杭州市现代高程基准基础设施建设分析与实践

吕松华

(杭州市勘测设计研究院，浙江杭州 310012)

1 概述

测绘基准是进行各种测量工作的起算依据。作为各类测绘活动的基础和支撑，测绘基准是国民经济、社会发展和国防建设的重要基础设施。它主要包括大地基准、高程基准、深度基准和重力基准。

其中，高程基准是建立高程系统和测量空间点高程的基本依据。1987年后我国采用青岛大港验潮站1952年～1979年的资料，确立了黄海85高程基准。沿用至今，即为1985国家高程基准。我国在1977年～1988年进行了第二期一等和二等水准网测量。20世纪90年代又完成了上述二期一等水准网的复测。

随着测绘技术的进步，现行测绘基准体系的整体水平明显滞后于现代测绘技术的发展步伐;测绘基础设施长期以来遭受严重损毁，现有测绘基准体系的成果精度和数据现势性，不能满足社会发展对现代化地理空间信息控制基准服务的迫切需求，基准体系服务能力不断下降。

在现今GNSS定位时代，精化区域性大地水准面和建立区域性高程控制网同等重要，也是一个地区建立现代高程基准的主要任务。在高程提供形式上，不仅可以通过高程控制网来提供高精度的正常高，还能利用局域似大地水准面结合GNSS定位技术提供正常高。

为适应新时代测绘技术的发展，满足区域城市化进程和城乡统筹发展对现代高程基准的需求，现代高程基准基础设施建设在全国各城市纷纷开始启动和实施。

2 杭州市高程基准基础设施的现状与问题

杭州是浙江省省会城市，位于浙江省西北部，范围为北纬 29°11'～30°34'和东经 118°20'～120°37'之间。杭州市辖 8个区、5个县(市)，全市土地总面积16596 km2。

2.1 高等级水准控制网

目前本地区除原杭州市于2006年布设的二等水准网(控制面积约3068 km2)外，其余5县市均未建立全面、统一的二等水准网，仅有10条国家高精度一、二等水准路线和6条浙江省三等水准路线经过，施测时间从1997年～2006年。

图1 杭州市2009年高等级水准控制网现状图

从图1可以看出，截止2009年，在市域1.6万km2范围内，仅市域东部杭州市区保存有较完整的二等水准控制网，但也存在点位沉降和标石破坏等问题，需要复测和补埋提高成果现势性。而在市域中西部约1.3万km2范围内仅沿主要公路分布有若干条一、二、三等水准路线，密度稀少。同时国家高程控制网使用至今已有20余年历史，由于地形形变和标志损毁等原因，现势性较差，已无法满足高程起算的密度和精度要求。综上所述，杭州市域现有高等级水准控制成果现势性较差、覆盖区域较小、分布不均匀、标志破坏严重，已无法满足社会发展对测绘高程基准的要求。

2.2 似大地水准面模型

目前杭州市域全境覆盖有2004年实施的浙闽赣区域似大地水准面精化项目获取的2.5'×2.5'分辨率厘米级精度似大地水准面，可满足1∶1000等航空摄影大比例尺测图。同年杭州市实施了覆盖市区约5000 km2的厘米级似大地水准面模型，可满足1∶500地形测图高程控制需求。

上述模型计算实施中存在获取的大地高和水准高成果精度较低、GPS观测与水准观测不同步等问题，导致模型精度较低，不能满足更高精度的需求。

同时，随着“杭州市CORS系统”的建立和运行，全市大地基准已统一到CGCS 2000国家基准，同时GNSS技术应用已实现高程提供方式的突破，结合“网络RTK技术”和“大地水准面模型”高效率、高精度的获取地面三维坐标有了更大的需求。但上述模型并非在HZCORS下直接获取，使用中存在系统不一致等问题。

从高程控制网和似大地水准面模型的现状和问题出发，杭州市高程基准基础设施要从内容和技术两方面实现自身的现代化，以适应这种需求作好测绘保障。

3 杭州市高程基准基础设施现代化的任务

杭州市高程基准基础设施现代化的任务主要包括两个方面，一是市域高程控制网的更新和完善;二是似大地水准面模型的建立，基于CGCS2000大地基准，在HZCORS系统控制下获取市域厘米级精度似大地水准面模型。

(1)更新市域高程控制网。首先在国家二期一等水准网复测成果基础上，经联测和数据分析，在可靠一等水准成果的基础上，建立覆盖全市域、统一的二等水准首级控制网;再次，根据需要在部分区域加密四等水准控制网，形成“二等+四等”的全覆盖、重点突出的高程控制体系。二等水准路线总长度将达到3500 km左右。

(2)获取市域厘米级精度似大地水准面模型。对高程的需求今后主要由大地水准面结合GNSS技术来提供，这是高程控制网现代化的必由之路。为满足大比例尺测图和工程建设方面的需要，结合HZCORS，必须在市域推算基于CGCS2000大地基准、以HZCORS为起算控制的市域高精度似大地水准面模型。从技术层面上就是由目前的5 cm精度提高到1 cm左右。

4 杭州市现代高程基准基础设施建设实践

4.1 项目设计

利用GPS定位技术、水准测量技术和重力场的理论与方法，按照统一规划、整体设计的原则，以杭州市CORS系统为基准，均匀布设杭州市由GPS/水准点组成的大地水准面精化网和一、二等水准高程网，通过GPS网与一、二等水准高程网，建立和维持集平面控制与高程控制于一体的杭州市三维空间基准网，并结合GPS、水准、DEM数据、重力数据和地球重力场模型，确定杭州市高精度、高分辨率区域似大地水准面模型。

本项目是通过GPS控制网(包括 GPS框架网、GPS C级网)、一、二等水准高程控制网和似大地水准面精化三部分来具体实施。设计时，综合考虑GPS测量成果与水准测量成果的时效性(或现势性)，保证同步性;重视市域水准控制的起算基准，原则上保证与2006年市区二等水准成果保持一致。

(1)GPS控制网设计

杭州市GPS控制网分两级布设，分别为GPS框架网和C级网。

GPS框架网由杭州及周边地区连续运行参考站点17点和杭州及周边地区A级点9点共26点组成，主要用于建立和维持杭州地区区域大地基准。杭州GPS网数据处理收集了杭州市周边的上海(SHAO)、武汉(WUHN)、泰安(TAIN)、厦门(XIAM)、TWTF(桃园)5个国家GPS连续运行站的数据。

杭州市GPS C级网根据大地水准面精化的精度和密度需求，在杭州市均匀布设，由杭州市原有C级网点50点和新埋C级网点126点，共176点组成。所有GPS C级点均采用一等或二等水准连测高程。

图2 GPS C级点分布图

框架网、C级网观测均采用基于连续运行参考站GPS静态相对定位模式作业。GPS框架点按B级网观测精度进行，观测3个时段，每时段观测时间不少于23.5 h。GPS C级点按C级网观测精度进行，每个点观测1个时段，时段长度12 h。

(2)水准网设计

杭州市一、二等水准高程控制网布设，按照整体布网、分级控制、全面覆盖的设计原则，充分利用已有国家一、二等水准路线，增设部分一等水准附合路线，在空白地区增设部分一、二等水准附合路线和支线，最终建立以一等水准闭合环为骨架，以二等水准网为经络，覆盖杭州市辖区统一的高程基准体系，满足高程控制和似大地水准面精化需要。

①为了提高控制点的控制效率，非城建区或山区等困难区域可适当延长相邻水准点的间距，但最大间距以不超过12 km为宜;城建区相邻点位间距可适当缩短至4 km左右;

②为了满足似大地水准面精化的需要，设计的GPS/水准点应满足GPS观测要求，观测标志为普通水准标志。便于GPS观测精确对中，标志中心钻取直径不大于1.5 mm对中点;

③每个乡、镇城建区保证拥有两个以上水准点。

④五县(市)中根据地质条件布设一定密度的基岩水准点。

图3 一、二等水准路线图

4.2 获取的项目成果

(1)通过GPS数据处理获得了杭州市17个CORS站点、9个框架点及174个GPS C级点的2000国家大地坐标系成果。

(2)水准网数据处理获得了811 km的1985国家高程基准的一等水准测量成果及2741 km的二等水准测量成果。一等水准成果:单位权中误差(每千米):m0=±0.49 mm;二等水准成果:单位权中误差(每千米):m0=±0.64 mm。

(3)充分利用杭州市及周边地区的重力点成果、数字高程模型、采用EGM2008全球重力场模型、及分布较均匀的现势性较好的GPS水准成果，采用重力法(Molodensky原理)及移去～恢复(remove～restore)技术，综合利用多种现代拟合方法完成了分辨率为2.5'×2.5'的高精度杭州市似大地水准面模型的计算，模型总体精度为±1.0 cm。

4.3 技术特点

(1)充分收集利用杭州市及周边的国家GPS连续运行参考站数据，采用高精度的数据处理软件、严密的数据处理技术方法，获得了杭州市CORS、GPS框架网及GPS C级网精确的2000国家大地坐标系成果，首次确定了杭州市统一的三维地心坐标框架基准。

(2)杭州市水准网采用一、二等水准布设方案，对杭州市区域内我国一、二等水准路线进行了全线复测，在数据处理中加入了海潮负荷改正，所有成果与前期水准成果进行了分析比较，获得了现势性强、精度高的杭州市现代高程基准数据。

(3)考虑到市域地面沉降因素，重视一、二等水准控制的起算基准。经点位沉降分析，选择可靠的适合城市长期使用的国家一等基岩点作为本项目高程网起算点，在与国家高程基准紧密联系的基础上保证杭州市域高程基准的相对稳定性。

(4)采用国际上先进的全球地球重力场模型——EGM2008模型(2160阶次)，陆海统一的严密重力归算理论与技术以及精密确定地形质量对大地水准面的直接与间接影响，完成杭州市区域重力大地水准面的计算。

5 结语

为适应新时代测绘技术的发展，满足区域城市化进程和城乡统筹发展对现代高程基准的需求，区域性现代高程基准基础设施建设应该得到更高的重视。

本文结合杭州市建设实践，总结了现代高程基准基础设施建设的内容和手段。建设中，建议重点关注高程控制网的点位可靠、起算稳定和分布密度;关注似大地水准面模型的大地基准和精度，注重在CGCS2000基准下与CORS系统的有机结合。

［1］张全德，郭春喜，王斌.浙闽赣区域似大地水准面精化［J］.测绘科学，2007(1).

［2］陈俊勇，张鹏.国家测绘基准“十二五”重大项目的思考［J］.武汉大学学报·信息科学版，2009(10).

［3］宁津生，刘经南，陈俊勇等.现代大地测量理论与技术［M］.武汉:武汉大学出版社，

［4］GB/T 12897－2006.国家一、二等水准测量规范［S］.

［5］GB/T 18314－2009.全球定位系统(GPS)测量规范［S］.

［6］GB/T 23709－2009.区域似大地水准面精化基本技术规定［S］.