国家一等水准网建设

张庆兰，张 鹏，陈现军，兰启贵，李 兵

(1. 国家基础地理信息中心，北京 100830；2. 国家测绘地理信息局 第三大地测量队，四川 成都 100142；3. 国家测绘地理信息局 第二大地测量队，黑龙江 哈尔滨 150025)

0 引 言

2012年以前，我国现行高程基准的实现、维持和传递主要依托于1982～1988年建设的国家第二期一、二等水准网和20世纪90年代部分二期复测一等水准网所构成的国家高程控制网。该控制网为我国提供了全国统一、协调、可靠的高程基准，在国民经济建设和社会发展等方面发挥了巨大作用。由于该控制网建成距今已有20余年，成果的现势性变化差及地形变化对成果准确度的影响已不容忽视[1]。按照《中华人民共和国大地测量法式》规定，国家一等水准网必须25年复测一次，同时考虑到高程基准基础设施损毁严重（2004年统计水准点完好率49%）、独立水准原点争议较大等诸多因素，尽快开展新一期国家高程控制网建设势在必行。2012～2016年，国家测绘地理信息局利用四年时间组织完成了新一期国家高程控制网建设，将我国一等水准网总长度由9×104km提升至12.56×104km，全面更新和完善了我国高程基准成果。

1 总体设计

新一期国家高程控制网主要在已有的国家一、二等水准路线的基础上重新设计，通过重新组合、改线、新建等方式，形成覆盖全国、密度适宜的国家高程基准框架。该网总体设计遵循了以下原则：

1）新设计一等水准网尽量利用已有一、二等水准路线，高速公路原则上不布设水准点，西部地区主要依据地形条件与交通状况布设；水准闭合环线长度相对均匀，东部地区应在1 200～1600 km，西部地区一般应在1800km以内，保证每个水准环尽量做到当年观测，当年闭合，最迟两年内观测闭合。

2）凡是布设在国家一等水准路线上的GNSS B级点要全部纳入水准点，并进行统一编号；全部水准路线结点设计埋设GNSS、水准共用测量标志，并将路线中或距路线直线距离5 km范围内的GNSS A、B级点纳入水准路线观测，以期综合利用水准测量、GNSS测量和重力测量成果实现对高程基准的大尺度沉降监测。

3）在东北、华北、华中以及新疆等局部基岩点分布薄弱地区新建5座深层基岩点，加强国家高程控制基准区域的稳定性。

4）全面采用数字水准仪和电子记簿程序，尽可能减少人为因素带来的误差影响；联测沿海44座验潮站。

新一期国家高程控制网设计了388条一等水准路线和44条验潮站支线，设计路线总长度12.2×104km，其中包含：149个闭合环、27 400座水准点（含240个结点）。

新设计一等水准网主要对我国北疆、内蒙古中西部、黑龙江以及云贵高原区域部分二等水准线进行了升级为一等水准线，有效缩短了全网平均水准环长度。本期一等水准网较二期复测一等水准网总长度提升近40%，水准闭合环个数增加73%，水准环平均长度缩短约20%，确保所有水准环按规范要求在两年内完成外业观测拼环，新设计一等水准网与原有一等水准网对比如图1所示。

图1 新设计与原有一等水准路线对比图Fig.1 Comparison of the new design with the original fi rst_order leveling routes

2 工程实施

2.1 普查与补埋

通过对全网394条一等水准路线和41条验潮站支线的水准点普查，水准标石平均破坏率达38.6%，且东部发达地区较西部不发达地区破坏情况严重，由此可见加强测量标志宣传，健全测量标志保护机制，加大测量标志保护力度尤其是经济发达地区非常必要。

基于对全网设计水准路线上的水准点普查结果，综合考虑点位埋设位置的冻土深度、土层覆盖情况等因素，埋设了以下11种类型水准标石，见表1。

表1 水准点及标石类型Tab.1 Types of leveling points and benchmarks

全网累计新补埋7 227座水准标石、修复4 700余座水准标石。新补埋水准标石均埋设于地基稳定、利于标石长期保存和高程联测、便于卫星定位技术测定坐标的地点。冻土地区埋设深度不小于冻土线以下0.5m，其中冻土深度大于0.8 m或永冻地区选择埋设了钢管水准标石。个别特殊困难地区允许埋设了墙角水准标石。水准标石主要修复内容包括指示盘、保护井、标志盖、指示桩等。所有水准点均采用手持GPS接收机测定了米级精度坐标，并重新绘制点之记和办理了委托保管书。

新一期国家高程控制最终实际完成394条一等水准路线、41条验潮站支线的普查与标石选埋工作，水准标石总数达26 327座水准标石（含246座结点），组成了148个水准环，平均环长1 475km（实际埋设网如图2所示）。

图2 国家高程控制网实际布网图Fig.2 The map of national fi rst-order leveling network

2.2 深层基岩点建造

深层基岩点是指直接浇注在土层覆盖厚度大于3 m新鲜稳定基岩上的水准点，其长期稳定性和可靠性是土层水准点所无法比拟的，对确保国家高程基准的区域稳定性和成果可靠性至关重要。新一期国家高程控制网在二期复测一等水准网已建深层基岩点的基础上，通过新设计和地质勘探后，分别于新疆阿克苏、西藏日喀则、贵州威宁、黑龙江三道通和四川芦溪5处新建深层基岩点，解决了我国东北、西南、西藏和新疆等局部地区深层基岩点分布相对薄弱的问题，有效提升了该区域高程基准维护能力。点位具体建设情况见表2。

表2 深层基岩点建设情况Tab.2 Construction of deep bedrock points

2.3 属性测定

国家高程控制网属性测定主要指水准点高程属性测定和加密重力属性测定。高程属性测定是采用水准观测方式，按照一等水准测量精度获取路线中每个水准点高程值（正常高）。水准点加密重力属性测定则是采用相对重力观测仪器测定路线中每个水准点相对于起算点重力差异，并通过内业计算获取到该点上的重力值。加密重力属性测定的主要目的是为国家一等水准观测重力异常改正计算提供实测重力值，以获取更加准确的高差改正。

1）总体原则

国家高程控制网高程属性测定路线总长度约12.56×104km，共计431条水准路线、148个水准环，完成30处跨河水准测量，联测了37座验潮站和21 00余座国家GNSS大地控制点，是一项浩大的测绘工程。在严格遵循《国家一、二等水准测量规范》(GB/T12897-2006)要求的基础上，按照“第一年选埋、第二年观测”的总体原则安排了年度建设任务，确保了标石按规范要求在历经一个完整雨季和冻、解期沉降稳定后开始观测。外业数据采集全部使用了数字水准仪，标称精度不低于±0.3 mm，同时使用统一定制的外挂式数据采集终端和水准测量电子记簿软件。

2）外业实施

高程属性测定任务安排上综合考虑了年度作业力量，作业周期、测区环境等因素将12.56×104km一等属性测定任务，分配在近4年内完成。第一年观测80条水准路线，占全网的18.7%，测区主要位于华北、华中区域；第二年观测176条水准路线，占全网的40.8%，测区主要位于华南、东南、西南及内蒙古中部；第三年观测105条水准路线，占全网的24.3%，测区主要位于西藏、新疆、青海等西部区域；第四年观测70条水准路线，占全网的16.2%，测区主要位于东北三省和内蒙古北部。

针对总长度达5 460 km，横跨西藏、新疆、青海的超大水准环如何实现成功闭合观测难题进行了详细研究分析，采取制定详细大环观测方案、精良人员设备保障、会战式作业、起伏地区加测重力，合理选择观测期等应对措施，最终实现该超大水准环历史性首次成功闭合。

本期高程控制网全部431条水准路线每千米偶然中误差（加过标尺长度误差改正）均满足限差要求，优良率达80.7%，具体分布如图3所示。全网每千米偶然中误差为±0.38mm ，满足规范不低于±0.45mm的限差要求。

图3 路线每千米偶然中误差分布Fig.3 Distribution of route accidental error per kilomete

所有的148个水准环均在两年内完成了闭合观测，用经过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正的高程计算的环闭合差均符合限差要求，优良率达88.5%，环闭合差具体分布如图4所示。利用148个水准环闭合差计算得到的全网每千米水准测量全中误差为±0.92 mm，满足全中误差优于±1mm的规范要求。

图4 水准环闭合差分布Fig.4 Distribution of closure error of leveling ring

按照国家规范要求，本期国家高程控制属性测定过程中对全部一等水准点和高差大于250 m的测段中均进行了加密重力属性测定，累计完成114个二等重力点布测和27 220点次加密重力观测。所有点位加密重力观测相对于起算点成果均优于±0.60×10-5ms-2，满足设计指标。

本期加密重力属性测定年度任务安排及测区分布基本与高程属性测定年度任务安排一致，保证了重力异常改正均采取了实测重力进行计算，极大地提高了水准高差上重力异常改正的准确性和可靠性。利用经过重力异常改正后的测段高差及时计算水准环闭合差，有效避免了不必要的外业返工和重测。

3 整体平差

水准观测数据处理主要包括资料整理、数据预处理和整体平差等步骤。资料整理主要是核对观测数据信息。数据预处理主要是进行各项高差改正数计算。整体平差是采用了结点平差方式，具体将经过各项改正的每条路线的观测高差进行累和作为观测量，将路线结点作为参数列立误差方程，计算各结点高程值，平差后再将每条路线的测段观测量按附合路线处理，计算路线中各待定水准点高程值。

参与整网平差计算的一等水准路线394条，共有结点247个，其中1个起算点，246个待定结点，按间接平差法计算的每个待定结点的中误差基本按照正态分布，具体统计分布如图5所示。全网最弱结点是4 050(噶尔县)下±70.34mm，距起算点（青岛原点）的距离为5 917km。

图5 结点中误差统计分布图Fig.5 Error statistical distribution map of junction points

对394条水准路线进行了整网平差与精度估计，37条联测验潮站路线在整网平差的基础上计算其水准点高程与精度。全部水准点平差结果中误差统计分布如图6所示。最弱点（Ⅰ狮萨59(09)）中误差为±75.35mm，距起算点（青岛水准原点）的距离为6 185km。

图6 水准点平差结果中误差统计分布图Fig.6 Statistical distribution map of mean error of leveling point adjustment results

4 结束语

新一期国家高程控制网建设了目前世界上长度最长、观测精度最高、施测时间最短的国家级高程基准基础设施，且在我国历史上首次实现了5 460km超大一等水准环成功观测闭合。建设主要特点总结如下：

1）建立了全国统一、高精度、分布更加合理、密度相对均匀的国家高程控制网，全面升级和完善了我国高程基准，更新了我国高程基准成果，解决了目前高程基准成果现势性和准确性不足等问题。

2）首次实现了总长度达5 460 km超大水准环成功闭合。超大水准环横跨西藏、新疆、青海三省，是目前我国长度最长、世界平均海拔最高、自然条件最恶劣、高差最大和施测难度最大的水准环线，是国家高程控制网建设的关键部分。超大水准环仅用4个月会战首次实现成功闭合，环闭合差63.22 mm，优于1/2限差，实现全网观测成果达到历史最好水平。

3）研发GPS和加密技术集成的精密水准测量电子记簿软件。全面采用数字水准仪并配套专门研发的精密水准测量电子记簿程序，实现了观测时间严格把控，观测数据杜绝人为修改，观测过程和路径可回溯等功能，确保了外业采集数据的质量可控，数据安全，有效保证了高程属性测定数据的真实性和可靠性。

随着大地水准面技术的发展与普及应用，社会各方对国家高程基准的成果精度和形式、信息化服务能力提出了更高的要求，厘米级似大地水准面也成为高程基准建立、维持与服务的新形式，是高程基准现代化的下一阶段重要目标。国家高程控制网建设成果不仅已为陕西、黑龙江等多个省份二等水准网更新、大地水准面精化、省现代测绘基准建设等项目提供了可靠的起算基准和框架结构，还可为我国似大地水准面厘米级精化，建立现代化高程基准提供重要基础设施和水准数据，以期更好地服务于国家基础测绘保障、大地测量、地球科学与信息技术的发展进步和满足科学研究、教育发展、社会减灾经济建设的巨大需求。