張慶蘭，張 鵬，陳現(xiàn)軍，蘭啟貴，李 兵

(1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第三大地測(cè)量隊(duì)，四川 成都 100142；3. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第二大地測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引 言

2012年以前，我國(guó)現(xiàn)行高程基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)、維持和傳遞主要依托于1982～1988年建設(shè)的國(guó)家第二期一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)和20世紀(jì)90年代部分二期復(fù)測(cè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)所構(gòu)成的國(guó)家高程控制網(wǎng)。該控制網(wǎng)為我國(guó)提供了全國(guó)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)、可靠的高程基準(zhǔn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了巨大作用。由于該控制網(wǎng)建成距今已有20余年，成果的現(xiàn)勢(shì)性變化差及地形變化對(duì)成果準(zhǔn)確度的影響已不容忽視[1]。按照《中華人民共和國(guó)大地測(cè)量法式》規(guī)定，國(guó)家一等水準(zhǔn)網(wǎng)必須25年復(fù)測(cè)一次，同時(shí)考慮到高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴(yán)重（2004年統(tǒng)計(jì)水準(zhǔn)點(diǎn)完好率49%）、獨(dú)立水準(zhǔn)原點(diǎn)爭(zhēng)議較大等諸多因素，盡快開展新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)建設(shè)勢(shì)在必行。2012～2016年，國(guó)家測(cè)繪地理信息局利用四年時(shí)間組織完成了新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)建設(shè)，將我國(guó)一等水準(zhǔn)網(wǎng)總長(zhǎng)度由9×104km提升至12.56×104km，全面更新和完善了我國(guó)高程基準(zhǔn)成果。

1 總體設(shè)計(jì)

新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)主要在已有的國(guó)家一、二等水準(zhǔn)路線的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)，通過(guò)重新組合、改線、新建等方式，形成覆蓋全國(guó)、密度適宜的國(guó)家高程基準(zhǔn)框架。該網(wǎng)總體設(shè)計(jì)遵循了以下原則：

1）新設(shè)計(jì)一等水準(zhǔn)網(wǎng)盡量利用已有一、二等水準(zhǔn)路線，高速公路原則上不布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，西部地區(qū)主要依據(jù)地形條件與交通狀況布設(shè)；水準(zhǔn)閉合環(huán)線長(zhǎng)度相對(duì)均勻，東部地區(qū)應(yīng)在1 200～1600 km，西部地區(qū)一般應(yīng)在1800km以內(nèi)，保證每個(gè)水準(zhǔn)環(huán)盡量做到當(dāng)年觀測(cè)，當(dāng)年閉合，最遲兩年內(nèi)觀測(cè)閉合。

2）凡是布設(shè)在國(guó)家一等水準(zhǔn)路線上的GNSS B級(jí)點(diǎn)要全部納入水準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)；全部水準(zhǔn)路線結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)埋設(shè)GNSS、水準(zhǔn)共用測(cè)量標(biāo)志，并將路線中或距路線直線距離5 km范圍內(nèi)的GNSS A、B級(jí)點(diǎn)納入水準(zhǔn)路線觀測(cè)，以期綜合利用水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS測(cè)量和重力測(cè)量成果實(shí)現(xiàn)對(duì)高程基準(zhǔn)的大尺度沉降監(jiān)測(cè)。

3）在東北、華北、華中以及新疆等局部基巖點(diǎn)分布薄弱地區(qū)新建5座深層基巖點(diǎn)，加強(qiáng)國(guó)家高程控制基準(zhǔn)區(qū)域的穩(wěn)定性。

4）全面采用數(shù)字水準(zhǔn)儀和電子記簿程序，盡可能減少人為因素帶來(lái)的誤差影響；聯(lián)測(cè)沿海44座驗(yàn)潮站。

新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)設(shè)計(jì)了388條一等水準(zhǔn)路線和44條驗(yàn)潮站支線，設(shè)計(jì)路線總長(zhǎng)度12.2×104km，其中包含：149個(gè)閉合環(huán)、27 400座水準(zhǔn)點(diǎn)（含240個(gè)結(jié)點(diǎn)）。

新設(shè)計(jì)一等水準(zhǔn)網(wǎng)主要對(duì)我國(guó)北疆、內(nèi)蒙古中西部、黑龍江以及云貴高原區(qū)域部分二等水準(zhǔn)線進(jìn)行了升級(jí)為一等水準(zhǔn)線，有效縮短了全網(wǎng)平均水準(zhǔn)環(huán)長(zhǎng)度。本期一等水準(zhǔn)網(wǎng)較二期復(fù)測(cè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)總長(zhǎng)度提升近40%，水準(zhǔn)閉合環(huán)個(gè)數(shù)增加73%，水準(zhǔn)環(huán)平均長(zhǎng)度縮短約20%，確保所有水準(zhǔn)環(huán)按規(guī)范要求在兩年內(nèi)完成外業(yè)觀測(cè)拼環(huán)，新設(shè)計(jì)一等水準(zhǔn)網(wǎng)與原有一等水準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)比如圖1所示。

圖1 新設(shè)計(jì)與原有一等水準(zhǔn)路線對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the new design with the original fi rst_order leveling routes

2 工程實(shí)施

2.1 普查與補(bǔ)埋

通過(guò)對(duì)全網(wǎng)394條一等水準(zhǔn)路線和41條驗(yàn)潮站支線的水準(zhǔn)點(diǎn)普查，水準(zhǔn)標(biāo)石平均破壞率達(dá)38.6%，且東部發(fā)達(dá)地區(qū)較西部不發(fā)達(dá)地區(qū)破壞情況嚴(yán)重，由此可見加強(qiáng)測(cè)量標(biāo)志宣傳，健全測(cè)量標(biāo)志保護(hù)機(jī)制，加大測(cè)量標(biāo)志保護(hù)力度尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)非常必要。

基于對(duì)全網(wǎng)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)路線上的水準(zhǔn)點(diǎn)普查結(jié)果，綜合考慮點(diǎn)位埋設(shè)位置的凍土深度、土層覆蓋情況等因素，埋設(shè)了以下11種類型水準(zhǔn)標(biāo)石，見表1。

表1 水準(zhǔn)點(diǎn)及標(biāo)石類型Tab.1 Types of leveling points and benchmarks

全網(wǎng)累計(jì)新補(bǔ)埋7 227座水準(zhǔn)標(biāo)石、修復(fù)4 700余座水準(zhǔn)標(biāo)石。新補(bǔ)埋水準(zhǔn)標(biāo)石均埋設(shè)于地基穩(wěn)定、利于標(biāo)石長(zhǎng)期保存和高程聯(lián)測(cè)、便于衛(wèi)星定位技術(shù)測(cè)定坐標(biāo)的地點(diǎn)。凍土地區(qū)埋設(shè)深度不小于凍土線以下0.5m，其中凍土深度大于0.8 m或永凍地區(qū)選擇埋設(shè)了鋼管水準(zhǔn)標(biāo)石。個(gè)別特殊困難地區(qū)允許埋設(shè)了墻角水準(zhǔn)標(biāo)石。水準(zhǔn)標(biāo)石主要修復(fù)內(nèi)容包括指示盤、保護(hù)井、標(biāo)志蓋、指示樁等。所有水準(zhǔn)點(diǎn)均采用手持GPS接收機(jī)測(cè)定了米級(jí)精度坐標(biāo)，并重新繪制點(diǎn)之記和辦理了委托保管書。

新一期國(guó)家高程控制最終實(shí)際完成394條一等水準(zhǔn)路線、41條驗(yàn)潮站支線的普查與標(biāo)石選埋工作，水準(zhǔn)標(biāo)石總數(shù)達(dá)26 327座水準(zhǔn)標(biāo)石（含246座結(jié)點(diǎn)），組成了148個(gè)水準(zhǔn)環(huán)，平均環(huán)長(zhǎng)1 475km（實(shí)際埋設(shè)網(wǎng)如圖2所示）。

圖2 國(guó)家高程控制網(wǎng)實(shí)際布網(wǎng)圖Fig.2 The map of national fi rst-order leveling network

2.2 深層基巖點(diǎn)建造

深層基巖點(diǎn)是指直接澆注在土層覆蓋厚度大于3 m新鮮穩(wěn)定基巖上的水準(zhǔn)點(diǎn)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性是土層水準(zhǔn)點(diǎn)所無(wú)法比擬的，對(duì)確保國(guó)家高程基準(zhǔn)的區(qū)域穩(wěn)定性和成果可靠性至關(guān)重要。新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)在二期復(fù)測(cè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)已建深層基巖點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)新設(shè)計(jì)和地質(zhì)勘探后，分別于新疆阿克蘇、西藏日喀則、貴州威寧、黑龍江三道通和四川蘆溪5處新建深層基巖點(diǎn)，解決了我國(guó)東北、西南、西藏和新疆等局部地區(qū)深層基巖點(diǎn)分布相對(duì)薄弱的問(wèn)題，有效提升了該區(qū)域高程基準(zhǔn)維護(hù)能力。點(diǎn)位具體建設(shè)情況見表2。

表2 深層基巖點(diǎn)建設(shè)情況Tab.2 Construction of deep bedrock points

2.3 屬性測(cè)定

國(guó)家高程控制網(wǎng)屬性測(cè)定主要指水準(zhǔn)點(diǎn)高程屬性測(cè)定和加密重力屬性測(cè)定。高程屬性測(cè)定是采用水準(zhǔn)觀測(cè)方式，按照一等水準(zhǔn)測(cè)量精度獲取路線中每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)高程值（正常高）。水準(zhǔn)點(diǎn)加密重力屬性測(cè)定則是采用相對(duì)重力觀測(cè)儀器測(cè)定路線中每個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)重力差異，并通過(guò)內(nèi)業(yè)計(jì)算獲取到該點(diǎn)上的重力值。加密重力屬性測(cè)定的主要目的是為國(guó)家一等水準(zhǔn)觀測(cè)重力異常改正計(jì)算提供實(shí)測(cè)重力值，以獲取更加準(zhǔn)確的高差改正。

1）總體原則

國(guó)家高程控制網(wǎng)高程屬性測(cè)定路線總長(zhǎng)度約12.56×104km，共計(jì)431條水準(zhǔn)路線、148個(gè)水準(zhǔn)環(huán)，完成30處跨河水準(zhǔn)測(cè)量，聯(lián)測(cè)了37座驗(yàn)潮站和21 00余座國(guó)家GNSS大地控制點(diǎn)，是一項(xiàng)浩大的測(cè)繪工程。在嚴(yán)格遵循《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T12897-2006)要求的基礎(chǔ)上，按照“第一年選埋、第二年觀測(cè)”的總體原則安排了年度建設(shè)任務(wù)，確保了標(biāo)石按規(guī)范要求在歷經(jīng)一個(gè)完整雨季和凍、解期沉降穩(wěn)定后開始觀測(cè)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集全部使用了數(shù)字水準(zhǔn)儀，標(biāo)稱精度不低于±0.3 mm，同時(shí)使用統(tǒng)一定制的外掛式數(shù)據(jù)采集終端和水準(zhǔn)測(cè)量電子記簿軟件。

2）外業(yè)實(shí)施

高程屬性測(cè)定任務(wù)安排上綜合考慮了年度作業(yè)力量，作業(yè)周期、測(cè)區(qū)環(huán)境等因素將12.56×104km一等屬性測(cè)定任務(wù)，分配在近4年內(nèi)完成。第一年觀測(cè)80條水準(zhǔn)路線，占全網(wǎng)的18.7%，測(cè)區(qū)主要位于華北、華中區(qū)域；第二年觀測(cè)176條水準(zhǔn)路線，占全網(wǎng)的40.8%，測(cè)區(qū)主要位于華南、東南、西南及內(nèi)蒙古中部；第三年觀測(cè)105條水準(zhǔn)路線，占全網(wǎng)的24.3%，測(cè)區(qū)主要位于西藏、新疆、青海等西部區(qū)域；第四年觀測(cè)70條水準(zhǔn)路線，占全網(wǎng)的16.2%，測(cè)區(qū)主要位于東北三省和內(nèi)蒙古北部。

針對(duì)總長(zhǎng)度達(dá)5 460 km，橫跨西藏、新疆、青海的超大水準(zhǔn)環(huán)如何實(shí)現(xiàn)成功閉合觀測(cè)難題進(jìn)行了詳細(xì)研究分析，采取制定詳細(xì)大環(huán)觀測(cè)方案、精良人員設(shè)備保障、會(huì)戰(zhàn)式作業(yè)、起伏地區(qū)加測(cè)重力，合理選擇觀測(cè)期等應(yīng)對(duì)措施，最終實(shí)現(xiàn)該超大水準(zhǔn)環(huán)歷史性首次成功閉合。

本期高程控制網(wǎng)全部431條水準(zhǔn)路線每千米偶然中誤差（加過(guò)標(biāo)尺長(zhǎng)度誤差改正）均滿足限差要求，優(yōu)良率達(dá)80.7%，具體分布如圖3所示。全網(wǎng)每千米偶然中誤差為±0.38mm ，滿足規(guī)范不低于±0.45mm的限差要求。

圖3 路線每千米偶然中誤差分布Fig.3 Distribution of route accidental error per kilomete

所有的148個(gè)水準(zhǔn)環(huán)均在兩年內(nèi)完成了閉合觀測(cè)，用經(jīng)過(guò)標(biāo)尺長(zhǎng)度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正的高程計(jì)算的環(huán)閉合差均符合限差要求，優(yōu)良率達(dá)88.5%，環(huán)閉合差具體分布如圖4所示。利用148個(gè)水準(zhǔn)環(huán)閉合差計(jì)算得到的全網(wǎng)每千米水準(zhǔn)測(cè)量全中誤差為±0.92 mm，滿足全中誤差優(yōu)于±1mm的規(guī)范要求。

圖4 水準(zhǔn)環(huán)閉合差分布Fig.4 Distribution of closure error of leveling ring

按照國(guó)家規(guī)范要求，本期國(guó)家高程控制屬性測(cè)定過(guò)程中對(duì)全部一等水準(zhǔn)點(diǎn)和高差大于250 m的測(cè)段中均進(jìn)行了加密重力屬性測(cè)定，累計(jì)完成114個(gè)二等重力點(diǎn)布測(cè)和27 220點(diǎn)次加密重力觀測(cè)。所有點(diǎn)位加密重力觀測(cè)相對(duì)于起算點(diǎn)成果均優(yōu)于±0.60×10-5ms-2，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

本期加密重力屬性測(cè)定年度任務(wù)安排及測(cè)區(qū)分布基本與高程屬性測(cè)定年度任務(wù)安排一致，保證了重力異常改正均采取了實(shí)測(cè)重力進(jìn)行計(jì)算，極大地提高了水準(zhǔn)高差上重力異常改正的準(zhǔn)確性和可靠性。利用經(jīng)過(guò)重力異常改正后的測(cè)段高差及時(shí)計(jì)算水準(zhǔn)環(huán)閉合差，有效避免了不必要的外業(yè)返工和重測(cè)。

3 整體平差

水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理主要包括資料整理、數(shù)據(jù)預(yù)處理和整體平差等步驟。資料整理主要是核對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進(jìn)行各項(xiàng)高差改正數(shù)計(jì)算。整體平差是采用了結(jié)點(diǎn)平差方式，具體將經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正的每條路線的觀測(cè)高差進(jìn)行累和作為觀測(cè)量，將路線結(jié)點(diǎn)作為參數(shù)列立誤差方程，計(jì)算各結(jié)點(diǎn)高程值，平差后再將每條路線的測(cè)段觀測(cè)量按附合路線處理，計(jì)算路線中各待定水準(zhǔn)點(diǎn)高程值。

參與整網(wǎng)平差計(jì)算的一等水準(zhǔn)路線394條，共有結(jié)點(diǎn)247個(gè)，其中1個(gè)起算點(diǎn)，246個(gè)待定結(jié)點(diǎn)，按間接平差法計(jì)算的每個(gè)待定結(jié)點(diǎn)的中誤差基本按照正態(tài)分布，具體統(tǒng)計(jì)分布如圖5所示。全網(wǎng)最弱結(jié)點(diǎn)是4 050(噶爾縣)下±70.34mm，距起算點(diǎn)（青島原點(diǎn)）的距離為5 917km。

圖5 結(jié)點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.5 Error statistical distribution map of junction points

對(duì)394條水準(zhǔn)路線進(jìn)行了整網(wǎng)平差與精度估計(jì)，37條聯(lián)測(cè)驗(yàn)潮站路線在整網(wǎng)平差的基礎(chǔ)上計(jì)算其水準(zhǔn)點(diǎn)高程與精度。全部水準(zhǔn)點(diǎn)平差結(jié)果中誤差統(tǒng)計(jì)分布如圖6所示。最弱點(diǎn)（Ⅰ獅薩59(09)）中誤差為±75.35mm，距起算點(diǎn)（青島水準(zhǔn)原點(diǎn)）的距離為6 185km。

圖6 水準(zhǔn)點(diǎn)平差結(jié)果中誤差統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.6 Statistical distribution map of mean error of leveling point adjustment results

4 結(jié)束語(yǔ)

新一期國(guó)家高程控制網(wǎng)建設(shè)了目前世界上長(zhǎng)度最長(zhǎng)、觀測(cè)精度最高、施測(cè)時(shí)間最短的國(guó)家級(jí)高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，且在我國(guó)歷史上首次實(shí)現(xiàn)了5 460km超大一等水準(zhǔn)環(huán)成功觀測(cè)閉合。建設(shè)主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

1）建立了全國(guó)統(tǒng)一、高精度、分布更加合理、密度相對(duì)均勻的國(guó)家高程控制網(wǎng)，全面升級(jí)和完善了我國(guó)高程基準(zhǔn)，更新了我國(guó)高程基準(zhǔn)成果，解決了目前高程基準(zhǔn)成果現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性不足等問(wèn)題。

2）首次實(shí)現(xiàn)了總長(zhǎng)度達(dá)5 460 km超大水準(zhǔn)環(huán)成功閉合。超大水準(zhǔn)環(huán)橫跨西藏、新疆、青海三省，是目前我國(guó)長(zhǎng)度最長(zhǎng)、世界平均海拔最高、自然條件最惡劣、高差最大和施測(cè)難度最大的水準(zhǔn)環(huán)線，是國(guó)家高程控制網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵部分。超大水準(zhǔn)環(huán)僅用4個(gè)月會(huì)戰(zhàn)首次實(shí)現(xiàn)成功閉合，環(huán)閉合差63.22 mm，優(yōu)于1/2限差，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)觀測(cè)成果達(dá)到歷史最好水平。

3）研發(fā)GPS和加密技術(shù)集成的精密水準(zhǔn)測(cè)量電子記簿軟件。全面采用數(shù)字水準(zhǔn)儀并配套專門研發(fā)的精密水準(zhǔn)測(cè)量電子記簿程序，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格把控，觀測(cè)數(shù)據(jù)杜絕人為修改，觀測(cè)過(guò)程和路徑可回溯等功能，確保了外業(yè)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量可控，數(shù)據(jù)安全，有效保證了高程屬性測(cè)定數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

隨著大地水準(zhǔn)面技術(shù)的發(fā)展與普及應(yīng)用，社會(huì)各方對(duì)國(guó)家高程基準(zhǔn)的成果精度和形式、信息化服務(wù)能力提出了更高的要求，厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面也成為高程基準(zhǔn)建立、維持與服務(wù)的新形式，是高程基準(zhǔn)現(xiàn)代化的下一階段重要目標(biāo)。國(guó)家高程控制網(wǎng)建設(shè)成果不僅已為陜西、黑龍江等多個(gè)省份二等水準(zhǔn)網(wǎng)更新、大地水準(zhǔn)面精化、省現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)等項(xiàng)目提供了可靠的起算基準(zhǔn)和框架結(jié)構(gòu)，還可為我國(guó)似大地水準(zhǔn)面厘米級(jí)精化，建立現(xiàn)代化高程基準(zhǔn)提供重要基礎(chǔ)設(shè)施和水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以期更好地服務(wù)于國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪保障、大地測(cè)量、地球科學(xué)與信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和滿足科學(xué)研究、教育發(fā)展、社會(huì)減災(zāi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的巨大需求。