测站考证相关概念及基本原则探讨

孟令鹏 赵邦栋 王书亮

长期以来，主要包括基面考证和水准点高程考证在内的测站考证一直是水文资料整编时关注的焦点，为理清考证思路，拟从其所涉及的冻结基面、绝对基面及基面改正数等基本概念出发，展开相关讨论，并对测站考证应该遵循的原则及注意事项作出必要的说明。

一、冻结基面

水文测站在记录基本水准点高程、校核水准点高程和水位时都是按照国家规范要求采用冻结基面。

按照定义，基面就是测量地面点位高程的基准，而高程基准定义了陆地上高程测量的起始面。通俗地讲，水文行业所用到的基面就是指计量点位高程和水位的起始面。

冻结基面则是指水文测站将本站第一次观测所使用的基面固定下来作为以后观测长期使用的基面。在制订我国第一部《水文测站规范》前，水利部水文局就专门讨论过水文测站水位观测的高程表达方法与国家水准基面统一标准的应用问题，规定了测站一经设置，使用的任何基面均须冻结，以维持实测水位值前后一致，另在水位表上加注“绝对基面”与“冻结基面”间的差值。

以冻结基面为起始面表示的点位高程即为冻结高程，水尺零高和平时观测的水位数据均属冻结高程范畴。

测站使用的基面一经冻结，不论地面有无下沉还是上升或者标载冻结高程的基本水准点有无变动，也不论经由哪条水准路线或采用哪一个引据水准点接测，其位置是不应该再有变化的。简而言之，冻结基面位置是固定不变的。除合理的误差以外，如有变动，基本上可以认为是违背使用冻结基面初衷而采取的错误技术路线所致，这就枉用了“冻结”二字。

测站由于自身特点，设站时所确定的冻结基面是唯一的、非关联性的，并因站而异。一个测站有且仅有一个冻结基面才属于正常现象，否则应查找原因并分析处理，将后来出现的所谓“冻结基面”归结到起初使用的冻结基面上来。

二、绝对基面

在地形图测绘、防汛抗旱的指挥调度等非单站或非局部点位高程应用方面都必须使用同一基面。为了统一表示区域或流域乃至全国的点位高程，绝对基面便应运而生。

绝对基面指的是以某一海滨地点平均海水面为准并将其高程规定为零的水准基面。绝对基面一般由濒海验潮站根据一定时期的潮位观测资料分析确定，通常通过验潮站附近一水准原点的绝对高程来标定其具体位置。

不同的海滨地点所确定的绝对基面位置是不一样的。因地域差异，我国沿用的主要有大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江等绝对基面。其中废黄河口基面出现历史较早，苏北里下河地区一些水文站在建站时均以此作为冻结基面使用，当地防汛部门在防汛抗旱工作中也一直使用该基面的水位。而黄海基面实际上应该区分为56黄海基面和85基准基面。56黄海基面是国家依据青岛验潮站1950～1956年的潮位观测资料建立的作为第一个国家高程系统的全国统一的绝对基面，一些站每年的逐日平均水位表上标注的基面换算关系中所谓“黄海基面”指的就是这一基面。85基准基面是国家为了提高统一基面的精度，根据青岛验潮站1952～1979年的潮位观测资料建立的全国统一的绝对基面，以替代56黄海基面，其换算关系为：56黄海基面高程＝85黄海基面高程+0.029m。此基面于1987年5月正式公布使用。

水准测量所引用的国家水准点高程均是基于各种绝对基面的数据，即绝对高程。

绝对基面一经确定，其位置应是固定不变的，但这只能针对水准原点所在地而言，而其他地区特别是远离水准原点地区的水准点高程数据均是通过布设各种水准路线形成一个大范围的水准网来进行水准联测、平差而确定的。这样，水准路线的走向、水准网的疏密、测量与数据处理技术甚至相关技术人员的能力等因素均会对某一地点测量结果产生影响，进而影响水准点高程的确定。各种影响因素综合起来的主要表现是随机的，其形成的误差应该视为偶然误差，误差值一般在0附近摆动，且符合正态分布规律。

从测站角度来看，其附近国家水准点的绝对高程或者说由此而确定的绝对基面位置受制于测量与平差技术等因素影响。确定之初，高程数据或基面位置就存在偶然误差，再次测量平差后，仍会因新的误差而产生变动，这就说明绝对基面位置不是唯一的，与外界有关联，且站群之间误差大小具有相似性，这与冻结基面的独立性具有明显区别。随着绝对基面高程系统的维护与更新，即便是位置丝毫没有变动的国家水准点其绝对高程还是会跟着变化的。如果测站一直采用绝对高程表示水位，水位序列就会因引用一次系统更新而产生一次折变，多次更新多次折变。采用冻结高程表示水位就能规避这种情形对水位序列的干扰。

三、基面改正数

从单站水位记录到测站间水位比较就要牵涉到从冻结基面到绝对基面的变换问题。其实，这种基面变换也很简单。如果测站附近有稳定的国家水准点且有准确的高程数据，那么以此国家水准点为引据点，经过至少三等的水准测量可以得到测站基本水准点绝对高程，将基本水准点的绝对高程减去其已有的冻结高程得一差值，这一差值就是测站考证时需要明确的基面改正数，俗称“冻结差”，又称“国冻差”。通过在冻结基面上的水位加上基面改正数后，就可以轻松实现水位从冻结基面到绝对基面的换算。在每年的各站“逐日平均水位表”右上角都标有这样的换算关系：“表内水位（冻结基面以上米数）+*.???m＝××基面以上米数”，此即基面关系式，式中“*.???”为精度与高程一致的基面改正数，“××基面”指的是某一绝对基面。

对于一个测站，一个绝对基面对应一个基面改正数，如果一个测站同时使用几个绝对基面，那就拥有几个基面改正数。绝对基面变更，基面改正数也必须随着变更。

基面改正数虽然是通过测站基本水准点绝对高程和冻结高程计算得来的，但一经确定后，将不再随基本水准点的高程而变化，基面改正数客观上反映的是冻结基面与绝对基面间的距离，不会随哪个水准点的变化而改变。不过，由于绝对基面位置受到高程系统维护、更新的影响，存在偶然误差，所以，在每次国家高程系统复测平差后，通过水准接测，基面改正数也会基于偶然误差跟着发生变动，反过来讲，也正是通过基面改正数的变化来间接体现绝对基面位置的调整或精度提高。

但是，基面改正数在确定时毕竟是采用基本水准点的绝对高程和冻结高程来计算的，其中绝对高程是通过引测国家水准点获得的，当初从国家点到基本点的水准测量精度及国家点本身绝对高程精度都是左右基面改正数的关键因素，如果再出现基本水准点发生变动并伴有国家水准网高程控制系统产生更新等综合情况，那么在考证时针对基面改正数的验证或重算便会出现麻烦，所以围绕基面改正数的复核计算便成为考证工作的重点内容，由于其复杂性，往往也是技术难点之所在。

四、考证应遵循的两个基本原则

一般情况下，为了有效地进行资料分析比较，便于实际综合应用，通常要求所用资料具有统一性。而测站采用冻结基面与绝对基面来计量水位，正是使水位数据从不同角度满足了这方面的要求。

以时间为横坐标、冻结高程为纵坐标的单站水位资料序列要求体现连续性，它强调的是时间概念上的数据趋同。

以站别为横坐标、绝对高程为纵坐标的区域测站水位对比要求体现一致性，强调的是空间概念上的数据趋同。

所以在测站考证时，既要纵向比较单站水位序列是否连续，又要横向比较测站间是否准确采用了相同的绝对基面。充分考虑单站水位资料序列的连续性和正确采用绝对基面以保证绝对高程基准的一致性，便是测站考证应当遵循的两个基本原则，连续性与一致性缺一不可，二者不可偏废。

单站考证时，连续性重点应放在基本水准点的高程变化有无影响到冻结基面的位置稳定；一致性重点应放在考证基本水准点绝对高程或基面改正数是否正确。

五、考证注意事项

如何正确使用冻结基面是测站考证首要面对的问题，在考证时，往往由于冻结基面概念不清或混淆，可能会产生许多不应该出现的不当关联，以致测站考证出现偏差甚至错误，因而有必要围绕冻结基面分清以下几点：

（1）基面冻结不是地面冻结。地面上升或沉降是受到人为和自然综合因素影响而产生的，它不可能带动冻结基面位置上下变动。就一些存在地面沉降现象的测站而言，不论当前已经发生的地面沉降是均匀沉降还是非均匀沉降，它改变的仅仅是地面自身及其附着物包括各种水准点的高程，绝对不应该也不可能影响到冻结基面的位置。所以，在基本水准点同样有下沉迹象且其冻结高程还无从重新确定的情况下，利用属于引用下沉后的国家水准点新高程的水准接测成果配合基本水准点旧的冻结高程来重新计算基面改正数就会影响到冻结基面的位置稳定，这种计算方法等于是重新“冻结”了一次测站原用的冻结基面，改变了冻结基面的位置，明显属于错误，是不可取的。用绝对基面间的理论基面差作为控制，发现有些测站在首次使用85基准基面时计算的基面改正数与其他站分析比较后存在明显异常，可能就是这种原因造成的，应该予以纠正。

（2）冻结基面位置尽管采用基本水准点冻结高程来标定，但冻结基面决不代表基本水准点高程被冻结。基本水准点如发生位置变动或灭失，不会引起冻结基面位置的任何变化，充其量在重新找回冻结基面的准确位置即确定新的基本水准点的冻结高程时会出现一些麻烦。

（3）基面冻结不是基面改正数一成不变。基面改正数是随着绝对基面变化而变化的。绝对基面变化包括两种情况，一种是绝对基面间的变换，从采用一个绝对基面到采用另一个绝对基面来表示基本水准点的标准高程时，基面改正数是要随着变换的；另一种是同一绝对基面的高程系统重新复测平差，高程数据有所更新，水准接测后就要重新计算基面改正数。

值得注意的是，单纯地重新计算基面改正数的前提应是国家水准点和基本水准点的位置均未发生变化，否则直接重新计算出来的基面改正数就包含了基本水准点高程的变化量，其后果就会影响到冻结基面的稳定，同时旧引据水准点高程的变化量也会掩盖水准网精度的提高，使得重新计算基面改正数失去应有的价值。

如何在地面下沉引起旧引据水准点和基本水准点的位置均产生变化的情况下，应用最新的国家水准点高程数据及最新的水准测量成果来计算或复核基面改正数，这便属于在充分了解与测站考证相关联的基本概念以后，在实际工作中所要面临，进而需要探讨、解决的核心问题即考证技术问题