复测工程实践，介绍了在特大城市精密水准复测中设计、选点、计算等阶段采用的新方法、新工艺等技术手段及管理方法，并就其中涉及的一些技术问题提出了看法。

关键词：水准测量；设计；观测；质量控制

特大城市是指人口规模、经济规模、地理空间规模，以及区域发展和创新带动力方面都处于国家或区域的前列，在区域城市体系发展方面起着重要标杆作用的城市。上海作为中国的特大城市，近二三十年来，进入城市高速发展时期。城市的发展对城市基础地理信息的更新提出了更高要求，而地面高程信息是城市基础地理信息的重要要素。

城市的扩张及市政建设的迅猛发展，造成许多水准点被破坏，根据2010年下半年水准普查统计,全市破坏近600个点，约占上海市水准点总数的1/4。同时，由于上海是地表层沉降活动明显地区，地下水使用量大，造成现有水准点的稳定性降低。这些因素导致的水准点高程异常，将不可避免地影响上海的工程建设和相关科学研究中数据的准确性与精度。为了进一步提高水准网精度，高效、可靠地为工程建设和科学研究提供测绘保障，并为研究上海地区地壳运动的变化提供可靠依据，根据上海高程控制网五年更新周期要求，笔者所在单位于2011年对上海全市的精密水准网进行复测。

在这次精密水准复测过程中，针对城市面积大、水准路线范围广、包括跨大江(长江)水准等因素，在设计准备、观测、平差计算、质量控制及成果数据发布方面采取相应的技术措施，进行方法与工艺创新，以提高结果的精度与可靠性，满足最终的要求。

一、基于地理影像信息的精密水准网设计

传统水准路线、水准网设计基于的是已有交通图。由于上海建设速度快，造成城市面貌改变较大，而已有交通图现势性差，且交通图在成图过程中舍去了很多信息，因此比较粗略。利用交通图进行规划、设计，设计的线路与实际施测时真实的水准线路相差比较大，这直接影响水准工作量的预算准确性。

随着地理信息技术的发展，以及地理信息公共服务平台的相继建立和完善，采用地理信息公共服务平台所提供的数据服务来进行大规模水准网的规划和设计成为可能。上海市地理信息公共服务平台提供WMS服务，由于WMS中提供的影像都是上海市最近一年的影像数据，现势性好，而且包含极其丰富且清晰可辨的地物细节信息，因此非常有利于水准网、水准路线的规划设计。

在整个上海市水准网复测的规划和设计过程中，笔者利用上海市地理信息公共服务平台提供的WMS服务，采用其最新的航空影像数据对整个上海市水准网进行精确规划和设计。通过此项规划和设计的水准路线长度为5256 km，经施测检验其水准路线长度与实际路线长度差距在100 m以内。在设计阶段对水准路线长度作准确预计，为水准网形施测前的精度估计提供了精确的路线数据，也对施测前的各项准备有利。

二、崇明三岛与上海陆域的水准联测

过去崇明三岛与上海陆域的水准测量采用跨江水准的方法，由于此处长江江面很宽，至少都在6 km以上，因此水准测量精度受到影响。2009年底上海长江隧道和长江大桥的通车及崇启通道的建设，为2011年的水准复测通过长江隧道和长江大桥采用常规一等精密水准线路提供了条件。

在实际的水准路线测量中采用车辆通过的闲时时段进行观测，首次实现了浦东—长兴—崇明常规一等水准连测，对长兴和崇明历史上采用长距离跨江水准实测的已有基岩点和水准控制点的精度进行了验证，确保了崇明三岛的水准点精度与全市一致，为崇明三岛的开发建设提供了测绘保障[1]。

三、基于全过程质量控制的观测生产

为了满足大规模等级水准测量需要，在生产阶段，为解决仪器本身的缺陷及各作业队伍在作业样式、数据预处理方式上的差异，提高作业效率和成果质量，笔者开发了具有自主知识产权的等级水准测量数据采集软件，在此基础上构成了等级电子水准测量数据采集系统。为了加强质量控制，提高成果质量，在2011年上海市精密水准复测项目中，将质量控制措施前移，质量检验同步，全程委托上海市测绘产品质量监督检验站进行质量控制，做到了基于全过程检查的观测生产。

1. 自主开发了水准测量数据采集软件

从2011年水准复测的实际需求出发，在总结2006年水准复测工作的经验基础上，为解决水准测量中仪器本身的缺陷及各作业队伍在作业样式、数据预处理方式上的差异，提高作业的效率和成果质量，开发了具有自主知识产权的等级电子水准测量数据采集软件，以满足大规模等级水准测量的需要。

该软件充分考虑了国家相关标准规范的要求，也充分考虑了此次上海市水准复测项目的特点，并结合上海市测绘院各个部门的硬件软件情况，统一了等级水准测量的作业流程、精度指标和成果样式。在软件中，通过设置符合我国等级水准测量要求的限差参数，使得外业测量自动化、傻瓜化，提高了外业作业的效率和质量。同时，该软件具备在外业测量数据中自动化提取符合数据格式要求成果报表的功能，统一了因作业队伍习惯与仪器不同带来的成果样式差异，便于数据网平差等后续工作的开展及成果的二次利用。

为保证等级电子水准测量数据采集系统软件的稳定性，在研究中对其进行了3方面的测试：一是项目组内部的功能测试与压力测试，在软件开发过程中为实现软件功能，进行了大量的功能测试；二是分院各部门的外业测试，在完成软件的基本功能后，根据水准测量的特点，为保障系统的稳定性，在南方公司提供的测试的WinCE手簿上进行测试；三是由外单位实施的第三方测试，测试采用Trimble DINI 12水准仪和Trimble RECON手簿，测试内容为一、二等水准测量，测量场地为上海市浦东国际机场。结果显示，该软件满足等级水准测量功能需要，测试结果显示符合国家水准测量规范要求，满足等级水准测量外业数据采集需要。

在2011年水准复测项目过程中，等级电子水准测量数据采集系统积累了大量的实践经验，这些经验及时有效地反映到该软件的更新完善过程中，为工程测绘系统的推广使用奠定了坚实的基础。该系统软件的应用缩短了生产周期，提高了生产质量。

2. 现场标记的规范

水准点的现场标记，对于水准点后续的找寻、应用有重要作用。为了方便，以往水准点现场都是用红漆手写撑线距离，字体大小不一且不美观，给城市环境的美观造成一定的负面影响，与上海的国际大都市形象不符。从促进城市环境美化的角度出发，经过多次调研尝试，在不增加太多工作量的前提下，在此次水准复测项目中对水准点撑线采用统一模板进行了点位红漆喷绘，使得水准点标示更加标准、规范，减少了对城市外观环境的影响，取得了良好的效果。图1为具体现场实施的示例。

图1　水准点现场标记图

在施测过程中，为便于野外查找点位，每个水准点各拍摄了远、近照片一张。近照反映该点点位情况，实地水准点点号，并在照片合适位置加注点号；远照尽量将周边标志性地物一起摄入，反映该点与周边地物的关系，同时在实地放置脚架标示点位或在照片中用红色箭头标示点位，并在照片合适位置加注点号。远、近照片将来作为点之记的附图一起提供给用户，可以直观地反映该点位的情况。

为更加准确地反映点位信息，此次在绘制点之记时尽量完善各栏目的内容，特别是详细位置图和概略坐标较以往更加精确。

3. 基于全过程的质量检验

为进一步加强质量控制，提高成果质量，2011年上海市精密水准复测项目中，质检部门参与了全过程质量检查。此次水准复测项目全程委托上海市测绘产品质量监督检验站进行质量控制，做到了控制措施前移,质量检验同步。

水准复测项目启动以来，质检站派出了专人加入水准网复测项目组，一起进行项目的历史资料分析、搜集和整理，参与项目前期总体策划和项目设计书的编写，从质量控制角度在项目开始阶段进行干预。经过多次讨论制定了严格的质量控制措施，控制措施从外业数据采集到内业数据整理，从测段往返闭合差到环闭合差检核，从测区精度到全网精度，涵盖了水准网项目的所有环节，节节相扣，为一全过程的质量控制。在本次项目的前期策划中，即要求各作业队伍的数据分批上交，以便质量检验与生产作业同步进行。在项目实施过程中，质检站及时根据上交情况，组织人员数十次开展外业实地检测测段高差、外业复查部分点之记、内业核算部分环和路线闭合差、内业审核数据资料等。对检查中发现的问题及时反馈给作业队伍，使作业队伍在后续的作业中彻底改正，避免同一问题重复发生，实现了质量检验同步、质量监控全程的预期目标。此外项目组也多次到作业现场开展监督检查与指导，了解作业队伍在生产周期、质量控制等方面的情况，并现场解答或协调落实作业队伍反映的各类问题，实现问题的实时反馈与解决[2]。

4. 基于不同平差方法的水准成果解算

为提高水准成果的准确率，在平差计算方面，采用不同方法进行验算。

结合最新的现代平差理论，结合此次水准复测的实际情况，研制了适用于自身需求的水准网精密平差软件，该软件具备以下特点：

1) 适应多种平差模型：最小二乘、拟稳、自由网。

2) 粗差探测功能辅助迅速查找可能存在粗差的观测值。

3) 最短路径算法自动查找闭合环。

4) 分等级定义不同权、实现整网平差。

图2　4套成果与其均值差异分布

四、数据发布与应用

1. 数据发布

通过外网进行精密水准成果的发布，扩大成果的应用面。上海市精密水准复测成果已于2012年3月15日正式发布，正式上线上海市测绘管理办公室的网站，客户可通过该平台了解水准点的现状，方便进行水准路线设计及施工安排。

成果发布中，为方便客户对成果的使用，提供了水准点的平面坐标，同时拍摄的水准点的远、近照片作为点之记的附图一起提供给用户。由于此次绘制点之记时各栏目的内容比过去完善，特别是详细位置图和概略坐标较以往更加精确，因此可更加准确地反映点位信息。

同时，通过该平台可了解上海的水准点布设情况，如图3所示。此次精密水准复测工作获得的水准信息为上海“智慧城市”建设提供准确完整的大地基准。

2. 应用该数据对上海的地面沉降趋势的研究

对本次项目复测的结果及历年水准成果进行分析，并结合水准点点位坐标分布，采用多项式内插模型对未知位置的高程进行拟合内插，最后计算出各点高程值。在此基础上，利用历年数据与2011年水准成果分别计算上海地区1995—2011年、2001—2011年、2006—2011年水准高程变化情况[3]，拟合结果如图4所示。

图3　水准点分布

图4　水准成果拟合地面形变

从图4可知，上海嘉定、宝山、青浦等部分区域有较大的地面上升，崇明东滩地区沉降严重，其余区域沉降趋缓。利用精密水准点数据研究上海的地面沉降趋势，对上海地理市情普查和监测有一定参考价值。

五、几点体会

1. 设计阶段应准备充分

资料准备主要包括：水准点现状的调查，包括水准点的破损情况、补漏情况等；仪器设备配备，应按照国家标准要求配备，对采集软件进行优选改进，既方便操作，同时也要考虑后续的数据处理，考虑到数据资料的规范性， 设计中应详细明确数据的格式、 内容等要求，统一不同施测部门的输出格式，保证数据一致，减小后续工作量，统一成果质量；人员培训方面， 仪器设备作业人员在开测前应统一培训， 熟悉技术设计中要求，特别是对标准的更改，同时，加强人员之间的配合，提高熟练程度，保证数据质量，提高效率。

2. 充分利用各种最新影像信息提升项目准备和后续测量阶段的应用

在前期准备工作阶段，如有最新的影像信息应充分利用，由于其现势性好且信息丰富，设计数据与实测情况相差小，对后续资料准备、仪器设备配备、人员培训等都极为有利。

在后续测量中，应充分利用多种信息获取方法对点之记方法进行辅助，利用实地拍摄的点位照片辅助点之记文件，相关的资料应规范，越细致越好。

3. 外业测量周期应压缩

除了按国家标准的要求进行测量外，应确保路线、测段等的时间一致性，特别避开雨季对水准测量的影响；如果施测周期较长，容易导致前后数据不一，无法达到限差要求。

六、结束语

在此次上海市精密水准复测工作中，笔者从项目启动阶段即利用各种新的技术手段方法进行设计，在设计阶段即对质量控制进行通盘考虑，在实施阶段针对项目的特点开发了水准测量数据采集软件和水准网精密平差软件，并针对用户的应用需求，在点之记和现场注记方面进行了改进,方便了成果的后续使用。该项目的实施得到了业界的充分肯定，荣获了中国测绘学会2012年优秀测绘项目白金奖。

参考文献：

[1]陈晓岚.上海市水准网复测数据分析与应用[J].测绘与空间地理信息，2012，35(11)：210-213，216.

[2]邓斌，季善标，袁伟，等.上海市2006年精密水准网平差分析[J].江西测绘，2007(S0)：19-21.

[3]邹俊平.2011年上海市精密水准网复测数据处理与分析[J].城市勘测，2012(5)：94-97.

[4]国家测绘局.国家一、二等水准测量规范：GB/T 12897—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[5]国家测绘局.国家三、四等水准测量规范：GB/T 12898—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[6]姜朝芳，沈云中.上海市水准网复测及其成果分析使用[J].测绘与空间地理信息，2004，27(2)：38-40.

引文格式： 谢惠洪，叶勤. 大城市精密水准网复测中新技术、新工艺的应用——以上海市为例[J].测绘通报，2016(1)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0017.

作者简介：谢惠洪(1969—)，男，高级工程师，研究方向为航空摄影测量、工程项目管理。E-mail：huihongxie@163.com

收稿日期：2014-08-22

中图分类号：P224.1

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)01-0068-04