郭小亮

摘 要：本文基于筆者從事似大地水準(zhǔn)面精化的相關(guān)工作，以區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面的意義為研究對(duì)象，從三個(gè)方面對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，省一級(jí)的似大地水準(zhǔn)面精度完全滿足中小比例尺地形測(cè)圖的要求，基于此，筆者給出了重點(diǎn)應(yīng)用方向，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：區(qū)域 精化 似大地水準(zhǔn)面 地形測(cè)量

中圖分類號(hào)：P223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0070-04

1 全國(guó)精化似大地水準(zhǔn)面成果情況

關(guān)于精化似大地水準(zhǔn)面，中國(guó)工程院院士寧津生曾這樣論述過(guò)：/大地水準(zhǔn)面是指與全球平均海平面（或靜止海水面）相重合的水準(zhǔn)面。精化大地水準(zhǔn)面對(duì)于測(cè)繪工作有重要意義。首先，大地水準(zhǔn)面或似大地水準(zhǔn)面是獲取地理空間信息的高程基準(zhǔn)面。其次，GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)結(jié)合高精度高分辨率大地水準(zhǔn)面模型，可以替代傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)定正常高，真正實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)對(duì)幾何和物理意義上的3維定位功能。再次，在現(xiàn)今GPS定位時(shí)代，精化區(qū)域性大地水準(zhǔn)面和建立新一代傳統(tǒng)的國(guó)家或區(qū)域性高程控制網(wǎng)同等重要，也是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)建立現(xiàn)代高程基準(zhǔn)的主要任務(wù)，以此滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和測(cè)繪科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及相關(guān)地學(xué)研究的需要。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前建立了高分辨率高精度似大地水準(zhǔn)面的省、市及工程有：海南、江蘇、河北、青海、廣東、廣西、山西、香港特別行政區(qū)；無(wú)錫、青島、常州、長(zhǎng)治、朔州、大同、晉中、哈爾濱松北、東莞、廣州、沈陽(yáng)、莆田、深圳、大連、銀川；“南水北調(diào)”西線工程等。

部分省、市級(jí)網(wǎng)的精度情況如下：

海南?。核拼蟮厮疁?zhǔn)面分辨率為2.5×2.5，外符合精度為±0.09 m；

江蘇?。核拼蟮厮疁?zhǔn)面分辨率為2.5×2.5，外符合精度為±0.078 m；

河北省：似大地水準(zhǔn)面分辨率為2.5×2.5，外符合精度為±0.015 m；

大連市：似大地水準(zhǔn)面分辨率為2.5×2.5，外符合精度為±0.03 cm。

深圳市：似大地水準(zhǔn)面是1 km格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面高和似大地水準(zhǔn)面高差的精度（標(biāo)準(zhǔn)差）分別為±0.014 m和±0.019 m，其相對(duì)精度總體上優(yōu)于1×10-6；

南京市：似大地水準(zhǔn)面分辨率為2.5×2.5，外符合精度為±0.09 m；

銀川市：似大地水準(zhǔn)面精度優(yōu)于± 0.030 cm；香港：大地水準(zhǔn)面的分辨率為1 km，精度優(yōu)于±01017 m；

青島市：似大地水準(zhǔn)面的分辨率為 2.5×2.5，精度優(yōu)于±0.015 m；

東莞市：似大地水準(zhǔn)面的外部檢核精度為±6 mm；

廣州市：似大地水準(zhǔn)面的外部檢核精度為±8 mm；

沈陽(yáng)市：似大地水準(zhǔn)面的外部檢核精度為±9 mm。

2 省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面成果應(yīng)用分析

某省精化似大地水準(zhǔn)面成果是由省測(cè)繪局與武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院合作完成，于2006年12月順利通過(guò)專業(yè)鑒定和省級(jí)質(zhì)檢站驗(yàn)收。其成果主要確定的分辨率2.5×2.5網(wǎng)格似大地水準(zhǔn)面，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)下檢測(cè)外符合精度為±0.033 m，局部區(qū)域其精度優(yōu)于±0.03 m的省級(jí)似大地水準(zhǔn)面。

2.1 外符合精度

分別采用省級(jí)C級(jí)GPS控制網(wǎng)、D級(jí)GPS控制網(wǎng)和航控GPS控制網(wǎng)的GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)省級(jí)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行外符合精度檢測(cè)，得到各類檢測(cè)精度的加權(quán)平均中誤差見(jiàn)表1。

2.2 應(yīng)用方向分析

省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面的成果應(yīng)用原理：利用省級(jí)范圍內(nèi)的某點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)系下的3維坐標(biāo)成果（通常是利用GPS獲得），即可通過(guò)區(qū)域內(nèi)精化似大地水準(zhǔn)面計(jì)算軟件求出待求點(diǎn)的正常高。但通過(guò)以上精度分析，我們?cè)趯?duì)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面的成果應(yīng)用中，還是應(yīng)保持一種嚴(yán)謹(jǐn)與慎重。以下是精化似大地水準(zhǔn)面常用的兩個(gè)應(yīng)用方向。

首先，表2所列為最新的5全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程6中的GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）高程測(cè)量主要的技術(shù)要求。

2.2.1 結(jié)合GPS技術(shù)替代常規(guī)幾何水準(zhǔn)測(cè)量

應(yīng)用中，我們首先應(yīng)該提出兩個(gè)問(wèn)題：（1）我們要確定水準(zhǔn)測(cè)量的等級(jí)；（2）精度達(dá)不到的情況應(yīng)采用什么措施。由表2可見(jiàn)省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面1985國(guó)家高程基準(zhǔn)下檢測(cè)外符合精度為±0.033 m，并考慮到高程異常值的出現(xiàn)，嚴(yán)格說(shuō)是滿足不了城市四等高程精度要求的，但對(duì)于圖根及碎部的高程測(cè)量是可以的。

如何既保證在精度上滿足四等高程的要求，同時(shí)也充分利用區(qū)域內(nèi)精化似大地水準(zhǔn)面成果，減少野外工作量。在此，先說(shuō)明一個(gè)基本概念：省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面其成果分辨率為2.5×2.5，也就是說(shuō)，在同一2.5×2.5格網(wǎng)范圍內(nèi)，所采用的高程異常值是一樣的（地形起伏不大的地方，相鄰格網(wǎng)的相差也不會(huì)大），所以，相鄰兩點(diǎn)同采用GPS（或其他方法）獲得的高程之差是準(zhǔn)確的。換句話講，在此格網(wǎng)范圍內(nèi)，相鄰兩點(diǎn)△H是不受高程異常值影響的，在沒(méi)有測(cè)量粗差的前提下，此△H可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量要求。所以，依此概念我們可以采用以下方法。

用少量待測(cè)（四等精度高程）點(diǎn)聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)中（或周邊）Ⅲ等（或以上）水準(zhǔn)點(diǎn)，再利用測(cè)區(qū)內(nèi)所有待測(cè)點(diǎn)的相鄰高差進(jìn)行高程傳遞，聯(lián)測(cè)的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)在兩個(gè)以上，則可以進(jìn)行簡(jiǎn)單平差后得到每個(gè)點(diǎn)的正常高。同時(shí)，可獲得這些待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)區(qū)周邊的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)的高程點(diǎn)位中誤差，確信其滿足四等水準(zhǔn)精度。具體步驟如下：

（1）在測(cè)區(qū)待測(cè)點(diǎn)中聯(lián)測(cè)不少于3個(gè)Ⅲ等水準(zhǔn)點(diǎn)。

（2）利用“區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面”進(jìn)行高程改正得到所有點(diǎn)高程值。

（3）計(jì)算出所有測(cè)段的△H（相鄰待測(cè)點(diǎn)的高差）和平距。

（4）利用測(cè)區(qū)或附近的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)和每個(gè)測(cè)段的△H和平距，根據(jù)5城市測(cè)量規(guī)范6有關(guān)精度要求進(jìn)行整體網(wǎng)的平差計(jì)算，得到各待測(cè)點(diǎn)的高程正常值。

（5）在整個(gè)高程網(wǎng)中隨機(jī)抽取2～3段進(jìn)行IV幾何水準(zhǔn)測(cè)量或同等精度的測(cè)距三角高程測(cè)量，得到各測(cè)段的△h，并與相應(yīng)的△H進(jìn)行比較檢測(cè)，有關(guān)要求按《GB 12898-91國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行。

（6）有關(guān)精度要求。

①水準(zhǔn)網(wǎng)中最弱點(diǎn)的高程中誤差（相對(duì)于起算點(diǎn)）不得大于±20 mm；

②其他有關(guān)要求按《GB12898-91國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行。

實(shí)際測(cè)區(qū)應(yīng)用：

Y測(cè)區(qū)E級(jí)和一級(jí)GPS高程網(wǎng)所求點(diǎn)共56個(gè)，網(wǎng)中聯(lián)測(cè)了5個(gè)Ⅲ等水準(zhǔn)點(diǎn)。本高程網(wǎng)有12個(gè)結(jié)點(diǎn)，分為4段符合路線和5個(gè)閉合環(huán)。

通過(guò)以上作業(yè)方法，整體網(wǎng)的平差計(jì)算，得到各E級(jí)和一級(jí)GPS點(diǎn)的高程正常值。精度見(jiàn)表3。

高程網(wǎng)中最大點(diǎn)位誤差0.01334 m，最大點(diǎn)間誤差0.00874 m，限差0.020 m。本網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合四等高程網(wǎng)的有關(guān)要求。

在整個(gè)高程網(wǎng)中隨機(jī)抽取28段進(jìn)行四等水準(zhǔn)測(cè)量，抽取10段進(jìn)行三角高程測(cè)量，得到各測(cè)段的△h，并與相應(yīng)的似大地水準(zhǔn)面高差△H進(jìn)行比較檢測(cè)，似大地水準(zhǔn)面高差△H與常規(guī)高程控制測(cè)量高差△h比較情況見(jiàn)表4。

從表中可以看出，各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合四等高程網(wǎng)的精度要求。另外，我們還對(duì)等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)及已聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)點(diǎn)的高程與“區(qū)域內(nèi)精化似大地水準(zhǔn)面”計(jì)算的高程進(jìn)行了比較，詳見(jiàn)表5。

根據(jù)聯(lián)測(cè)的起算測(cè)段數(shù)和檢測(cè)測(cè)段數(shù)，如果占總測(cè)段數(shù)的30%，比常規(guī)四等水準(zhǔn)測(cè)量節(jié)省工日60%以上。以上方法，本人單位已在多個(gè)測(cè)區(qū)采用，使用該省的精化似大地水準(zhǔn)面成果，大大減少了野外水準(zhǔn)測(cè)量的工作量，也量化地滿足了《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》和《GB12898-91國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》中的相關(guān)精度要求。

2.2.2 結(jié)合GPS技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量

區(qū)域內(nèi)精化似大地水準(zhǔn)面成果用于地形測(cè)量，較為實(shí)際的用法是用于二級(jí)控制點(diǎn)與圖根控制點(diǎn)的高程測(cè)量，沒(méi)有特殊情況下，不贊成做地形碎部點(diǎn)的高程測(cè)量使用，有“殺雞用宰牛刀”之嫌。

通常二級(jí)控制點(diǎn)和圖根控制點(diǎn)的高程測(cè)量，要求等外水準(zhǔn)精度，可直接通過(guò)GPS RTK獲得，也可結(jié)合再利用精化似大地水準(zhǔn)面成果計(jì)算獲得，使高程成果更可靠，精度更高，也不需采用以上介紹的高差法。

實(shí)際測(cè)區(qū)應(yīng)用：

Z測(cè)區(qū)為小范圍大比例尺（1∶500）山區(qū)地形圖測(cè)繪，隨機(jī)抽出二級(jí)點(diǎn)與圖根點(diǎn)共8個(gè)點(diǎn)，聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)高程，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

在抽檢的8個(gè)點(diǎn)中，差值最大的為-0.081，最小的為0.002，從表2中可知基本完全滿足≤±7.5 cm的高程中誤差要求，最大差值≤±15 cm的限差。

2.2.3 結(jié)合GPS技術(shù)在航測(cè)控制中的應(yīng)用

航測(cè)控制點(diǎn)高程精度應(yīng)不超過(guò)1/10等高距，對(duì)于平原地區(qū)應(yīng)優(yōu)于0.1 m，丘陵地區(qū)應(yīng)優(yōu)于0.25 m，山區(qū)應(yīng)優(yōu)于0.5 m。利用省級(jí)區(qū)域內(nèi)精化似大地水準(zhǔn)面成果求取航測(cè)控制點(diǎn)高程同樣可行。

航測(cè)1：5000與1：10000成圖，是省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪的主要內(nèi)容，采用GPS技術(shù)結(jié)合省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面成果，施測(cè)像控點(diǎn)，將從根本上改變和淘汰了以往常規(guī)的經(jīng)緯儀交會(huì)法、三角高程測(cè)量法、平地高程加密等外業(yè)方法，大大減輕了作業(yè)員工勞動(dòng)強(qiáng)度—— 爬山頭測(cè)繪像控點(diǎn)和平地加密高程點(diǎn)，明顯提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

實(shí)際測(cè)區(qū)應(yīng)用：

（1）A測(cè)區(qū)：共聯(lián)測(cè)了106個(gè)四等以上精度的水準(zhǔn)點(diǎn)，與水準(zhǔn)測(cè)量成果比較其差值區(qū)間介

于-0.184～0.113 m之間，中誤差為0.085 m，差值分布見(jiàn)表7。

（2）B測(cè)區(qū)：共聯(lián)測(cè)了21個(gè)四等以上精度的水準(zhǔn)點(diǎn)，與水準(zhǔn)測(cè)量成果比較其差值區(qū)間介于-0.135～0.096 m之間，中誤差為0.055 m，差值分布見(jiàn)表8。

（3）C測(cè)區(qū)：共聯(lián)測(cè)了61個(gè)四等以上精度的水準(zhǔn)點(diǎn)，與水準(zhǔn)測(cè)量成果比較其差值區(qū)間介于-0.281～0.316 m之間，中誤差為0.124 m。

從上述3個(gè)測(cè)區(qū)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面計(jì)算結(jié)果和水準(zhǔn)成果比較分析可知，該區(qū)域內(nèi)似大地水準(zhǔn)面計(jì)算結(jié)果精度較高，分布較為均勻，完全能滿足1∶10000航測(cè)控制的要求。

從以上可知，省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面成果應(yīng)用主要針對(duì)了測(cè)繪工程中的高程測(cè)量，在高程測(cè)量中所要求的精度如果高于其外符合精度±0.033 m，就應(yīng)該慎重使用。舉個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比事例：在土地勘測(cè)定界測(cè)量中，對(duì)高程測(cè)量精度要求很低，完全可以用省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面成果獲得高程值（實(shí)際上也不用，除非測(cè)量?jī)x器無(wú)法獲得高程）；相反，精密工程測(cè)量中的變形觀測(cè)就肯定不能用此方法了。

3 結(jié)語(yǔ)

據(jù)了解，全球定位技術(shù)結(jié)合1 cm精度似大地水準(zhǔn)面成果，可以滿足長(zhǎng)距離二等水準(zhǔn)測(cè)量要求。省一級(jí)的似大地水準(zhǔn)面精度完全滿足中小比例尺地形測(cè)圖的要求，還有些利用3S加上似大地水準(zhǔn)面模型直接獲得正常高，以替代水準(zhǔn)測(cè)量，完成城市1∶500或1∶1000比例尺的測(cè)圖任務(wù)；市一級(jí)的似大地水準(zhǔn)面精度很高，完全（或基本）可以利用GPS加上似大地水準(zhǔn)面模型直接獲得正常高，以代替四等或等外水準(zhǔn)測(cè)量，完成城市1∶500或1∶1000比例尺的測(cè)圖任務(wù)。因此，深圳等一些城市已研制成功GPS測(cè)圖一體化系統(tǒng)，其精度完全滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

大大加快了成圖速度，同時(shí)，降低了測(cè)圖的成本。就省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)面成果目前的應(yīng)用情況與前景，應(yīng)盡量在以下方面重點(diǎn)應(yīng)用：

（1）利用必需的精度保障措施，充分替代四等或等外水準(zhǔn)測(cè)量。

（2）在基礎(chǔ)測(cè)繪中為省級(jí)更新航測(cè)1∶ 5000與1∶10000成圖，采用GPS技術(shù)結(jié)合省級(jí)似大地水準(zhǔn)面成果，完成外業(yè)平高控制測(cè)量，提高外業(yè)效率，加快更新速度。

（3）省級(jí)區(qū)域精化似大地水準(zhǔn)模型建立，如將GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）和CORS（連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)）應(yīng)用緊密地聯(lián)在一起，可發(fā)揮更大的作用。

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