上海水准高程测量技术要点

张 超 郝宗泽 郭赞峰

（自然资源部第一大地测量队，陕西 西安710054）

0.引言

上海作为我国的超大城市，其在区域发展中起着“领头雁”的标杆作用，而正是这种“城市化”进程的强力推动，对上海市的基础地理信息有着巨大的需求，而地面高程信息是城市基础地理信息的重要要素，所以对上海城市沉降观测提出了更高的要求。

据不完全统计，全上海市一等水准观测约110km，二等水准观测约1034.4km，三等水准观测2194.1km，加之对全市10个GNSS连续运行基准站（以下简称“CORS站”）的高程连测，可以说比较全面地实现了对全境的布控。

1.水准点选埋普查

作业中，认真判读每一点的点之记和地形图块，判断图中地物与实地是否相符，如有不符之处，当场纠正该点在图上的位置。避免出现错查、漏查。普查中，清除了堆积在标志上的淤泥、石块等杂物，并将标志头上的污垢擦拭干净；现场将水准标志的材质、好坏程度；是否有井框、井盖；标志离地面的深度等登记在“水准点调查表”中。除少数量取撑线有困难的水准点外，其他每个水准点至少选择三处固定、永久性地物标示撑线，且撑线交角大部分符合30°～150°之间的夹角，撑线距离均小于50m。

在实际的作业中，用红漆和专用模板在撑线位置将点号、撑线距离及指示方向等内容喷绘在撑线物表面，当撑线物为圆柱形（如：电线杆、路灯等），不便于横向喷字时，样式竖向放置模板喷字。并根据要求绘制了点之记（文章对点之记不予展示）。喷绘效果图（如图1所示）：

图1撑线样式

针对提供的《上海市一、二、三等水准点情况表》，普查过程中，如发现和表上信息有出入时，及时修正，并应增加本次新增的水准点内容；若水准点已确认被破坏，该点信息行字体改为红色，备注栏加注“已破坏”；如水准点存在被杂物覆盖而无法清理等情况，该点信息行字体改为蓝色，备注栏加注相应说明；一、二、三等水准点应在不同表格中汇总体现，水准点情况表（如表1所示）：

表1水准情况表（部分）

每次普查结束收测回到驻地后，应将调查表信息及时录入到电子版的水准点情况表中，严格操作流程，做到准确无误。

全测区普查结束后，根据普查情况，内业技术人员在原网图中指出需要补埋点的大概位置，外业人员根据网图标示，在实地选好埋石的确切位置。埋石工作也需要积极跟进，考虑到上海冻土较浅，土地宝贵、交通拥堵的实际，作业人员采取了开挖量小和现场作业工序少的预埋混凝土柱石方法，提高了工作效率，减少了工作难度。各点完成后，也需要完成各新埋点的喷字、量撑线、拍远近照片、测RTK坐标、绘制点之记手稿等工作。

2.水准观测

一、二等水准观测应根据道路土质选用尺桩（尺桩质量不轻于1.5kg，长度不短于0.2m）或尺台（尺台质量不轻于5kg）作为转点尺承，特殊地段可采用大铆钉作为转点尺承；三等水准观测采用质量不小于1kg的尺台作为转点尺承。

测站视线长度（仪器至标尺距离）、前后视距差、视线高度、数字水准仪重复测量次数按规定执行（如表2所示）：

表2水准观测参数要求

需要特别说明：低等级水准网是在高等级水准网的基础上加密布设而来，各等级水准观测同时进行且在有效期（3个月）内完成，因此，低等级水准路线接测高等级水准点时，无需进行检测。

根据笔者单位观测的经验，有以下几点希望得到同行的注意：

（1）水准路线的观测以水准网图为准，测前需确保各路线点之记资料齐全，尤其注意接测点是否正确，不能出现漏点观测情况。

（2）小组不得擅自变更水准路线走向，当水准路线因修路或道路封闭等原因而不通时，及时上报中队。

（3）为防止与低等级水准路线接测的高等级水准点被破坏，建议先观测高等级水准路线，再观测与该高等级水准路线有关联的低等级水准路线。

（4）水准路线往测方向一般遵循“从西往东，由北至南”的原则；环线遵循“从高等级点起测顺时针观测”的原则；支线遵循“从接测点开始往测”的原则。

（5）由于水准点布设密度较大，在水准观测时，会出现测段等于（区段等于）水准路线的情况，每条水准路线必须连续完整观测，在观测时可以与相邻路线合并观测（合并路线只允许存在于同等级且同方向的连续路线间），合理选择区段结束点（必须结束在接点上），但光段对称、路线闭合差按单路线计算。

（6）当连续几个水准点破坏，导致测段过长时，可增加临时固定点，临时固定点必须稳定可靠，其编号方式为：固+组号+两位数字序号，如“固301”表示第3小组第一个临时固定点。

（7）测区内一、二、三等水准路线纵横贯穿，观测程序互换频繁，要认真核对选用相应等级程序，输入正确的路线号。

观测中记录测段高差、距离，计算往返不符值、线路闭合差，一、二等水准计算上、下午光段对称性，在日间气温变化不大的阴天和观测条件较好时，若干里程的往返测可同在上午或下午进行，但这种观测的总站数，一等不应超过该区段总站数的20%，二等不应超过该区段总站数的30%（合并观测的线路，按单路线计算）。

在作业中，对每条水准路线要进行每公里水准测量偶然中误差的计算（小于100km或测段数不足20个路线，可纳入相邻路线一并计算）。

采用单路线往返观测。同一区段的往返测，应使用同一类型的仪器和转点尺承，沿同一道路进行。

再者，对于重测和超限值的取舍，也应得到科学处理，一般而言，测段往返测高差不符值超限，应先就可靠程度较小的往测或返测进行整测段重测，并按下列原则进行取舍：

（1）若重测的高差与同方向原测高差的不符值超出往返测高差不符值的限差，但与另一单程高差的不符值不超出限差，则取用重测结果。

（2）若同方向两高差不符值未超出限差，且其中数与另一单程高差的不符值亦不超出限差，则取同方向中数作为该单程的高差。

（3）若重测高差中两同方向高差中数与另一单程高差的不符值超出限差，应重测另一单程。

（4）若超限测段经过两次或多次重测后，出现同向观测结果靠近，而异向观测结果间不符值超限的分群现象时，如果同方向高差不符值小于限差之半，则取原测的往返高差中数作为往测结果，取重测的往返高差中数作为返测结果。

对于整条水准路线而言，其往返测高差不符值超限时，应就往返测高差不符值与这段水准观测路线不符值同符号中较大的测段进行重测，若重测后仍超出限差，则应重测其他测段。

3.数据计算

外业观测结束后，首先检查水准点数据的完整性；对路线进行了观测高差、测站数、距离等关键数据的累和，用于检查数据的正确性；进行偶然中误差计算，检查是否合规范要求。

进行每千米水准测量偶然中误M△的计算。

每千米水准测量偶然中误差按照式（1）计算：

式中，

△为测段往返测高差不符值，单位为毫米（mm）；

R为测段长度，单位为千米（km）；

n为测段数。

对观测高差施加标尺改正、水准面不平行改正后，计算水准环线闭合差。

这里的标尺改正依据式（2）计算：一个测段高差改正数为δ：

式中，h为往测或返测高差值，单位为米（m）；f为标尺改正系数，单位为毫米每米(mm/m)。

水准面不平行改正依据式（3）计算：一个测段高差改正数ε为：

式中，

其中，γm为两水准点的正常重力平均值，10-5ms-2；

γi、γi+1为i点、i＋1点的正常重力值，10-5ms-2；

Hm为两水准点概略高程平均值，单位为米（m）。

其次，当构成水准网的水准环超过20个时，还需按环闭合差W计算每公里水准测量的全中误差Mw。每公里水准测量全中误差按照式（4）计算：

式中，W△为经过各项改正后的水准环闭合差，单位为毫米（mm）；

F为水准环线周长，单位为千米（km）；

N为水准网中环数。

基于数据采集软件中的设定，此次外业计算取位按外业成果取位要求进行（如表3所示）：

表3外业成果取位要求

在水准路线设计图的基础上，根据观测情况，按水准路线等级绘制观测路线图及拼环图（如图2所示）：

图2水准拼环示意图

4.结束语

本文充分介绍了上海城市高程测量技术要点，并对各技术流程进行了论述，方法已经成熟地运用到了上海沉降观测的流程中。在数据处理的过程中，按逐级控制的原则分等级进行，先进行上海市一等水准网平差，在上海市一等水准网平差的基础上，再进行二等水准网平差、三等水准处理。平差采用间接平差法，以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正后的往返测高差中数为元素，待定结点高程为未知数，按路线测站数定权进行结点平差。当结点高程及路线高差改正量计算完成后，采用附和路线平差的方法推求路线中间点的高程。

但基于上海这样一个超大城市，对于其沉降变化规律研究，笔者有以下几个建议：

（1）上海的水准沉降点存在多龙治水，建议加快资源整合，并开发观测项目以期更好地利用这些资源，在对测区范围内的监测对象，合理优化布局，使上海的一、二、三等水准网设计更为科学合理。

（2）下大气力加强水准监测网的起算点稳定性分析，结合多学科融合，利用好上海市的科研实力，对起算点的稳定性分析会有更大的潜力挖掘。