談水準(zhǔn)測量基準(zhǔn)面

郭子強(qiáng)

(山西路橋集團(tuán)有限公司，山西太原 030006)

在建筑、航空、公路、水利等基礎(chǔ)建設(shè)中，測量占有重要的地位，在建筑測量中首先就是確定建筑控制點的點位及高程，建筑物測量其實就是確定地面點的三維坐標(biāo)，在普通的房屋建筑測量中，由于范圍相對較小，所以包括平面坐標(biāo)及高程測量可以采用區(qū)域內(nèi)相對坐標(biāo)的方式測量和放樣，對于大型水利工程及高速公路等，從測量的第一步確定基準(zhǔn)點的三維坐標(biāo)就必須以大地測量的方式為基礎(chǔ)，再加上現(xiàn)在的GPS及空間科學(xué)的發(fā)展，又有了空間測量和航空測量等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。平面控制測量的技術(shù)和精度越來越高，本文就水準(zhǔn)測量的基準(zhǔn)進(jìn)行探討。

在測量中首先必須定位測量點的平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程，而水準(zhǔn)高程的起算面在哪里，水準(zhǔn)高程又是如何傳遞和引點的，這時就有一個原始的水準(zhǔn)面的概念，那么這個水準(zhǔn)面又是什么，本文就以大家所熟知的高程測量體系逐漸剖析水準(zhǔn)高程測量的基礎(chǔ)。

在我國現(xiàn)行的測量規(guī)范和測量中，一共有兩套系統(tǒng)，一種是采用1956年青島驗潮站黃海平均海平面作為我國統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)面，在1988年的時候又采用了1985國家高程基準(zhǔn)。我們知道大地測量所研究的水準(zhǔn)面是在整體上非常接近于地球自然表面的水準(zhǔn)面，在地球表面由于海洋表面占到地表面積的71%，所以假設(shè)的水準(zhǔn)面與海洋平面相重合，這個虛擬的水準(zhǔn)面不受潮汐、風(fēng)浪及天氣、大氣氣壓等各種環(huán)境因素的影響，并且延伸到大陸下面各個與鉛垂線垂直的水準(zhǔn)面，這個水準(zhǔn)面就是大地水準(zhǔn)面，它是一個假想的無褶皺，無棱角的連續(xù)封閉曲面，這個假設(shè)的水準(zhǔn)面是理想狀態(tài)下的水準(zhǔn)面，無法通過普通的測量手段得到，那么我們實際測量所應(yīng)用的是正常重力位的重力等位面。

地球上的任何質(zhì)點，都受到地球引力和由于地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的共同作用，當(dāng)然它還要受到宇宙中其他天體如月球、太陽或其他天體等的引力，但這些引力可以說是微乎其微的，地球上任意質(zhì)點的重力其實就是地球引力與離心力的合力，當(dāng)給出力學(xué)引力常數(shù)值，我們就可以得到一個簇曲面，這些不同的常數(shù)值得到的簇曲面稱為重力等位面，也就是所謂的水準(zhǔn)面，可以說水準(zhǔn)面是無窮多個的，其中我們將完全靜止的海平面所形成的重力等位面稱作大地水準(zhǔn)面。

第一步是收集測區(qū)內(nèi)的一二三等水準(zhǔn)及重力資料。周邊地區(qū)的加密重力測量資料及測區(qū)范圍內(nèi)的 30″″×30″″DEM 與 2.5’×2.5’格網(wǎng)平均高程資料，作為似大地水準(zhǔn)面精化的已知數(shù)據(jù)。

第二步是基準(zhǔn)的選取，包括空間基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)。

第三步是進(jìn)行GPS點/水準(zhǔn)點/重力點聯(lián)測布網(wǎng)，在區(qū)域內(nèi)布設(shè)的所有GPS基準(zhǔn)點、水準(zhǔn)線路等，必須進(jìn)行統(tǒng)一的平差數(shù)據(jù)處理，做到基準(zhǔn)一致、精度均勻可靠。GPS點布設(shè)盡量重合已有的國家控制點和地方控制點，有利于求取國家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系在重力資料不足的地方，按照平均1 km2布設(shè)一個重力點原則實施。

第四步是進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集:對已布設(shè)的水準(zhǔn)點和重力點進(jìn)行外業(yè)測量，經(jīng)平差后上交內(nèi)業(yè)。

第五步是大地水準(zhǔn)面的計算，地面重力觀測值的歸算內(nèi)插形成格網(wǎng)地形均衡異常。

第六步是利用DTM恢復(fù)格網(wǎng)平均空間重力異常。

第七步是移去位模型重力異常生成殘差空間異常和殘差法異常。

第八步是計算格網(wǎng)殘差重力大地水準(zhǔn)面高與殘差高程異常。

第九步是由位模型值恢復(fù)重力大地水準(zhǔn)面高和高程異常，重力似大地水準(zhǔn)面與GPS水準(zhǔn)似大地水準(zhǔn)面的符合。

最后進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化的檢核，利用GPS/水準(zhǔn)點成果同最終確定的似大地水準(zhǔn)面的殘差值作檢驗。分別使用WDM94模型、EGM96模型，計算殘差的最大值、平均差值、中誤差。

大地水準(zhǔn)面是大地測量基準(zhǔn)之一，確定大地水準(zhǔn)面是國家基礎(chǔ)測繪中的一項重要工程。大地水準(zhǔn)面將我們平常的幾何大地測量與物理大地測量科學(xué)地結(jié)合起來，使人們在確定空間幾何位置的同時，還能獲得海拔高度和地球引力場關(guān)系等重要信息。大地水準(zhǔn)面的形狀反映了地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密度和分布等信息，對海洋學(xué)、地震學(xué)、地球物理學(xué)、地質(zhì)勘探、石油勘探等相關(guān)地球科學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用具有重要作用，大地測量作為基礎(chǔ)科學(xué)需要廣大測量人員研究和不斷探索。

［1］楊正堯.測量學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉，等.大地測量學(xué)基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2011.