杭州市現(xiàn)代高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)分析與實(shí)踐

呂松華

(杭州市勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310012)

1 概述

測繪基準(zhǔn)是進(jìn)行各種測量工作的起算依據(jù)。作為各類測繪活動的基礎(chǔ)和支撐，測繪基準(zhǔn)是國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。它主要包括大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)。

其中，高程基準(zhǔn)是建立高程系統(tǒng)和測量空間點(diǎn)高程的基本依據(jù)。1987年后我國采用青島大港驗(yàn)潮站1952年～1979年的資料，確立了黃海85高程基準(zhǔn)。沿用至今，即為1985國家高程基準(zhǔn)。我國在1977年～1988年進(jìn)行了第二期一等和二等水準(zhǔn)網(wǎng)測量。20世紀(jì)90年代又完成了上述二期一等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測。

隨著測繪技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)行測繪基準(zhǔn)體系的整體水平明顯滯后于現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展步伐;測繪基礎(chǔ)設(shè)施長期以來遭受嚴(yán)重?fù)p毀，現(xiàn)有測繪基準(zhǔn)體系的成果精度和數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性，不能滿足社會發(fā)展對現(xiàn)代化地理空間信息控制基準(zhǔn)服務(wù)的迫切需求，基準(zhǔn)體系服務(wù)能力不斷下降。

在現(xiàn)今GNSS定位時代，精化區(qū)域性大地水準(zhǔn)面和建立區(qū)域性高程控制網(wǎng)同等重要，也是一個地區(qū)建立現(xiàn)代高程基準(zhǔn)的主要任務(wù)。在高程提供形式上，不僅可以通過高程控制網(wǎng)來提供高精度的正常高，還能利用局域似大地水準(zhǔn)面結(jié)合GNSS定位技術(shù)提供正常高。

為適應(yīng)新時代測繪技術(shù)的發(fā)展，滿足區(qū)域城市化進(jìn)程和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展對現(xiàn)代高程基準(zhǔn)的需求，現(xiàn)代高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在全國各城市紛紛開始啟動和實(shí)施。

2 杭州市高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀與問題

杭州是浙江省省會城市，位于浙江省西北部，范圍為北緯 29°11'～30°34'和東經(jīng) 118°20'～120°37'之間。杭州市轄 8個區(qū)、5個縣(市)，全市土地總面積16596 km2。

2.1 高等級水準(zhǔn)控制網(wǎng)

目前本地區(qū)除原杭州市于2006年布設(shè)的二等水準(zhǔn)網(wǎng)(控制面積約3068 km2)外，其余5縣市均未建立全面、統(tǒng)一的二等水準(zhǔn)網(wǎng)，僅有10條國家高精度一、二等水準(zhǔn)路線和6條浙江省三等水準(zhǔn)路線經(jīng)過，施測時間從1997年～2006年。

圖1 杭州市2009年高等級水準(zhǔn)控制網(wǎng)現(xiàn)狀圖

從圖1可以看出，截止2009年，在市域1.6萬km2范圍內(nèi)，僅市域東部杭州市區(qū)保存有較完整的二等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，但也存在點(diǎn)位沉降和標(biāo)石破壞等問題，需要復(fù)測和補(bǔ)埋提高成果現(xiàn)勢性。而在市域中西部約1.3萬km2范圍內(nèi)僅沿主要公路分布有若干條一、二、三等水準(zhǔn)路線，密度稀少。同時國家高程控制網(wǎng)使用至今已有20余年歷史，由于地形形變和標(biāo)志損毀等原因，現(xiàn)勢性較差，已無法滿足高程起算的密度和精度要求。綜上所述，杭州市域現(xiàn)有高等級水準(zhǔn)控制成果現(xiàn)勢性較差、覆蓋區(qū)域較小、分布不均勻、標(biāo)志破壞嚴(yán)重，已無法滿足社會發(fā)展對測繪高程基準(zhǔn)的要求。

2.2 似大地水準(zhǔn)面模型

目前杭州市域全境覆蓋有2004年實(shí)施的浙閩贛區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化項目獲取的2.5'×2.5'分辨率厘米級精度似大地水準(zhǔn)面，可滿足1∶1000等航空攝影大比例尺測圖。同年杭州市實(shí)施了覆蓋市區(qū)約5000 km2的厘米級似大地水準(zhǔn)面模型，可滿足1∶500地形測圖高程控制需求。

上述模型計算實(shí)施中存在獲取的大地高和水準(zhǔn)高成果精度較低、GPS觀測與水準(zhǔn)觀測不同步等問題，導(dǎo)致模型精度較低，不能滿足更高精度的需求。

同時，隨著“杭州市CORS系統(tǒng)”的建立和運(yùn)行，全市大地基準(zhǔn)已統(tǒng)一到CGCS 2000國家基準(zhǔn)，同時GNSS技術(shù)應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)高程提供方式的突破，結(jié)合“網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)”和“大地水準(zhǔn)面模型”高效率、高精度的獲取地面三維坐標(biāo)有了更大的需求。但上述模型并非在HZCORS下直接獲取，使用中存在系統(tǒng)不一致等問題。

從高程控制網(wǎng)和似大地水準(zhǔn)面模型的現(xiàn)狀和問題出發(fā)，杭州市高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施要從內(nèi)容和技術(shù)兩方面實(shí)現(xiàn)自身的現(xiàn)代化，以適應(yīng)這種需求作好測繪保障。

3 杭州市高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的任務(wù)

杭州市高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的任務(wù)主要包括兩個方面，一是市域高程控制網(wǎng)的更新和完善;二是似大地水準(zhǔn)面模型的建立，基于CGCS2000大地基準(zhǔn)，在HZCORS系統(tǒng)控制下獲取市域厘米級精度似大地水準(zhǔn)面模型。

(1)更新市域高程控制網(wǎng)。首先在國家二期一等水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測成果基礎(chǔ)上，經(jīng)聯(lián)測和數(shù)據(jù)分析，在可靠一等水準(zhǔn)成果的基礎(chǔ)上，建立覆蓋全市域、統(tǒng)一的二等水準(zhǔn)首級控制網(wǎng);再次，根據(jù)需要在部分區(qū)域加密四等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，形成“二等+四等”的全覆蓋、重點(diǎn)突出的高程控制體系。二等水準(zhǔn)路線總長度將達(dá)到3500 km左右。

(2)獲取市域厘米級精度似大地水準(zhǔn)面模型。對高程的需求今后主要由大地水準(zhǔn)面結(jié)合GNSS技術(shù)來提供，這是高程控制網(wǎng)現(xiàn)代化的必由之路。為滿足大比例尺測圖和工程建設(shè)方面的需要，結(jié)合HZCORS，必須在市域推算基于CGCS2000大地基準(zhǔn)、以HZCORS為起算控制的市域高精度似大地水準(zhǔn)面模型。從技術(shù)層面上就是由目前的5 cm精度提高到1 cm左右。

4 杭州市現(xiàn)代高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)踐

4.1 項目設(shè)計

利用GPS定位技術(shù)、水準(zhǔn)測量技術(shù)和重力場的理論與方法，按照統(tǒng)一規(guī)劃、整體設(shè)計的原則，以杭州市CORS系統(tǒng)為基準(zhǔn)，均勻布設(shè)杭州市由GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)組成的大地水準(zhǔn)面精化網(wǎng)和一、二等水準(zhǔn)高程網(wǎng)，通過GPS網(wǎng)與一、二等水準(zhǔn)高程網(wǎng)，建立和維持集平面控制與高程控制于一體的杭州市三維空間基準(zhǔn)網(wǎng)，并結(jié)合GPS、水準(zhǔn)、DEM數(shù)據(jù)、重力數(shù)據(jù)和地球重力場模型，確定杭州市高精度、高分辨率區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型。

本項目是通過GPS控制網(wǎng)(包括 GPS框架網(wǎng)、GPS C級網(wǎng))、一、二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)和似大地水準(zhǔn)面精化三部分來具體實(shí)施。設(shè)計時，綜合考慮GPS測量成果與水準(zhǔn)測量成果的時效性(或現(xiàn)勢性)，保證同步性;重視市域水準(zhǔn)控制的起算基準(zhǔn)，原則上保證與2006年市區(qū)二等水準(zhǔn)成果保持一致。

(1)GPS控制網(wǎng)設(shè)計

杭州市GPS控制網(wǎng)分兩級布設(shè)，分別為GPS框架網(wǎng)和C級網(wǎng)。

GPS框架網(wǎng)由杭州及周邊地區(qū)連續(xù)運(yùn)行參考站點(diǎn)17點(diǎn)和杭州及周邊地區(qū)A級點(diǎn)9點(diǎn)共26點(diǎn)組成，主要用于建立和維持杭州地區(qū)區(qū)域大地基準(zhǔn)。杭州GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理收集了杭州市周邊的上海(SHAO)、武漢(WUHN)、泰安(TAIN)、廈門(XIAM)、TWTF(桃園)5個國家GPS連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)。

杭州市GPS C級網(wǎng)根據(jù)大地水準(zhǔn)面精化的精度和密度需求，在杭州市均勻布設(shè)，由杭州市原有C級網(wǎng)點(diǎn)50點(diǎn)和新埋C級網(wǎng)點(diǎn)126點(diǎn)，共176點(diǎn)組成。所有GPS C級點(diǎn)均采用一等或二等水準(zhǔn)連測高程。

圖2 GPS C級點(diǎn)分布圖

框架網(wǎng)、C級網(wǎng)觀測均采用基于連續(xù)運(yùn)行參考站GPS靜態(tài)相對定位模式作業(yè)。GPS框架點(diǎn)按B級網(wǎng)觀測精度進(jìn)行，觀測3個時段，每時段觀測時間不少于23.5 h。GPS C級點(diǎn)按C級網(wǎng)觀測精度進(jìn)行，每個點(diǎn)觀測1個時段，時段長度12 h。

(2)水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計

杭州市一、二等水準(zhǔn)高程控制網(wǎng)布設(shè)，按照整體布網(wǎng)、分級控制、全面覆蓋的設(shè)計原則，充分利用已有國家一、二等水準(zhǔn)路線，增設(shè)部分一等水準(zhǔn)附合路線，在空白地區(qū)增設(shè)部分一、二等水準(zhǔn)附合路線和支線，最終建立以一等水準(zhǔn)閉合環(huán)為骨架，以二等水準(zhǔn)網(wǎng)為經(jīng)絡(luò)，覆蓋杭州市轄區(qū)統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)體系，滿足高程控制和似大地水準(zhǔn)面精化需要。

①為了提高控制點(diǎn)的控制效率，非城建區(qū)或山區(qū)等困難區(qū)域可適當(dāng)延長相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)的間距，但最大間距以不超過12 km為宜;城建區(qū)相鄰點(diǎn)位間距可適當(dāng)縮短至4 km左右;

②為了滿足似大地水準(zhǔn)面精化的需要，設(shè)計的GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)滿足GPS觀測要求，觀測標(biāo)志為普通水準(zhǔn)標(biāo)志。便于GPS觀測精確對中，標(biāo)志中心鉆取直徑不大于1.5 mm對中點(diǎn);

③每個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)城建區(qū)保證擁有兩個以上水準(zhǔn)點(diǎn)。

④五縣(市)中根據(jù)地質(zhì)條件布設(shè)一定密度的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)。

圖3 一、二等水準(zhǔn)路線圖

4.2 獲取的項目成果

(1)通過GPS數(shù)據(jù)處理獲得了杭州市17個CORS站點(diǎn)、9個框架點(diǎn)及174個GPS C級點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)系成果。

(2)水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理獲得了811 km的1985國家高程基準(zhǔn)的一等水準(zhǔn)測量成果及2741 km的二等水準(zhǔn)測量成果。一等水準(zhǔn)成果:單位權(quán)中誤差(每千米):m0=±0.49 mm;二等水準(zhǔn)成果:單位權(quán)中誤差(每千米):m0=±0.64 mm。

(3)充分利用杭州市及周邊地區(qū)的重力點(diǎn)成果、數(shù)字高程模型、采用EGM2008全球重力場模型、及分布較均勻的現(xiàn)勢性較好的GPS水準(zhǔn)成果，采用重力法(Molodensky原理)及移去～恢復(fù)(remove～restore)技術(shù)，綜合利用多種現(xiàn)代擬合方法完成了分辨率為2.5'×2.5'的高精度杭州市似大地水準(zhǔn)面模型的計算，模型總體精度為±1.0 cm。

4.3 技術(shù)特點(diǎn)

(1)充分收集利用杭州市及周邊的國家GPS連續(xù)運(yùn)行參考站數(shù)據(jù)，采用高精度的數(shù)據(jù)處理軟件、嚴(yán)密的數(shù)據(jù)處理技術(shù)方法，獲得了杭州市CORS、GPS框架網(wǎng)及GPS C級網(wǎng)精確的2000國家大地坐標(biāo)系成果，首次確定了杭州市統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)框架基準(zhǔn)。

(2)杭州市水準(zhǔn)網(wǎng)采用一、二等水準(zhǔn)布設(shè)方案，對杭州市區(qū)域內(nèi)我國一、二等水準(zhǔn)路線進(jìn)行了全線復(fù)測，在數(shù)據(jù)處理中加入了海潮負(fù)荷改正，所有成果與前期水準(zhǔn)成果進(jìn)行了分析比較，獲得了現(xiàn)勢性強(qiáng)、精度高的杭州市現(xiàn)代高程基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

(3)考慮到市域地面沉降因素，重視一、二等水準(zhǔn)控制的起算基準(zhǔn)。經(jīng)點(diǎn)位沉降分析，選擇可靠的適合城市長期使用的國家一等基巖點(diǎn)作為本項目高程網(wǎng)起算點(diǎn)，在與國家高程基準(zhǔn)緊密聯(lián)系的基礎(chǔ)上保證杭州市域高程基準(zhǔn)的相對穩(wěn)定性。

(4)采用國際上先進(jìn)的全球地球重力場模型——EGM2008模型(2160階次)，陸海統(tǒng)一的嚴(yán)密重力歸算理論與技術(shù)以及精密確定地形質(zhì)量對大地水準(zhǔn)面的直接與間接影響，完成杭州市區(qū)域重力大地水準(zhǔn)面的計算。

5 結(jié)語

為適應(yīng)新時代測繪技術(shù)的發(fā)展，滿足區(qū)域城市化進(jìn)程和城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展對現(xiàn)代高程基準(zhǔn)的需求，區(qū)域性現(xiàn)代高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)該得到更高的重視。

本文結(jié)合杭州市建設(shè)實(shí)踐，總結(jié)了現(xiàn)代高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的內(nèi)容和手段。建設(shè)中，建議重點(diǎn)關(guān)注高程控制網(wǎng)的點(diǎn)位可靠、起算穩(wěn)定和分布密度;關(guān)注似大地水準(zhǔn)面模型的大地基準(zhǔn)和精度，注重在CGCS2000基準(zhǔn)下與CORS系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。

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［2］陳俊勇，張鵬.國家測繪基準(zhǔn)“十二五”重大項目的思考［J］.武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2009(10).

［3］寧津生，劉經(jīng)南，陳俊勇等.現(xiàn)代大地測量理論與技術(shù)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，

［4］GB/T 12897－2006.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.

［5］GB/T 18314－2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.

［6］GB/T 23709－2009.區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化基本技術(shù)規(guī)定［S］.