大城市精密水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測中新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用——以上海市為例

謝惠洪，葉　勤

(1. 上海市測繪院，上海 200063； 2. 同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

Application of New Technology in Repetition of Megacity Precise Leveling Network

——A Case Study of Shanghai

XIE Huihong，YE Qin

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大城市精密水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測中新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用
——以上海市為例

謝惠洪1，葉勤2

(1. 上海市測繪院，上海 200063； 2. 同濟(jì)大學(xué)，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：結(jié)合2011年上海市精密水準(zhǔn)復(fù)測工程實(shí)踐，介紹了在特大城市精密水準(zhǔn)復(fù)測中設(shè)計、選點(diǎn)、計算等階段采用的新方法、新工藝等技術(shù)手段及管理方法，并就其中涉及的一些技術(shù)問題提出了看法。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測量；設(shè)計；觀測；質(zhì)量控制

特大城市是指人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、地理空間規(guī)模，以及區(qū)域發(fā)展和創(chuàng)新帶動力方面都處于國家或區(qū)域的前列，在區(qū)域城市體系發(fā)展方面起著重要標(biāo)桿作用的城市。上海作為中國的特大城市，近二三十年來，進(jìn)入城市高速發(fā)展時期。城市的發(fā)展對城市基礎(chǔ)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礎(chǔ)地理信息的重要要素。

城市的擴(kuò)張及市政建設(shè)的迅猛發(fā)展，造成許多水準(zhǔn)點(diǎn)被破壞，根據(jù)2010年下半年水準(zhǔn)普查統(tǒng)計,全市破壞近600個點(diǎn)，約占上海市水準(zhǔn)點(diǎn)總數(shù)的1/4。同時，由于上海是地表層沉降活動明顯地區(qū)，地下水使用量大，造成現(xiàn)有水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性降低。這些因素導(dǎo)致的水準(zhǔn)點(diǎn)高程異常，將不可避免地影響上海的工程建設(shè)和相關(guān)科學(xué)研究中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精度。為了進(jìn)一步提高水準(zhǔn)網(wǎng)精度，高效、可靠地為工程建設(shè)和科學(xué)研究提供測繪保障，并為研究上海地區(qū)地殼運(yùn)動的變化提供可靠依據(jù)，根據(jù)上海高程控制網(wǎng)五年更新周期要求，筆者所在單位于2011年對上海全市的精密水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。

在這次精密水準(zhǔn)復(fù)測過程中，針對城市面積大、水準(zhǔn)路線范圍廣、包括跨大江(長江)水準(zhǔn)等因素，在設(shè)計準(zhǔn)備、觀測、平差計算、質(zhì)量控制及成果數(shù)據(jù)發(fā)布方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施，進(jìn)行方法與工藝創(chuàng)新，以提高結(jié)果的精度與可靠性，滿足最終的要求。

一、基于地理影像信息的精密水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計

傳統(tǒng)水準(zhǔn)路線、水準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計基于的是已有交通圖。由于上海建設(shè)速度快，造成城市面貌改變較大，而已有交通圖現(xiàn)勢性差，且交通圖在成圖過程中舍去了很多信息，因此比較粗略。利用交通圖進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計，設(shè)計的線路與實(shí)際施測時真實(shí)的水準(zhǔn)線路相差比較大，這直接影響水準(zhǔn)工作量的預(yù)算準(zhǔn)確性。

隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，以及地理信息公共服務(wù)平臺的相繼建立和完善，采用地理信息公共服務(wù)平臺所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)來進(jìn)行大規(guī)模水準(zhǔn)網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計成為可能。上海市地理信息公共服務(wù)平臺提供WMS服務(wù)，由于WMS中提供的影像都是上海市最近一年的影像數(shù)據(jù)，現(xiàn)勢性好，而且包含極其豐富且清晰可辨的地物細(xì)節(jié)信息，因此非常有利于水準(zhǔn)網(wǎng)、水準(zhǔn)路線的規(guī)劃設(shè)計。

在整個上海市水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測的規(guī)劃和設(shè)計過程中，筆者利用上海市地理信息公共服務(wù)平臺提供的WMS服務(wù)，采用其最新的航空影像數(shù)據(jù)對整個上海市水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行精確規(guī)劃和設(shè)計。通過此項(xiàng)規(guī)劃和設(shè)計的水準(zhǔn)路線長度為5256 km，經(jīng)施測檢驗(yàn)其水準(zhǔn)路線長度與實(shí)際路線長度差距在100 m以內(nèi)。在設(shè)計階段對水準(zhǔn)路線長度作準(zhǔn)確預(yù)計，為水準(zhǔn)網(wǎng)形施測前的精度估計提供了精確的路線數(shù)據(jù)，也對施測前的各項(xiàng)準(zhǔn)備有利。

二、崇明三島與上海陸域的水準(zhǔn)聯(lián)測

過去崇明三島與上海陸域的水準(zhǔn)測量采用跨江水準(zhǔn)的方法，由于此處長江江面很寬，至少都在6 km以上，因此水準(zhǔn)測量精度受到影響。2009年底上海長江隧道和長江大橋的通車及崇啟通道的建設(shè)，為2011年的水準(zhǔn)復(fù)測通過長江隧道和長江大橋采用常規(guī)一等精密水準(zhǔn)線路提供了條件。

在實(shí)際的水準(zhǔn)路線測量中采用車輛通過的閑時時段進(jìn)行觀測，首次實(shí)現(xiàn)了浦東—長興—崇明常規(guī)一等水準(zhǔn)連測，對長興和崇明歷史上采用長距離跨江水準(zhǔn)實(shí)測的已有基巖點(diǎn)和水準(zhǔn)控制點(diǎn)的精度進(jìn)行了驗(yàn)證，確保了崇明三島的水準(zhǔn)點(diǎn)精度與全市一致，為崇明三島的開發(fā)建設(shè)提供了測繪保障[1]。

三、基于全過程質(zhì)量控制的觀測生產(chǎn)

為了滿足大規(guī)模等級水準(zhǔn)測量需要，在生產(chǎn)階段，為解決儀器本身的缺陷及各作業(yè)隊(duì)伍在作業(yè)樣式、數(shù)據(jù)預(yù)處理方式上的差異，提高作業(yè)效率和成果質(zhì)量，筆者開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的等級水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集軟件，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了等級電子水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了加強(qiáng)質(zhì)量控制，提高成果質(zhì)量，在2011年上海市精密水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目中，將質(zhì)量控制措施前移，質(zhì)量檢驗(yàn)同步，全程委托上海市測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行質(zhì)量控制，做到了基于全過程檢查的觀測生產(chǎn)。

1. 自主開發(fā)了水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集軟件

從2011年水準(zhǔn)復(fù)測的實(shí)際需求出發(fā)，在總結(jié)2006年水準(zhǔn)復(fù)測工作的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為解決水準(zhǔn)測量中儀器本身的缺陷及各作業(yè)隊(duì)伍在作業(yè)樣式、數(shù)據(jù)預(yù)處理方式上的差異，提高作業(yè)的效率和成果質(zhì)量，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的等級電子水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集軟件，以滿足大規(guī)模等級水準(zhǔn)測量的需要。

該軟件充分考慮了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，也充分考慮了此次上海市水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目的特點(diǎn)，并結(jié)合上海市測繪院各個部門的硬件軟件情況，統(tǒng)一了等級水準(zhǔn)測量的作業(yè)流程、精度指標(biāo)和成果樣式。在軟件中，通過設(shè)置符合我國等級水準(zhǔn)測量要求的限差參數(shù)，使得外業(yè)測量自動化、傻瓜化，提高了外業(yè)作業(yè)的效率和質(zhì)量。同時，該軟件具備在外業(yè)測量數(shù)據(jù)中自動化提取符合數(shù)據(jù)格式要求成果報表的功能，統(tǒng)一了因作業(yè)隊(duì)伍習(xí)慣與儀器不同帶來的成果樣式差異，便于數(shù)據(jù)網(wǎng)平差等后續(xù)工作的開展及成果的二次利用。

為保證等級電子水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性，在研究中對其進(jìn)行了3方面的測試：一是項(xiàng)目組內(nèi)部的功能測試與壓力測試，在軟件開發(fā)過程中為實(shí)現(xiàn)軟件功能，進(jìn)行了大量的功能測試；二是分院各部門的外業(yè)測試，在完成軟件的基本功能后，根據(jù)水準(zhǔn)測量的特點(diǎn)，為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在南方公司提供的測試的WinCE手簿上進(jìn)行測試；三是由外單位實(shí)施的第三方測試，測試采用Trimble DINI 12水準(zhǔn)儀和Trimble RECON手簿，測試內(nèi)容為一、二等水準(zhǔn)測量，測量場地為上海市浦東國際機(jī)場。結(jié)果顯示，該軟件滿足等級水準(zhǔn)測量功能需要，測試結(jié)果顯示符合國家水準(zhǔn)測量規(guī)范要求，滿足等級水準(zhǔn)測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集需要。

在2011年水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目過程中，等級電子水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)及時有效地反映到該軟件的更新完善過程中，為工程測繪系統(tǒng)的推廣使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)軟件的應(yīng)用縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。

2. 現(xiàn)場標(biāo)記的規(guī)范

水準(zhǔn)點(diǎn)的現(xiàn)場標(biāo)記，對于水準(zhǔn)點(diǎn)后續(xù)的找尋、應(yīng)用有重要作用。為了方便，以往水準(zhǔn)點(diǎn)現(xiàn)場都是用紅漆手寫撐線距離，字體大小不一且不美觀，給城市環(huán)境的美觀造成一定的負(fù)面影響，與上海的國際大都市形象不符。從促進(jìn)城市環(huán)境美化的角度出發(fā)，經(jīng)過多次調(diào)研嘗試，在不增加太多工作量的前提下，在此次水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目中對水準(zhǔn)點(diǎn)撐線采用統(tǒng)一模板進(jìn)行了點(diǎn)位紅漆噴繪，使得水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)示更加標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，減少了對城市外觀環(huán)境的影響，取得了良好的效果。圖1為具體現(xiàn)場實(shí)施的示例。

圖1　水準(zhǔn)點(diǎn)現(xiàn)場標(biāo)記圖

在施測過程中，為便于野外查找點(diǎn)位，每個水準(zhǔn)點(diǎn)各拍攝了遠(yuǎn)、近照片一張。近照反映該點(diǎn)點(diǎn)位情況，實(shí)地水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)號，并在照片合適位置加注點(diǎn)號；遠(yuǎn)照盡量將周邊標(biāo)志性地物一起攝入，反映該點(diǎn)與周邊地物的關(guān)系，同時在實(shí)地放置腳架標(biāo)示點(diǎn)位或在照片中用紅色箭頭標(biāo)示點(diǎn)位，并在照片合適位置加注點(diǎn)號。遠(yuǎn)、近照片將來作為點(diǎn)之記的附圖一起提供給用戶，可以直觀地反映該點(diǎn)位的情況。

為更加準(zhǔn)確地反映點(diǎn)位信息，此次在繪制點(diǎn)之記時盡量完善各欄目的內(nèi)容，特別是詳細(xì)位置圖和概略坐標(biāo)較以往更加精確。

3. 基于全過程的質(zhì)量檢驗(yàn)

為進(jìn)一步加強(qiáng)質(zhì)量控制，提高成果質(zhì)量，2011年上海市精密水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目中，質(zhì)檢部門參與了全過程質(zhì)量檢查。此次水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目全程委托上海市測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行質(zhì)量控制，做到了控制措施前移,質(zhì)量檢驗(yàn)同步。

水準(zhǔn)復(fù)測項(xiàng)目啟動以來，質(zhì)檢站派出了專人加入水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測項(xiàng)目組，一起進(jìn)行項(xiàng)目的歷史資料分析、搜集和整理，參與項(xiàng)目前期總體策劃和項(xiàng)目設(shè)計書的編寫，從質(zhì)量控制角度在項(xiàng)目開始階段進(jìn)行干預(yù)。經(jīng)過多次討論制定了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，控制措施從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理，從測段往返閉合差到環(huán)閉合差檢核，從測區(qū)精度到全網(wǎng)精度，涵蓋了水準(zhǔn)網(wǎng)項(xiàng)目的所有環(huán)節(jié)，節(jié)節(jié)相扣，為一全過程的質(zhì)量控制。在本次項(xiàng)目的前期策劃中，即要求各作業(yè)隊(duì)伍的數(shù)據(jù)分批上交，以便質(zhì)量檢驗(yàn)與生產(chǎn)作業(yè)同步進(jìn)行。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，質(zhì)檢站及時根據(jù)上交情況，組織人員數(shù)十次開展外業(yè)實(shí)地檢測測段高差、外業(yè)復(fù)查部分點(diǎn)之記、內(nèi)業(yè)核算部分環(huán)和路線閉合差、內(nèi)業(yè)審核數(shù)據(jù)資料等。對檢查中發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋給作業(yè)隊(duì)伍，使作業(yè)隊(duì)伍在后續(xù)的作業(yè)中徹底改正，避免同一問題重復(fù)發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量檢驗(yàn)同步、質(zhì)量監(jiān)控全程的預(yù)期目標(biāo)。此外項(xiàng)目組也多次到作業(yè)現(xiàn)場開展監(jiān)督檢查與指導(dǎo)，了解作業(yè)隊(duì)伍在生產(chǎn)周期、質(zhì)量控制等方面的情況，并現(xiàn)場解答或協(xié)調(diào)落實(shí)作業(yè)隊(duì)伍反映的各類問題，實(shí)現(xiàn)問題的實(shí)時反饋與解決[2]。

4. 基于不同平差方法的水準(zhǔn)成果解算

為提高水準(zhǔn)成果的準(zhǔn)確率，在平差計算方面，采用不同方法進(jìn)行驗(yàn)算。

結(jié)合最新的現(xiàn)代平差理論，結(jié)合此次水準(zhǔn)復(fù)測的實(shí)際情況，研制了適用于自身需求的水準(zhǔn)網(wǎng)精密平差軟件，該軟件具備以下特點(diǎn)：

1) 適應(yīng)多種平差模型：最小二乘、擬穩(wěn)、自由網(wǎng)。

2) 粗差探測功能輔助迅速查找可能存在粗差的觀測值。

3) 最短路徑算法自動查找閉合環(huán)。

4) 分等級定義不同權(quán)、實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)平差。

圖2　4套成果與其均值差異分布

四、數(shù)據(jù)發(fā)布與應(yīng)用

1. 數(shù)據(jù)發(fā)布

通過外網(wǎng)進(jìn)行精密水準(zhǔn)成果的發(fā)布，擴(kuò)大成果的應(yīng)用面。上海市精密水準(zhǔn)復(fù)測成果已于2012年3月15日正式發(fā)布，正式上線上海市測繪管理辦公室的網(wǎng)站，客戶可通過該平臺了解水準(zhǔn)點(diǎn)的現(xiàn)狀，方便進(jìn)行水準(zhǔn)路線設(shè)計及施工安排。

成果發(fā)布中，為方便客戶對成果的使用，提供了水準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，同時拍攝的水準(zhǔn)點(diǎn)的遠(yuǎn)、近照片作為點(diǎn)之記的附圖一起提供給用戶。由于此次繪制點(diǎn)之記時各欄目的內(nèi)容比過去完善，特別是詳細(xì)位置圖和概略坐標(biāo)較以往更加精確，因此可更加準(zhǔn)確地反映點(diǎn)位信息。

同時，通過該平臺可了解上海的水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)情況，如圖3所示。此次精密水準(zhǔn)復(fù)測工作獲得的水準(zhǔn)信息為上?！爸腔鄢鞘小苯ㄔO(shè)提供準(zhǔn)確完整的大地基準(zhǔn)。

2. 應(yīng)用該數(shù)據(jù)對上海的地面沉降趨勢的研究

對本次項(xiàng)目復(fù)測的結(jié)果及歷年水準(zhǔn)成果進(jìn)行分析，并結(jié)合水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)分布，采用多項(xiàng)式內(nèi)插模型對未知位置的高程進(jìn)行擬合內(nèi)插，最后計算出各點(diǎn)高程值。在此基礎(chǔ)上，利用歷年數(shù)據(jù)與2011年水準(zhǔn)成果分別計算上海地區(qū)1995—2011年、2001—2011年、2006—2011年水準(zhǔn)高程變化情況[3]，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖3　水準(zhǔn)點(diǎn)分布

圖4　水準(zhǔn)成果擬合地面形變

從圖4可知，上海嘉定、寶山、青浦等部分區(qū)域有較大的地面上升，崇明東灘地區(qū)沉降嚴(yán)重，其余區(qū)域沉降趨緩。利用精密水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)研究上海的地面沉降趨勢，對上海地理市情普查和監(jiān)測有一定參考價值。

五、幾點(diǎn)體會

1. 設(shè)計階段應(yīng)準(zhǔn)備充分

資料準(zhǔn)備主要包括：水準(zhǔn)點(diǎn)現(xiàn)狀的調(diào)查，包括水準(zhǔn)點(diǎn)的破損情況、補(bǔ)漏情況等；儀器設(shè)備配備，應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求配備，對采集軟件進(jìn)行優(yōu)選改進(jìn)，既方便操作，同時也要考慮后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，考慮到數(shù)據(jù)資料的規(guī)范性， 設(shè)計中應(yīng)詳細(xì)明確數(shù)據(jù)的格式、 內(nèi)容等要求，統(tǒng)一不同施測部門的輸出格式，保證數(shù)據(jù)一致，減小后續(xù)工作量，統(tǒng)一成果質(zhì)量；人員培訓(xùn)方面， 儀器設(shè)備作業(yè)人員在開測前應(yīng)統(tǒng)一培訓(xùn)， 熟悉技術(shù)設(shè)計中要求，特別是對標(biāo)準(zhǔn)的更改，同時，加強(qiáng)人員之間的配合，提高熟練程度，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高效率。

2. 充分利用各種最新影像信息提升項(xiàng)目準(zhǔn)備和后續(xù)測量階段的應(yīng)用

在前期準(zhǔn)備工作階段，如有最新的影像信息應(yīng)充分利用，由于其現(xiàn)勢性好且信息豐富，設(shè)計數(shù)據(jù)與實(shí)測情況相差小，對后續(xù)資料準(zhǔn)備、儀器設(shè)備配備、人員培訓(xùn)等都極為有利。

在后續(xù)測量中，應(yīng)充分利用多種信息獲取方法對點(diǎn)之記方法進(jìn)行輔助，利用實(shí)地拍攝的點(diǎn)位照片輔助點(diǎn)之記文件，相關(guān)的資料應(yīng)規(guī)范，越細(xì)致越好。

3. 外業(yè)測量周期應(yīng)壓縮

除了按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行測量外，應(yīng)確保路線、測段等的時間一致性，特別避開雨季對水準(zhǔn)測量的影響；如果施測周期較長，容易導(dǎo)致前后數(shù)據(jù)不一，無法達(dá)到限差要求。

六、結(jié)束語

在此次上海市精密水準(zhǔn)復(fù)測工作中，筆者從項(xiàng)目啟動階段即利用各種新的技術(shù)手段方法進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計階段即對質(zhì)量控制進(jìn)行通盤考慮，在實(shí)施階段針對項(xiàng)目的特點(diǎn)開發(fā)了水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)采集軟件和水準(zhǔn)網(wǎng)精密平差軟件，并針對用戶的應(yīng)用需求，在點(diǎn)之記和現(xiàn)場注記方面進(jìn)行了改進(jìn),方便了成果的后續(xù)使用。該項(xiàng)目的實(shí)施得到了業(yè)界的充分肯定，榮獲了中國測繪學(xué)會2012年優(yōu)秀測繪項(xiàng)目白金獎。

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引文格式： 謝惠洪，葉勤. 大城市精密水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測中新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用——以上海市為例[J].測繪通報，2016(1)：68-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0017.

作者簡介：謝惠洪(1969—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)楹娇諗z影測量、工程項(xiàng)目管理。E-mail：huihongxie@163.com

收稿日期：2014-08-22

中圖分類號：P224.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0068-04