长江口崇明岛域跨江高程测量基准网构建与完善

雷婉南，赵鹏飞

（1.上海建设管理职业技术学院，上海 200232；2.上海市测绘院，上海 200063；3.自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室，上海 200063）

高程基准的建设是一个地区经济建设和社会发展的基础性工作[1]，而岛域高程基准的建立一直以来是高程基准建设的难点[2-3]。岛域一般被水域（大海、江河）等隔离，远离陆域，只能采用跨江（海）高程连测的方式将高程基准传递到岛域，连测难度随着跨江（海）距离的增加而增大。若有隧道、大桥等线性工程可尝试通过其进行几何水准连测，若不具备几何水准连测条件，还可以采用动力水准法、静力水准法、三角高程法、GNSS 跨江水准等方法[4-5]，其中通过三角高程法跨江高程连测是较为成熟的一种方法[6-7]。

崇明岛位于长江口，面积超过1200 km2，是我国的第三大岛。上海市于2021 年开展了全域高程控制网复测工作，完成了上海市高程基准的更新任务，并顺利实现了上海陆域到崇明岛的精密高程连测，解决了上海陆域到崇明岛无法开展一等几何水准连测等重大技术问题。在2022 年9 月召开的上海市高程控制网复测项目专家验收会上，李建成院士等专家对项目高度肯定，并认为在该项目中“首次实施上海陆域到崇明岛一等几何水准连测，实现了上海陆域和崇明岛的高程基准完全统一”。

1 崇明岛高程基准建设历史

崇明岛高程基准建设的历史相比于上海市区较晚。根据相关志书记载[8]，江苏省南通地区测量队于1952 年3 月在崇明岛布设了环岛水准，采用了近似吴淞高程系的假定高程系统，此为崇明岛上最早的高程测量记录。

上海陆域至崇明岛的跨江高程连测最早始于20 世纪60 年代初。当时因国家科委“长江口航道改善措施研究”课题的需要，在长江下游自江阴到长江口沿江两岸建立二等水准网。在长江下游地区二等水准网中，共包括三条跨江三角高程测量，首次完成了上海陆域—长兴岛—崇明岛的跨江连测，三条跨江三角高程测量由上海市测量总队于1965—1966 年完成，具体情况见表1。

表1 20 世纪60 年代长江下游地区跨江连测简况Table 1 River-crossing leveling in the lower reaches of the Yangtze River in the 1960s

上海市从20 世纪50 年代起开始周期性的高程控制网测量工作，1968 年上海市高程控制网范围开始覆盖到崇明三岛（崇明岛、长兴岛、横沙岛），崇明三岛开始建立起与上海陆域地区相对统一的高程基准系统。上海航道局于1965 年在长兴岛凤凰镇设置基岩标J11，于1973—1974 年在崇明新河镇附近设置基岩标J12，从此这两座基岩标便作为长兴测区（含长兴岛、横沙岛）及崇明测区（含崇明岛）的高程基点。之后的历次上海市高程控制网复测范围均涵盖了崇明三岛，但是由于条件限制只能采用分区测量并平差计算的方式，即上海陆域测区、崇明测区和长兴测区分别以佘山基点、崇明基点（J12）和长兴基点（J11）作为起算点。所以，上海陆域测区、崇明测区和长兴测区的高程基准一直以来实际上是相对统一的独立体系。2006 年，上海市测绘院在上海市高程控制网复测中再次利用三角高程法实施了上海陆域—长兴岛—崇明岛的跨江高程连测，发现长兴基点（J11）比原值低21 mm，崇明基点（J12）比原值低7 mm，但为了高程复测成果的延续性，依然采用原成果将三个测区独立平差[9]。

2004 年12 月，上海长江隧桥工程正式启动，其南起浦东五号沟、经长兴岛，北止崇明陈家镇，全长25.5 km，采用“南隧北桥”的建设方案，是目前世界上规模最大的隧桥结合工程，包括长达8.95 km 的全球最大隧道——长江隧道和16.5 km 长的世界第一公路、轨交合建斜拉桥——长江大桥。原有上海陆域测区、长兴岛测区、崇明岛测区高程基准的精度和统一性已无法满足长江隧桥的建设需求，所以在浦东、长兴岛和崇明岛分别建造基岩标JY1、JY2、JY3，构建起长江隧桥专用高程控制网，采用三角高程法进行跨江连测，并利用GNSS 高程拟合法进行检核[10-11]。

2009 年长江隧桥建成，为上海陆域到长兴岛及崇明岛的几何水准连测创造了有利条件。2009 年底，上海市测绘院尝试在长江隧桥建成到通车之前的窗口期，通过穿越长江隧桥开展上海陆域—长兴岛—崇明岛一等几何水准连测。结果实现了穿越长江隧道的水准测量，顺利完成上海陆域至长兴岛的一等水准测量；而在长兴岛至崇明岛的水准测量中，由于长江大桥上较强侧向风扰动的影响，水准读数不稳定，只能尽量缩短视距测量勉强完成，认为最终精度仅接近二等水准要求。在2011 年的上海市高程控制网复测数据处理时，参考了2009 年的跨河水准连测数据[12]。

从此在上海市高程控制网复测工作中（例如2016 年、2021 年上海市高程控制网复测），均可通过长江隧道开展上海陆域至长兴岛的一等几何水准连测，长兴测区和上海陆域测区高程基准完全统一，故合并上海陆域测区和长兴测区，即本文所述的上海陆域均包含原上海陆域测区及长兴测区。而崇明岛由于客观条件的限制，2021年之前一直无法实现可靠的一等几何水准连测，这也成为上海市高程基准建设及统一过程中的遗憾。

2 崇明岛跨江连测

在2021 年上海市高程控制网复测工作中，首先按照惯例通过长江隧道，以一等几何水准的方式完成浦东到长兴岛的高程连测。然后组织开展了长兴岛到崇明岛的跨江精密高程连测，并在崇明岛域高程基准建设的历史上首次实现了长兴岛到崇明岛的一等几何水准连测，同时以两套方法、两条测量路线实现了长兴岛到崇明岛的跨江连测（图1），两条路线（东线、西线）跨江连测的具体情况如表2。

图1 长兴岛至崇明岛跨江连测示意图Fig.1 The sketch of Changxing Island to Chongming Island cross-river leveling

表2 长兴岛至崇明岛跨江连测简况Table 2 River-crossing leveling form Changxing Island to Chongming Island

东线通过穿越在建的LNG 越江管道A 线实现连测。上海市天然气主干网崇明岛—长兴岛—浦东新区五号沟LNG 站管道工程A 线（简称LNG 越江管道A 线）起始于长兴岛工作井，隧道穿越长江口北港水域，最终接入崇明岛工作井，隧道内径3.4 m，有利于在隧道内实施几何水准测量。LNG 越江管道A 线于2021 年实现贯通，从贯通到设备安装存在短暂的窗口期，可在窗口期内从管道内穿越长江口北港实施几何水准测量。而运营期内为保障安全，管道内将充满水，不再具备穿越管道的条件，所以这次实施测量的窗口期也是唯一的窗口期。

西线采用跨江三角高程法跨越长江口北港实现连测。连测选取了长江口北港最窄处进行三角高程测量，选址充分利用了建成的长兴岛青草沙水库北岸大堤，大大缩短了跨距，跨距仅为4.1 km。

3 跨江连测中的关键技术

3.1 东线连测

东线高程连测通过穿越LNG 越江管道A 线完成，包括两段竖井高程联系测量和一条一等几何水准测量路线，详见图2。

图2 东线连测示意图Fig.2 The sketch of east cross-river leveling

首先在长江口北港两岸通过工作竖井（长兴工作井、崇明工作井）开展竖井高程联系测量，将地面高程传递到工作竖井底部（CMBM1-CMBM2、CXBM1-CXBM2），然后在LNG 越江管道A 线内开展一等几何水准测量（CMBM2-CXBM2），从而实现长兴岛至崇明岛的一等几何水准连测。

（1）竖井高程联系测量

两处竖井高程联系测量采用不量仪器高、棱镜高的光电测距三角高程法进行测量，观测原理如图3。

图3 不量仪器高、棱镜高的光电测距三角高程法示意图Fig.3 The sketch of trigonometric leveling method without instrument height and prism height

在不量仪器高、棱镜高的光电测距三角高程法中，研发了专用的对中杆，对中杆的长度完全一样，能够保证安置时前后视棱镜高完全一样。为了测量点A 到点B 的高差，在I 处设置全站仪，A 处和B 处安置棱镜及对中杆，测得仪器I 到棱镜A 的距离S1和垂直角α1，仪器I 到棱镜B 的距离S2和垂直角α2，则点A 和点B 高差为：

式中：Δh为测量高差；S为仪器到棱镜的距离；α为垂直角；k为大气垂直折光系数；R地球平均曲率半径。

由于A 处和B 处的对中杆高度完全相同，所以不需要测量仪器高和棱镜高，同时也避免了测量仪器高和棱镜高时产生的误差。图4 为不量仪器高、棱镜高三角高程法的专用对中杆。

图4 不量仪器高、棱镜高的光电测距三角高程法专用对中杆Fig.4 The centering rod for trigonometric leveling method without instrument height and prism height

（2）穿越江管道几何水准测量

以一等几何水准的方式穿过越江管道施测。其测量方法与常规一等几何水准一致，但考虑到长江潮汐对越江管道内部高程的影响[13]，所以提前根据潮汐表选择在小潮日及平潮时段施测，并将水准路线分成多段同时施测，尽量缩短施测时间。根据隧道长度按1 km 左右划分测段，多小组、多测段同时测量，可以不考虑一等几何水准路线的对称性。最终越江管道内的一等水准路线的往返不符值为-0.67 mm，满足国家一等水准测量规范[14]要求。

3.2 西线连测

西线采用三角高程法进行跨江高程连测。

（1）观测条件的控制

在跨江高程连测中，主要误差来自垂直折光误差，通过合理选择和布设跨江场地，能够有效减少不对称性大气折光误差[7]。如何减小跨江距离是保证高程连测精度的关键，在跨江场地的选择和布设中，充分利用了2010 年建成的青草沙水库，其中南岸跨越点选择了长兴岛青草沙水库北岸大堤，北岸跨越点选择了崇明岛堡镇大堤，从而实现了在长江口北港最窄处实施跨江测量，跨距仅为约4.1 km，远小于长江口北港水域的平均宽度（8～10 km）。

在跨江测量时增加图形条件，将跨江点布置成稳定的大地四边形，即在南北岸跨越点各建造两个强制归心观测墩。经过提前验算，建造观测墩的高度约3 m，能实现两岸视线距水面的距离一致且视线垂直角小于1°，并保证视线高度严格满足国家一等水准测量规范的要求。强制归心观测墩样式参见图5。

知识管理是利用现代信息技术和手段，构建服务于组织或个人的知识系统。通过该系统，对知识进行积累、挖掘、分享和应用等活动，促进知识不断更新和创新。对知识系统的这种持续性活动和操作，又会反馈到系统内部，使得系统更为完善，内容更为合理。知识管理是知识转化的重要途径。知识管理最早应用于企业管理，通过对企业数据的统计分析和挖掘，更好地支撑企业决策。目前越来越多的知识工作者利用知识管理框架、模式和工具，进行项目、内容、文献、学习等的管理[3]。知识管理流程如2所示：

图5 观测墩实景照片Fig.5 The observation pier

同侧观测墩之间的距离约60 m，四个观测墩构成大地四边形观测条件。采用八点法进行观测，即每个观测墩顶部安装两个测量标志，一个标志上架设仪器，另一个标志上架设觇标，这样可在对向观测时视线环境条件保持一致。

如 图6 所 示，KCC1a、KCC2a、KCC3a、KCC4a 为仪器架设点，KCC1b、KCC2b、KCC3b、KCC4b 为觇标架设点，虚线为目标测线，实线为实际测线。

图6 跨江大地四边形示意图Fig.6 The sketch of cross-river geodetic quadrangle

（2）边长测量

用GNSS 测量的方式确定跨江观测点之间的距离，按照B 级静态GNSS 网要求观测[15]。解算时，在2000 国家大地坐标系下，以DAEJ、ZJZS、JSNT、JSLS 四个国家GNSS 连续运行站作为三维约束平差的约束条件，求出待定GNSS 网点坐标。平差后通过坐标反算空间距离，再将反算的空间距离归算到仪器点和觇标点间的水平距离，作为观测边长。

式中：v为觇标高，i为仪器高；D为仪器点和觇标点之间的水平距离；D''为仪器点和觇标点之间的斜距；D'为坐标反算的空间距离；α为跨江观测的垂直角中数。

（3）垂直角测量及高差计算

使用徕卡TS60 高精度全站仪（标称测角精度为±0.5’’，测距精度±(0.6+1×D) mm）测量垂直角，垂直角共测量18 个光段，单测回数为36 组。

（4）精度控制

三角高程法跨江连测每条边单光段高差间的互差限差为：

式中：M∆为每千米水准测量的偶然中误差限差；N为总光段数；S为跨江视线长度。

由大地四边形组成三个独立闭合环，用同一时段的各条边高差计算闭合差，各环线的闭合差应不大于限差：

式中：Mw为每千米水准测量的全中误差限差；S为跨江视线长度。

经计算，光段互差最大值为61.0 mm，小于限差±68.7 mm；环闭合差最大值为6.36 mm，小于限差±24.3 mm，均满足国家一等水准测量规范的要求。

4 结论与展望

在2021 年上海市高程控制网复测中，历史首次同时采用了两条测量路线将高程基准传递到崇明岛，其中东线基于竖井联系测量及一等几何水准，通过穿越LNG 越江管道A 线实现，西线基于跨江三角高程测量，通过跨越长江口北港实现。两条测量路线都顺利实现了长兴岛至崇明岛的高程连测。两条测量路线还可以进一步互相检核，由跨江高程连测东线、西线以及长兴岛和崇明岛上的其他水准路线可构成闭合环（参考图1），该闭合环长度为90.9 km，闭合差限差为±30.08 mm，环闭合差仅为-5.1 mm。东西两条跨江连测路线的一致性较好，以水准点10-179A 为例（位于J12 到JY3 的水准路线中），以长兴岛基岩点起算，从东西两条路线分别推算该点高程，高程互差仅为1.7mm，进一步证明了跨江高程连测的可靠性。此外，崇明岛上的基岩标J12 和JY3 也被证明有较好的稳定性。

值得一提的是，通过LNG 越江管道A 线的唯一窗口期首次实现一等几何水准连测，这次连测弥补了上海市高程基准建设及统一的最后遗憾，实现了上海市高程控制网数据的统一平差，消除了数据分区平差的弊端，最终保障了崇明岛和上海陆域高程基准的完全统一，将对崇明岛的建设和发展起到重大推进作用。

鉴于崇明岛和上海陆域的高程基准已完全统一，在今后的复测中，建议经检核后将基岩标J12 及JY3 均作为崇明测区的基点，避免J12 单点起算形成自由网，从而造成崇明测区的数据异常。

本研究对类似大型工程也有一定的借鉴和启示意义，例如：

（1）加强踏勘，利用有利条件开展施测。如利用在建LNG越江管道A线的唯一窗口期开展的几何水准测量；利用青草沙水库大堤大大缩减跨越长江口北港的距离等。

（2）提前设计，通过控制细节减小误差。如在越江管道中开展水准测量，除了严格执行规范要求外，还要提前规划好施测时间，减小潮汐的影响等。